I nuovi integrati ClockWorks

In questo articolo della Rubrica Firmware Reload analizzeremo MX85xxx e SM803xxx, due famiglie di integrati ClockWorksTM della Micrel, come soluzioni clock/timing.

Introduzione

La Micrel Inc. è un produttore leader di soluzioni IC (Integrated Circuit) a livello mondiale, tra i suoi prodotti troviamo soluzioni riguardati Power Management, RF Wireless, LAN, Clock/Timing; in quest’ultima categoria distinguiamo due grandi famiglie: Clock-Works e Precision Edge. La Precision Edge è una famiglia che include soluzioni di distribuzione clock con innovative caratteristiche tra cui isolamento di rumore cross-talk, bassi jitter e molto altro per mantenere intatta l’integrità del segnale; mentre la famiglia ClockWorks si impone come la best-inclass e ultra-low jitter clock synthesizer. Da poco la Micrel ha annunciato due nuove famiglie appartenenti alla Clock-Works, MX85xxx e SM803xxx; questi integrati trovano largo utilizzo in applicazioni di tipo networking, wireless base-station, storage, server, router, 10/40/100 Gigabit Ethernet, PCI Express e altro.

Figura 1: Micrel MX85 ClockWorks Fusion

Figura 1: Micrel MX85 ClockWorks Fusion

 

Micrel SM803 ClockWorks Flex2

Figura 2: Micrel SM803 ClockWorks Flex2

CARATTERISTICHE GENERALI DELLA “MX85 FAMILY”

Ottimizzata per applicazioni che richiedono prestazioni, affidabilità e alta integrazione, la famiglia MX85 offre l’intera catena del clock dal cristallo al fan-out buffer in un unico IC. Questa famiglia rivoluzionaria appartenente alla ClockWorks Fusion, offre un’alta integrazione per la generazione del clock garantendo ottime performance e, come si evince dallo schema a blocchi dalla Figura 1, integra un cristallo, un frequency synthesizer e un fan-out buffer in un singolo package, in modo da poter ridurre la “Bill Of Materials” (BOM), semplificare la progettazione del sistema, semplificare la progettazione del PCB (Printed Circuit Board) e migliorare le performance globali. I dispositivi sono progettati per essere facilmente configurabili e soddisfare le esigenze di ogni progettista, consentendo l’ottimizzazione del prodotto finale e un rapido “time-to-market” (TTM).

I dispositivi appartenenti a questa famiglia offrono vari settaggi di frequenze generalmente richieste per l’Ethernet, lo storage dei dati, nelle telecomunicazioni e supportano cinque uscite indipendenti (Q1-Q5) configurabili mediante l’opzione OTP (One-Time Programmable), in quattro diverse modalità di uscite logiche: LVPECL, LVDS, HCSL e LVCMOS. Grazie al pin FSEL si può selezionare la frequenza di interesse, mentre mediante i pin OEA è possibile abilitare/disabilitare il blocco delle uscite Q1,Q2 e Q3 contemporaneamente; nello stesso modo, attraverso OEB si agisce sul blocco di Q4 e Q5. Ogni blocco prevede anche una tensione di uscita indipendente VDDOA e VDDOB pari alla tensione di alimentazione che deve essere nel range dai 2.5V ±5% ai 3.3V ±5%. I prodotti MX85 sono disponibili in package LGA di 5mm x 7mm a 38pin. Le caratteristiche più salienti sono riassunte in Tabella 1.

Tabella 1: Panoramica sulle caratteristiche della famiglia Micrel MX85 ClockWorks Fusion

Tabella 1: Panoramica sulle caratteristiche della famiglia Micrel MX85 ClockWorks Fusion

CARATTERISTICHE GENERALI DELLA “SM803 FAMILY”

