Was ist Taktpuffer?
Ein Taktpuffer ist ein IC, der dazu dient, die Verzögerungsdifferenz zwischen dem Takt, der mehrere Logikschaltungen in einem Leiterplattensystem erreicht, zu minimieren und das Timing anzupassen (zu synchronisieren).
Beim Betrieb mehrerer logischer Schaltungen ist es notwendig, die Schaltungen zu synchronisieren. Zur Steuerung des gesamten Systems wird ein Signal benötigt und das zu diesem Zweck verwendete periodische Signal mit einer bestimmten Frequenz ist ein Taktgeber (wie ein Metronom in der Musik).
Die Gruppe von Schaltkreisen, die mit dem Taktgeber zusammenarbeiten, wird als Synchronisationsschaltung bezeichnet. Der Taktgeber verzweigt sich im System und wird an eine Reihe von Logikschaltungen weitergegeben. Wenn dieser Takt jedoch nicht synchronisiert ist, ist ein Taktpuffer erforderlich, da eine Fehlfunktion der logischen Schaltungen dazu führen kann, dass das gesamte System nicht wie gewünscht funktioniert.
Anwendungen von Taktpuffern
Taktpuffer werden in einer Vielzahl von Anwendungen wie PCs, Kommunikationssystemen und Industrieanlagen eingesetzt.
Spezifische Anwendungen sind folgende:
- Digitale Logikschaltungen (CPUs, FPGAs, etc.)
- Datenwandler (Analog-Digital-Wandlung)
- Hochgeschwindigkeitsschnittstellen (USB, Serial-ATA, PCI-Express, etc.)
- Frequenzumwandlung in drahtlosen Systemen
Die CPU (Central Processing Unit), das Herzstück eines Personalcomputers, verwendet beispielsweise Taktsignale zur Synchronisierung der Schaltkreise (Steuereinheit, Recheneinheit, Register, Schnittstelle zu Speichergeräten, Schnittstelle zu Eingabe-/Ausgabegeräten), um deren Betrieb zu steuern. Das Taktsignal wird zur Synchronisierung der Schaltkreise verwendet.
Bei allen Anwendungen ist eine genauere Synchronisierung des Informations- und Datenaustauschs zwischen mehreren Schaltkreisen für einen stabilen Betrieb unerlässlich.
Funktionsweise des Taktpuffers
Taktpuffer werden je nach Schaltungstyp als ‚Nicht-PLL-Puffer‘ oder ‚PLL-Puffer‘ klassifiziert.
Der Hauptunterschied besteht darin, ob eine interne Phasenregelschleife (PLL) verwendet wird oder nicht. Die Merkmale der einzelnen Schaltungen sind wie folgt:
- Nicht-PLL-Puffer
Das Eingangssignal wird ohne PLL verteilt, was zu einer geringeren Jitter-Verschlechterung (periodische Unschärfe) führt. - PLL-Puffer
Äußerst geringe Verzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal.
Da der Taktpuffer mehrere Taktsignale ausgeben kann, kann eine Taktsignalquelle und ein Taktpuffer verwendet werden, um einen Takt zu erzeugen, der von mehreren Gruppen von Schaltkreisen verwendet werden kann, die mit einem Takt derselben Frequenz arbeiten.
Dies hat den Vorteil, dass die Bauteilkosten gesenkt und das Layout der Leiterplatte vereinfacht werden kann. Weitere Vorteile sind die Pegelumwandlung und die einfache Konfiguration für einige Produkte.
Auswahl eines geeigneten Taktpuffers
Wählen Sie das für das zu entwerfende System am besten geeignete Gerät aus, nachdem Sie das Datenblatt des Geräts auf die erforderlichen Eingangssignalspezifikationen, die Ausgangstaktfrequenz, die Anzahl der Signale, die Spannung, den Jitter, den Versatz, die Eingangs-/Ausgangsverzögerung, die Versorgungsspannung des Taktpuffers, die Außenabmessungen des Gehäuses, die Anzahl der Pins, den Stromverbrauch und die Kosten geprüft haben.
Im Idealfall sollten die Taktgeber, die an jede Gruppe von Schaltkreisen im System verteilt werden, zu 100 % der Zeit zum gleichen Zeitpunkt schalten, was in der Realität jedoch selten möglich ist. Es ist jedoch wichtig, einen Baustein mit hervorragenden Eigenschaften auszuwählen, um Fehlfunktionen der Schaltungen zu vermeiden.
Weitere Informationen zu Taktpuffern
Verwendung und Rolle von Taktpuffern
Um einen stabilen Takt zu erzeugen, der in einem System verwendet werden kann, sind eine Taktsignalquelle und ein Taktprodukt erforderlich, das diese ergänzt und in geeigneter Weise auf mehrere Gruppen von Schaltungen verteilt.
1. Taktsignalquelle
Resonatoren und Oszillatoren werden als Taktsignalquellen verwendet. Ein Resonator ist ein Pendel mit einer bestimmten Frequenz.
Sie arbeiten nicht unabhängig und können in die Kategorien Keramik, Quarz und SAW unterteilt werden. Ein Oszillator ist ein Produkt, das aus einer Schaltung, die das Pendel zum Schwingen bringt und die Schwingung aufrechterhält (Oszillatorschaltung), und einem Resonator in einem Gehäuse besteht. Es gibt Kristall-, SAW-, Silizium- und MEMS-Oszillatoren.
2. Uhrenprodukte
Eine Art von Taktprodukt, das die Taktsignalquelle ergänzt, ist ein Taktpuffer. Das Ausgangssignal des Oszillators wird in den Taktpuffer eingespeist. Die Aufgabe des Taktpuffers besteht darin, mehrere Taktsignale mit der gleichen Frequenz wie das Eingangssignal auszugeben.
Andere Taktprodukte, die den Oszillator ergänzen, sind Taktgeneratoren (die mehrere Frequenzen erzeugen können), Jitter Cleaner (die die Jitter-Leistung verbessern) und HF-Synthesizer (die hohe Frequenzen ausgeben) und sollten vom Entwickler je nach den Systemanforderungen wie Spezifikationen und Kosten eingesetzt werden.