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6-2014

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HF-Praxis 6/2014

Grundlagen Arten von

Grundlagen Arten von digitalen Signalen und ihre Anwendung CMOS, HCMOS, LVCMOS, Sinewave, Clipped Sinewave, TTL, PECL, LVPECL, LVDS, CML – das sind nur die vielleicht populärsten Signalbezeichnungen, die im Zusammenhang mit Taktoszillatoren und komplexen Frequenzerzeuger- Baugruppen auftauchen. Die Signalausgabe erfolgt in verschiedenen Formaten, und jedes hat seine Vor- und Nachteile. Ziel dieses Artikels ist es, zu jedem populären Format das wichtige Hintergrundwissen zu vermitteln. Quelle: Signal Types and Termination, Vectron Application Note Vectron International www.vectron.com Warum müssen wir Signalarten verstehen und definieren? Eine gedruckte Leiterplatte lässt sich als Übertragungsleitung auffassen und hat damit wie ein Dämpfungsglied, Übertrager oder Filter Einfluss auf Größe und Form eines Signals. Je länger die Strip line ist, umso mehr Spielraum besteht hier. Mit steigender Frequenz der Signale verschärft sich die Problematik ebenso. Nicht vergessen darf man die Störproblematik (Abstrahlung wie Aufnahme von Störsignalen). Eine Stripline ist ja nicht wirklich geschirmt. Durch Fehlanpassung kann es zudem zu Jitter kommen. Daher macht es Sinn, einmal darüber nachzudenken, wie eine High- Quality-Signalquelle richtig zu implementieren ist. Folgende Punkte sollten dabei Beachtung finden: • Isolation einer Takt- oder Signalquelle von jeder anderen Quelle • sorgfältige Erdung (Grounding) und Power-Supply-Entkopplung • kürzeste Leitungswege für die Signalübertragung anstreben • zu taktende Stufen möglichst nahe am Taktgenerator anordnen • Auswahl des optimalen Outputs/Signalformats • sichern, dass die Ausgangstreiber bestmöglich angepasst sind Konzentrieren wir uns auf die letzten beiden Punkte! Reflexionen und Dämpfungen treten auf, wenn die Leitungen nicht richtig terminiert wurden. Reflexionen rufen Jitter hervor, während Dämpfungen die Übertragungssicherheit beeinträchtigen (höhere Störempfindlichkeit). Somit werden Signalform und Gesamtperformance beeinträchtigt. Es geht also vor allem darum, die Signalintegrität zu sichern. Dazu gehört es auch, einen Oszillator mit geringem Phasenrauschen einzusetzen. Wir betrachten zunächst Familien mit Single-Ended-Ausgang und dann Typen mit Differenzausgang. Das (Clipped-) Sinussignal Die Begriffe Sinewave und Clipped Sinewave sind oft anzutreffen. Der Sinus ist das „natürliche” Ausgangssignal jedes Quarzoszillators und weist bekanntlich den maximalen Grad an spektraler Reinheit auf. Mehr kann man von einem Oszillator nicht verlangen. Per Definition gibt es nur eine fundamentale Frequenz und idealerweise keine Subharmonische oder Harmonische. Einen „Standard”-Ausgangspegel gibt es nicht, obwohl eine einzige Angabe (Spannung oder Leistung) genügen würde. Man gibt die Ausgangsleistung meist in dBm an. Sinewave Outputs sind in der Regel dafür bestimmt, 50-Ohm-Impedanzen als Last zu treiben, daher sollte auch die Stripline diesen Wellenwiderstand aufweisen. Die meisten logischen Ausgangssignale sind aus einem Sinus oder Clipped Sinus abgeleitet. Dabei leidet immer die Phasenrausch-Performance, denn nur ein reiner Sinus hat die besten Voraussetzungen, das geringste Phasenrauschen mit sich zu bringen. Clipped Sinewaves entstehen durch Begrenzung (Limiting) eines Sinussignals. Hierbei hat man natürlich einen Spielraum. Man kann stark oder schwach begrenzen mit entsprechenden Folgen für Nebenwellen. Je Bild 1: Die häufigste Methode, um einen CMOS Driver bei kurzer Leitungslänge richtig abzuschließen. 28 hf-praxis 6/2014