Con la famiglia SM803 la Micrel espande la linea di prodotti ClockWorks FLEX2 annunciando dei dispositivi con due generatori di clock PLL altamente configurabili e ottimizzati per l’ultra-low jitter, eccellente isolamento cross-talk ed elevata PSNR (Power Supply Noise Rejection), tutto integrato in un unico package come mostrato in Figura 2. Tali dispositivi si impongono come soluzioni di timing per 10/40/100 Gigabit Ethernet, SONET/SDH, CPRI/OBSAI, Fibre Channel, SAS/SATA e high speed clocking per FPGA. Tra le caratteristiche principali abbiamo 200 femto-second (fs) RMS phase jitter con dodici uscite differenziali o single-ended fino a 850MHz, supportando così applicazioni in cui sono richieste numerose frequenze, alti fan-out e ultra-low jitter, tutto integrato in un unico IC con package 7mm x 7mm QFN a 84 pin.

Rispetto alla famiglia MX85 precedentemente analizzata, che integrava direttamente un cristallo all’interno del package, in questo caso in ingresso si deve prevedere un cristallo (da 12MHz a 50MHz) ma senza alcun bisogno di condensatori associati, oppure un riferimento di clock (da 12MHz a 850MHz). Quanto detto si riscontra analizzando in dettaglio la Figura 3, che è lo schema a blocchi di funzionamento relativo a un dispositivo appartenente alla famiglia SM803 ricavato dal datasheet associato; infatti, si evince che è possibile collegare ai pin XTAL_IN e XTAL_OUT un cristallo esterno oppure si possono usare i pin REFINx e FBINx come clock di riferimento d’ingresso. Mediante un multiplexer a seconda dell’ingresso scelto, il clock viene portato all’interno dei due PLL per poter generare le frequenze d’interesse che sono configurabili indipendentemente in varie uscite logiche del tipo: LVPECL, LVDS, HCSL e LVCMOS (maggiori dettagli su tali soglie si possono approfondire nel datasheet associato al dispositivo).

Figura 3: Schema a blocchi SM803

Figura 3: Schema a blocchi SM803

Grazie all’opzione One-Time Programmable (OTP) e attraverso i pin d’ingresso FSx si possono selezionare le frequenze desiderate. In Figura 4 è riportato il dettaglio per la programmazione di uno dei due PLL, che prende in ingresso il riferimento e attraverso il Phase Detector arriva nell’oscillatore controllato in tensione (VCO) con frequenze nel range 2875MHz e 3510MHz, ottenendo una Fvco pari a REF x M (con M nel range da 4 a 259). Mentre per quanto riguarda le frequenze d’uscita si ottiene QDx = Fvco/(P0 x Px) con Px nel range tra 1 e 16. Una delle varie analogie con la famiglia MX85 è la possibilità di abilitare a blocchi le uscite, imponendo un valore logico pari a “1” sugli ingressi OEx a seconda del blocco di tre uscite scelto, oppure disabilitarlo imponendo uno “0” logico sugli stessi pin, facendo attenzione a prevedere nel progetto, delle resistenze di pull-up da 75 su tali ingressi. In Tabella 2 sono riportate le varie opzioni di scelta. Infine, per quanto riguarda le tensioni di alimentazione i dispositivi di questa famiglia lavorano con tensioni dai 2.5V ai 3.3V e hanno vari pin per la “power supply” che riguardano sia le alimentazioni delle uscite (VDDOX), sia le alimentazioni dei blocchi PLL (VDDAPX) e sia quelle relative all’intero dispositivo (VDDIX). In Tabella 3 sono riassunte le caratteristiche principali di questa famiglia.

Figura 4: Schema a blocchi di programmazione PLL

Figura 4: Schema a blocchi di programmazione PLL

 

Tabella 2: Funzionamento Pin OEx

Tabella 2: Funzionamento Pin OEx

 

Tabella 3: Panoramica sulle caratteristiche della famiglia Micrel SM803 ClockWorks Flex2

Tabella 3: Panoramica sulle caratteristiche della famiglia Micrel SM803 ClockWorks Flex2

CONCLUSIONI

Le due famiglie della ClockWorks appena analizzate rappresentano un passo in avanti per l’integrazione di soluzioni Clock/Timing con un alto grado di prestazioni, permettendo comunque di avere prodotti molto flessibili e configurabili, tutto integrato in un unico package.

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