Schema del circuito equivalente di un cristallo di quarzo oscillante

Gli oscillatori al quarzo generano segnali di clock altamente stabili, necessari in quasi tutti i sistemi elettronici, dai semplici circuiti per microcontrollori ai sistemi di trasmissione dati ad alta velocità.

Il segnale di uscita di un oscillatore deve corrispondere alla famiglia logica o all'interfaccia a valle. Nel corso dei decenni si sono sviluppati diversi standard di uscita, ognuno dei quali è stato adattato alle esigenze del momento e dell'applicazione.

Questo documento fornisce una panoramica completa dei sette tipi di segnale di uscita più comuni per gli oscillatori a cristallo: CMOS, TTL, Onda sinusoidale tagliata, Onda sinusoidale, LVPECL, LVDS e HCSL.

Per ciascun tipo, vengono illustrati lo sviluppo storico, le proprietà elettriche, la forma tipica del segnale e le aree di applicazione preferite.

Lo sviluppo dei tipi di segnali di uscita può essere strettamente legato all'evoluzione della tecnologia dei semiconduttori e alle crescenti esigenze in termini di frequenze di clock e integrità del segnale:

2.1 TTL (logica a transistor) - dal 1964 circa

Il TTL è stato uno dei primi standard logici digitali ampiamente utilizzati ed è stato introdotto da Texas Instruments con la serie 7400. Gli oscillatori con uscita TTL funzionano con una tensione di alimentazione di 5 V e forniscono intervalli di livello direttamente compatibili con le porte TTL. Questo standard ha caratterizzato l'elettronica digitale per decenni ed è stato lo standard logico dominante fino agli anni Novanta.

2.2 CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) - dal 1968 circa

La tecnologia CMOS è stata originariamente sviluppata da RCA ed è caratterizzata da un consumo di corrente di riposo estremamente basso. Gli oscillatori CMOS forniscono segnali di uscita rail-to-rail, ossia l'uscita oscilla quasi tra 0 V e VCC. Con l'avanzare della miniaturizzazione e la tendenza a ridurre le tensioni di alimentazione (3,3 V, 2,5 V, 1,8 V), il CMOS è diventato lo standard di uscita più diffuso per gli oscillatori a cristallo.

2.3 Onda sinusoidale: dagli albori della tecnologia degli oscillatori

I segnali di uscita sinusoidali sono antichi quanto la tecnologia degli oscillatori. Gli oscillatori al quarzo oscillano fisicamente in modo sinusoidale; tutte le altre forme di segnale sono generate solo dai circuiti a valle. Le uscite sinusoidali sono utilizzate preferibilmente nella tecnologia ad alta frequenza, nei dispositivi di misura e nell'elaborazione analogica dei segnali, poiché non generano armoniche.

2.4 Onda sinusoidale tagliata - dagli anni '70 circa

L'uscita ad onda sinusoidale ritagliata è un compromesso tra un'onda sinusoidale e un'onda quadra. Il segnale sinusoidale viene limitato (clippato) ai picchi, con il risultato di avere bordi più ripidi rispetto a un'onda sinusoidale pura, ma meno armoniche rispetto a un segnale a onda quadra. Questo tipo di uscita è stato utilizzato soprattutto nelle telecomunicazioni e nelle vecchie applicazioni ad alta frequenza. Oggi i circuiti integrati a onda sinusoidale ritagliata sono ancora utilizzati principalmente nei TCXO. Con questa tecnologia è possibile costruire TCXO molto più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alla tecnologia CMOS. I TCXO CSW sono quindi utilizzati come riferimento nei dispositivi di navigazione, nei sistemi di chiamata di emergenza e nei gateway. Ovunque sia richiesta una portata del segnale (radio) e un posizionamento di alta precisione.

2.5 LVPECL (Low-Voltage Positive Emitter-Coupled Logic) - dagli anni '90 in poi

Con la necessità di frequenze di clock sempre più elevate nei sistemi di rete e di telecomunicazione, LVPECL è emerso come logica di uscita differenziale veloce. LVPECL si basa sulla classica tecnologia ECL (logica ad accoppiamento di emettitore), sviluppata negli anni '60 per applicazioni ad alta velocità, adattandola a tensioni di alimentazione inferiori (3,3 V anziché -5,2 V). LVPECL offre tempi di commutazione estremamente brevi ed è adatto a frequenze ben superiori a 1 GHz.