Grundlagen Bild 2+3: Zwei alternative Methoden zum Abschluß eines CMOS- Drivers bei kurzer Leitungslänge. mehr man limitiert, umso mehr zusätzliche Harmonische entstehen bzw. umso mehr leidet die spektrale Reinheit. Dennoch können die scharfen Übergänge nützlich sein. Oder der Eingang ist für den Spitzenwert der Sinusspannung gar nicht ausgelegt. Clipped-Sinewave-Systeme verbrauchen weniger Leistung als volldigitale Logik-Outputs, und aus diesem Grunde sind sie populär in TCXO-Designs, wo geringst mögliche Wärmeentwicklung gewünscht wird. Bereits eine zusätzliche CMOS- Stufe könnte hier stören. Clipped-Sinewave TCXOs sind für eine Last aus 10 pF/10 kOhm vorgesehen. CMOS, HCMOS and LVCMOS CMOS steht für Complementary Metal Oxide Semiconductor, was bedeutet, dass ein solcher Puffer aus einem p- und einem n-Kanal- MOSFET besteht. CMOS-Signale führt man in der Regel auch über Leitungen mit 50 Ohm Impedanz, wobei die Empfänger selbst aber eine höhere Impedanz aufweisen. Daher ist oft eine zusätzliche Termination anzutreffen. Da diese Leistung verbraucht, transformiert man dort, wo es auf hohe Störfestigkeit ankommt. Mit ihrem Rail-to-Rail-Swing besetzen CMOS-Ausgänge einen heute eher “niederfrequenten” Taktbedarf (unter 200 MHz) bei Leitungslängen bis ¼ Lambda. Man sollte bei der Leitungslänge immer die Transformationswirkung für die stärkste Oberwelle mit berücksichtigen. Für sehr geringe Frequenzen und mechanisch kurze Verbindungen oder den Direktanschluss bestehen solche Probleme nicht. Auf Terminierung oder Anpassung kann verzichtet werden. Allerdings kann in manchen Fällen ein Längswiderstand von 20 bis 50 Ohm zur Störfestigkeit beitragen (Bild 1). Er reduziert Reflexionen und sichert die Signalintegrität. Die Bilder 2 und 3 zeigen andere Methoden zum Impedance Matching. Diese erhöhen allerdings die Betriebsleistungsaufnahme (Power Consumption). HCMOS steht für High-Speed CMOS und ist also die Hochgeschwindigkeits-Variante des originalen CMOS-Systems. Immer häufiger als der Begriff CMOS taucht der Begriff HCMOS in der Oszillatorenwelt auf. LVCMOS bedeutet Low-Voltage CMOS, das ist also die originale CMOS-Technik, modifiziert für geringe Betriebsspannungen (2,7 oder 3,3 V). ACMOS schließlich steht für Advanced CMOS. Hier geht es vor allem um höhere Flankensteilheit und Schnelligkeit gegenüber dem Original. Da diese Bezeichnungen aber durchaus verschieden interpretiert werden können, empfiehlt Vectron, einen Oszillator auf jeden Fall anhand der Rise/Fall Time, anhand der Lastbedingungen sowie der typischen Werte für L und H zu spezifizieren. Damit verlieren die Bezeichnungen CMOS, HCMOS, ACMOS, LVCMOS etc. ihren möglicherweise verunsichernden Einfluss. Das TTL-System Die Transistor to Transistor Logic (TTL) ist der älteste I/O- Standard. TTL arbeitet an 5 V oder 3,3 V. Infolge der niedrigeren Transistorwiderstände und der höheren Ströme ist TTL schneller als CMOS, Frequenzen bis 100 MHz sind möglich. Von Vorteil ist hierbei, dass die Betriebsstromaufnahme sich bei hohen Frequenzen kaum von der bei geringen Frequenzen unterscheidet – im Gegensatz zu CMOS. TTL-Ausgänge werden ähnlich gehandhabt wie CMOS- Ausgänge. Bereits während der achtziger Jahre wurden CMOS- Bausteine populärer als TTL- ICs infolge ihrer Vorteile Large- Scale-Integration, Ruhestrom nahe null, gute Störfestigkeit, verbesserte Rise/Fall Times und geringe Herstellungskosten. CMOS hat TTL im Bereich relativ niedrigerer Taktraten komplett abgelöst. Differential-Logik- Familien Single-ended-Signalübertragungstechniken sind anfällig auf Gleichtaktstörungen. Dem könnte man durch Erhöhen der Signalspannung entgegenwirken, allerdings um den Preis erhöhter Betriebsleistung und verminderter Geschwindigkeit. Single-ended-Übertragungsleitungen weisen auch eine höhere Dämpfung auf als Zweidrahtleitungen, da sie vom Wellenwiderstand her niederohmiger sind. Die Verlustwiderstände wiegen also schwerer. Wieder könnte man dies mit erhöhter Signalleistung ausgleichen. Differentiale Puffer beseitigen diese Schwächen. Sie stellen ein Paar komplementärer Signale bereit (“opposite Polarities”). Jedes Bit ist quasi zweigeteilt. Die Leitung setzt die Teile übereinander. Der Empfänger reagiert auf Differenzen zwischen den beiden Signalanteilen, nicht jedoch auf Gleichtaktstörungen! Diese werden also ausgeblendet. Differentiale Transmissionstechniken dämpfen relativ wenig und erlauben hohe Datenraten über große Distanzen. ECL (Single-ended oder differential) Die Emitter-Coupled Logic (ECL) wurde als Alternative zur TTL-Logic entwickelt und eingeführt, denn sie ist besser geeig- hf-praxis 6/2014 29

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