携帯電話やタブレットからカメラやゲーム機まで、私たちが毎日使用する電子機器は、市場の需要に応じて急速に小型化され、パワーが増大してきました。この変化は、とりわけ回路設計の進歩によって推進されてきました。この記事では、Skyworksの超小型タイミング クロックが、よりコンパクトで強力な新世代の民生用電子機器をどのように実現しているかについて説明します。
超小型時計でスペースを節約
スペースの制約は、消費者向け製品に重点を置くシステム ボード設計者にとって大きな懸念事項です。使用されるプリント回路基板 (PCB) のスペースを可能な限り削減すると、信号のルーティング、電源のノイズのバイパス、またはPCBコストの削減に使用できるスペースが増えます。多数のタイミング デバイス ベンダーが、民生用電子機器業界向けに最適化された小型アウトライン クロック ジェネレータをサポートしています。クロック ジェネレーターはシステムの動作にとって非常に重要ですが、通常はボード上の主要コンポーネントとは見なされません。そのため、スペースの節約に関しては見落とされてしまうことがあります。その場合、組み込み設計者はオプションを再検討し、シリコン クロック ジェネレーターが実現できる大幅なスペース節約を実現する必要があります。
24 MHzで動作するUSBコントローラ、高速アナログ/デジタル コンバータ (ADC) (これも24 MHz)、および27 MHzで動作するイメージ プロセッサに必要なクロックを提供するために、システム内に3つの水晶または発振器を必要とするデジタル カメラについて考えてみましょう。他の大型水晶よりもコストは高くなりますが、一般的な小型表面実装水晶の標準サイズは2 mm x 1.6 mmです。この水晶は、通常24 MHz ～ 54 MHzの基本周波数で動作し、多くの大手業界サプライヤから入手できるセラミック ハウジングにパッケージ化されています。
これら3つの水晶のうち1つまたは2つを、超小型1.4 mm x 1.2 mmパッケージ サイズのSkyworks Si51210クロック ジェネレーターに置き換えると、デジタル カメラの設計者は、システムのクロック スペースの使用量を47 ～ 73パーセントという大幅な削減が可能になります。CMOSベースのクロック ジェネレーターは、位相ロック ループ (PLL) アーキテクチャを採用したミックスド シグナル半導体デバイスであり、通常は入力とは異なる出力周波数を生成するために使用されます。デバイスが構成可能である場合、設計者はシステム要件に最適な周波数を生成できます。
電力消費の最小化
システム設計者は、クロック ジェネレータを選択する際に多くの選択肢があります。市場の傾向として、より環境に優しく、電力効率の高いシステムが好まれるため、クロックを選択する際には、電力消費に影響を与える特定の要因を考慮することが重要です。シリコン ゲートの形状、コア電源、および出力ドライブを構成する機能を理解することは、クロック ジェネレータがどの程度「低電力対応」であるかを決定する重要な要素です。CMOSの消費電力は、スイッチング速度、電源レベル、およびデバイスが駆動する負荷容量によって決まり、次の式に基づきます: P = CL * V2 * F。
CL は負荷容量の表現であり、ゲート サイズに関連し、実装されているサブミクロンCMOSテクノロジに依存します。0.18ミクロンなどのより小さなゲート幅の技術でデバイスを手頃な価格にすることが重要です。上記の式からわかるように、デバイスがより低い電源電圧 (V) をサポートする能力は、消費電力に指数関数的な影響を及ぼします。ただし、システム内の電源の可用性を考慮することが重要です。たとえば、1.8 Vは、さまざまなハンドヘルドおよびAC電源アプリケーションで広く使用されている電源です。
EMIの低減
EMIの削減は、電子システムを市場に投入する際に依然として重要な考慮事項です。システムの性能、機能、その他の革新性にかかわらず、システムが電磁放射に関する政府の規制に合格できない場合、メーカーは製品を発売できない可能性があります。この生産障壁は、システム設計者とEMIコンプライアンス エンジニアに大きな負担をかけます。特に、排出ガス規制適合試験は、ボードの設計が完了し、システムが試作段階の最終段階に達した時点で行われます。したがって、設計段階でEMIの問題に対処することが重要であり、そうしないと製品の市場投入が遅れるリスクがあります。予測不可能な現実のノイズ モデルをボード シミュレーション中に特定することが難しい場合があることを考慮すると、これは簡単な作業ではありません。シールドや局所フィルタリングなどのEMI低減のための従来の技術は比較的シンプルですが、コストがかかる場合があります。
潜在的なノイズやEMIの動作を制御するためにボード全体に受動部品を配置する必要性を減らすために、設計者は、拡散スペクトルまたはスペクトル拡散と呼ばれる周波数変調技術を統合したクロック ジェネレーターの選択を検討する必要があります。名前が示すように、スペクトラム拡散技術は、通常中心周波数に集中するエネルギーをより広い帯域幅に分散し、結果としてピークエネルギーを減衰させます。構成可能なクロック ジェネレーターは、拡散帯域幅のさまざまな構成可能な設定をサポートし、EMIエンジニアにシステム設定を最適化するためのより多くのオプションを提供します。
構成のメリット
高度な構成可能なクロック ジェネレータの信号整合性チューニング機能を使用すると、設計者はこれらのタイミング エラーの予算を削減できます。さらに、エラーを人工的に導入してエラー モデルを検証することで、十分なタイミング マージンに対する信頼性を高めることができます。たとえば、高度にプログラム可能なSkyworks Si51210クロック ジェネレーターを使用すると、出力駆動強度、動作周波数、拡散スペクトル プロファイル、変調レートを微調整して、タイミング エラーを最小限に抑え、システム タイミング マージンに必要な時間量を検証できます。これらのプログラム可能な機能は、意図的なタイミング エラーに対するシステム応答を決定するためにも使用できます。これは、開発中にさまざまなタイミング パラメータに対するシステムの感度を測定するための非常に便利なデバッグ ツールです。
すべてのタイミング エラー デルタ (Tr/Tf、周期、拡散スペクトル振幅など) を仕様で許可されている最大値に設定するようにクロックをプログラミングし、システムを障害発生時点まで実行することで、実際の周波数制限を証明できます。もちろん、安全のために若干の余裕が残されており、他のコンポーネントのタイミング仕様は影響を受けません。
最終的に、構成可能性の利点により、設計者は、設計サイクルの途中で変更が発生した場合でも、受信デバイスの周波数または駆動要件の変更に適応できます。さらに、同じデバイス ピン配置を維持しながら、周波数、駆動レベル、および拡散スペクトル パラメータをすばやく再構成できるため、設計者はレイアウトを次のプロジェクトに移植でき、タイミング システムの開発時間を短縮できます。