2.6 LVDS (Low-Voltage Differential Signalling) - dal 1994

LVDS è stato introdotto nel 1994 come standard ANSI/TIA/EIA-644 e ottimizza la trasmissione dei segnali differenziali per un basso consumo energetico e un'elevata velocità di trasmissione dei dati. Il basso swing di tensione differenziale, pari a soli 350 mV, consente operazioni di commutazione rapide con radiazioni elettromagnetiche minime. L'LVDS è oggi ampiamente utilizzato nelle interfacce di visualizzazione, nei collegamenti dati seriali e nel blocco di FPGA.

2.7 HCSL (High-Speed Current Steering Logic) - dal 2002 circa

HCSL è stato sviluppato appositamente per lo standard PCI Express ed è stato lo standard di clock di riferimento fin dalla prima generazione di PCIe. Il PCI-SIG ha specificato HCSL come un segnale differenziale basato sulla modalità di corrente con uno swing di tensione molto basso, ottimizzato per i clock di riferimento a 100 MHz dei sistemi PCIe. Oggi l'HCSL è indispensabile in ogni PC, server e sistema embedded con interfaccia PCIe.

I diagrammi seguenti mostrano le caratteristiche ideali dei segnali dei sette tipi di uscita. Si notino i diversi intervalli di tensione e le deviazioni di oscillazione, fondamentali per la compatibilità con i ricevitori a valle.

3.1 CMOS

Il segnale CMOS è caratterizzato da un'oscillazione completa della tensione tra GND e VCC. Le soglie di ingresso VIL e VIH sono tipicamente il 30% e il 70% di VCC rispettivamente, il che garantisce un ampio rapporto segnale/rumore. Le strutture simmetriche del driver di uscita (MOSFET a canale P/canale) consentono tempi di salita e discesa quasi identici.

3.3 Onda sinusoidale ritagliata

A differenza dell'uscita CMOS, il TTL non raggiunge livelli rail-to-rail. Il livello alto (VOH) è tipicamente di 3,4 V (minimo 2,4 V), quello basso (VOL) di 0,4 V al massimo. Le soglie asimmetriche (VIL = 0,8 V, VIH = 2,0 V) derivano dall'architettura dei transistor bipolari. Il cosiddetto "intervallo proibito" tra 0,8 V e 2,0 V non deve essere assunto nel funzionamento statico.

3.3 Onda sinusoidale tagliata

Con l'uscita dell'onda sinusoidale ritagliata, il segnale dell'onda sinusoidale naturale del risonatore al quarzo viene limitato a valori di soglia definiti. La linea tratteggiata mostra l'onda sinusoidale non clippata. Il clipping produce incroci di zero più ripidi rispetto a un'onda sinusoidale pura, rendendo più facile il controllo della logica successiva, mentre il contenuto armonico rimane moderato.

3.4 Onda sinusoidale

L'uscita sinusoidale offre lo spettro più pulito di tutte le forme di uscita: idealmente solo una singola linea spettrale alla frequenza fondamentale. L'ampiezza è specificata come tensione da picco a picco (Vpp) o come potenza in dBm. I valori tipici sono da 0,5 a 1,0 Vpp o da 0 a +13 dBm nei sistemi a 50 Ω.

3,5 LVPECL

LVPECL utilizza un instradamento del segnale differenziale: due uscite complementari (Q e Q̅) oscillano in antifase attorno a un livello comune di modo comune (VCM), che è tipicamente VCC-1,3 V. Lo swing di tensione differenziale è di circa 800 mV. L'architettura a sorgente di corrente consente tempi di commutazione estremamente rapidi con un overshoot minimo.

3.6 LVDS

L'LVDS è caratterizzato da uno swing di tensione differenziale particolarmente basso, pari a soli 350 mV. Il livello di modalità comune è di 1,25 V. Il driver controllato in corrente (tipicamente 3,5 mA) e la terminazione da 100 Ω garantiscono un'elevata integrità del segnale con un consumo minimo di energia. La bassa ampiezza riduce al minimo le radiazioni elettromagnetiche.

3.7 HCSL

L'HCSL funziona con un'oscillazione di tensione molto bassa: VOH è tipicamente di 0,74 V e VOL di 0,17 V, con un livello di modo comune di circa 0,45 V. L'architettura di controllo della corrente è appositamente ottimizzata per i requisiti della specifica PCIe e consente una precisa corrispondenza dell'impedenza tramite terminazioni a 50 Ω verso terra.

La tabella seguente riassume le proprietà principali dei sette tipi di uscita:

5.1 Single-ended vs. differenziale

La differenza fondamentale tra i tipi di uscita è l'instradamento del segnale. CMOS, TTL, onda sinusoidale ritagliata e onda sinusoidale sono segnali single-ended - fanno riferimento a una massa comune. LVPECL, LVDS e HCSL, invece, sono segnali differenziali con due linee complementari. I segnali differenziali offrono vantaggi decisivi alle alte frequenze: sopprimono le interferenze di modo comune, consentono deviazioni di tensione minori e quindi tempi di commutazione più rapidi con una minore radiazione elettromagnetica.

5.2 Oscillazione di tensione e rapporto segnale/rumore

Con la sua uscita rail-to-rail, il CMOS offre il più ampio swing di tensione assoluto e quindi il miglior rapporto segnale/rumore statico. Il TTL ha un rapporto segnale/rumore più limitato a causa dei livelli asimmetrici. Gli standard differenziali (LVPECL, LVDS, HCSL) compensano le minori deviazioni di tensione grazie alla reiezione di modo comune della trasmissione differenziale, il che significa che spesso funzionano in modo più affidabile in ambienti disturbati rispetto ai segnali single-ended.

5.3 Consumo di energia

Gli oscillatori CMOS non consumano quasi nessuna corrente in stato statico; il consumo aumenta proporzionalmente alla frequenza (dissipazione di potenza dinamica). Il TTL ha un consumo di corrente di riposo costantemente superiore a causa dell'architettura bipolare. LVPECL richiede resistenze di terminazione esterne e presenta il consumo di corrente più elevato tra gli standard differenziali. LVDS è noto per il suo basso consumo di corrente (in genere 3,5 mA di corrente di pilotaggio). L'HCSL si colloca tra LVDS e LVPECL in termini di consumo energetico.

5.4 Gamma di frequenza e applicazioni principali

Per le frequenze fino a circa 200 MHz, gli oscillatori CMOS sono la prima scelta nella maggior parte dei casi grazie alla loro versatilità, alla semplicità di progettazione dei circuiti e all'ampia disponibilità. A partire da circa 200 MHz, si consigliano le uscite differenziali. LVPECL offre le frequenze più elevate (>3 GHz) ed è utilizzato nelle apparecchiature di rete e di telecomunicazione. LVDS copre un'ampia gamma media ed è particolarmente diffuso nelle applicazioni FPGA e di visualizzazione. HCSL è ottimizzato per la sua applicazione di nicchia: il clock di riferimento a 100 MHz per PCI Express.

5.5 Terminazione e complessità del circuito

Le uscite CMOS e TTL non richiedono generalmente una terminazione esterna per cavi di breve lunghezza, il che le rende particolarmente facili da usare. LVPECL richiede resistenze di terminazione esterne obbligatorie (tipicamente: terminazione Thevenin a VCC-2 V o resistenze a massa), il che aumenta la complessità del circuito. LVDS è terminato di serie con una resistenza differenziale da 100 Ω sul ricevitore. HCSL utilizza resistenze da 50 Ω verso massa su ciascuna uscita.

6.1 Cosa sono gli overshoot?

Gli overshoot e gli undershoot sono picchi di tensione di breve durata che si verificano durante le operazioni di commutazione rapida. Con un fronte di salita, la tensione sale brevemente al di sopra di VCC (overshoot) e con un fronte di discesa scende brevemente al di sotto di GND (undershoot). Questo fenomeno è spesso seguito da oscillazioni smorzate, definite "ringing".

La causa risiede nella combinazione dei bordi di commutazione molto ripidi del driver di uscita e delle induttanze e capacità parassite della traccia del conduttore, dell'alloggiamento e della capacità di carico. Da un punto di vista fisico, dall'induttanza di linea e dalla capacità di ingresso del ricevitore si crea un circuito risonante. Quanto più ripido è il bordo di commutazione e quanto più lunga è la traccia del conduttore, tanto più pronunciato è l'overshoot.

6.4 Overshoot con segnali single-ended

CMOS: più colpiti. I driver simmetrici dei MOSFET a canale P/N generano bordi molto ripidi che, in combinazione con le induttanze di linea, causano overshoots pronunciati. In particolare con i moderni oscillatori CMOS a bassa tensione (1,8 V), gli overshoots rispetto alla tensione di alimentazione possono essere significativi.

TTL: anch'esso suscettibile, ma per motivi leggermente diversi. Lo stadio di uscita asimmetrico a totem genera un breve picco di corrente sul fronte di salita se entrambi i transistor sono in conduzione nello stesso momento (conduzione incrociata). I bordi tipicamente più lenti rispetto ai moderni CMOS attenuano leggermente il problema.

Onda sinusoidale tagliata: significativamente meno suscettibile. A causa dei picchi di ampiezza limitata e dei bordi relativamente morbidi, l'energia ad alta frequenza che potrebbe stimolare riflessioni e ringing è notevolmente inferiore. Il clipping agisce come un limitatore naturale dell'ampiezza che sopprime i sovraccarichi del segnale.

Onda sinusoidale: praticamente immune dai classici overshoots. Poiché il segnale non contiene transizioni brusche sui bordi, non viene generato un impulso di energia a banda larga che potrebbe eccitare le risonanze di linea. Tuttavia, i disadattamenti di impedenza possono causare onde stazionarie e riflessioni che modificano l'ampiezza del segnale in determinati punti. Questo fenomeno viene controllato tramite la classica terminazione RF (terminazione da 50 Ω o 75 Ω).

6.5 Sovrapposizioni con segnali differenziali

LVPECL: intrinsecamente ben soppressi grazie allo stadio di uscita a sorgente di corrente. Il controllo della corrente limita naturalmente la massima ripidità del bordo. Tuttavia, le riflessioni possono ancora verificarsi se la terminazione è insufficiente, poiché LVPECL opera a frequenze molto elevate. Il circuito Thevenin o emitter follower corretto è fondamentale in questo caso, non tanto per i sovraccarichi, quanto per garantire il punto di funzionamento corretto ed evitare le riflessioni.

LVDS: molto robusto per progettazione. Il driver a controllo di corrente fornisce una corrente costante, tipicamente di 3,5 mA, alla terminazione differenziale da 100 Ω, che limita fisicamente l'oscillazione della tensione. Anche in presenza di discontinuità di impedenza, le riflessioni rimangono ridotte, poiché il basso swing di tensione di soli 350 mV fornisce poca energia per le interferenze. LVDS è uno degli standard più favorevoli in termini di integrità del segnale.

HCSL: si comporta in modo simile a LVDS grazie alla sua architettura basata sulla corrente. L'oscillazione di tensione molto bassa e la terminazione a 50 Ω verso terra garantiscono una corrispondenza pulita dell'impedenza. Nella specifica PCIe, gli overshoots consentiti sono definiti esplicitamente e tollerati in modo rigoroso, per cui gli oscillatori conformi a HCSL soddisfano già questi requisiti per impostazione predefinita.

6.6 Contromisure per il controllo degli overshoots

La misura più efficace per i segnali single-ended (in particolare CMOS e TTL) è una resistenza in serie direttamente all'uscita dell'oscillatore, in genere compresa tra 22 e 47 Ω. Insieme all'impedenza di linea, questo resistore forma un partitore di tensione che smorza il bordo e assorbe le riflessioni. Il valore ottimale dipende dalla differenza tra l'impedenza di linea e l'impedenza di uscita del driver.

Inoltre, sono utili anche tracce corte e a impedenza controllata, la riduzione al minimo dei vias sulla linea di clock, un piano di massa continuo sotto la linea di segnale e sufficienti condensatori di disaccoppiamento vicino all'oscillatore (in genere 100 nF in ceramica più 10 µF). Alcuni produttori di oscillatori CMOS offrono anche modelli con ripidità del bordo controllata (controllo della velocità di slew), che mitigano già il problema nel driver.

Per i segnali differenziali (LVPECL, LVDS, HCSL), la terminazione corretta secondo le specifiche è la misura più importante. Inoltre, le due linee di una coppia differenziale devono sempre essere instradate con la stessa lunghezza e strettamente accoppiate per ridurre al minimo lo skew (differenze di tempo di esecuzione) e mantenere la reiezione di modo comune.

La scelta del giusto tipo di uscita dipende da quattro fattori principali: la frequenza di clock richiesta, la famiglia logica del ricevitore, il budget di potenza disponibile e i requisiti di integrità del segnale.