Qu’est-ce qu’un tampon d’horloge ?
Un tampon d’horloge est un circuit intégré utilisé pour minimiser la différence de délai entre l’horloge atteignant plusieurs circuits logiques dans un système de circuit imprimé et pour faire correspondre leur synchronisation.
Lorsque l’on utilise plusieurs circuits logiques, il est nécessaire de les synchroniser. Un signal est nécessaire pour contrôler l’ensemble du système, et le signal périodique d’une certaine fréquence utilisé à cette fin est appelé une horloge (comme un métronome en musique).
L’ensemble des circuits qui fonctionnent en liaison avec l’horloge est appelé circuit de synchronisation. L’horloge se ramifie dans le système et se propage à un certain nombre de circuits logiques. Toutefois, si cette horloge n’est pas synchronisée, un tampon d’horloge est nécessaire, car un dysfonctionnement d’un circuit logique peut empêcher l’ensemble du système de fonctionner comme souhaité.
Utilisations des tampons d’horloge
Les tampons d’horloge sont utilisés dans un large éventail d’applications telles que les PC, les systèmes de communication et les équipements industriels.
Les utilisations spécifiques que l’on peut retrouver sont les suivantes :
- Circuits logiques numériques (CPU, FPGA, etc.)
- Convertisseurs de données (conversion analogique-numérique)
- Interfaces à haut débit (USB, Serial-ATA, PCI-Express, etc.)
- Conversion de fréquence dans les systèmes sans fil
À titre d’exemple, l’unité centrale de traitement (CPU), qui est au cœur du fonctionnement d’un ordinateur personnel, utilise des signaux d’horloge pour synchroniser les circuits (unité de contrôle, unité arithmétique, registres, interface avec les périphériques de stockage, interface avec les périphériques d’entrée/sortie), afin de contrôler leur fonctionnement. Le signal d’horloge est utilisé pour synchroniser les circuits.
Pour toutes les applications, une synchronisation plus précise de l’échange d’informations et de données entre plusieurs circuits est essentielle pour un fonctionnement stable.
Principe du tampon d’horloge
Les tampons d’horloge sont classés selon le type de circuit en « tampon non PLL » ou « tampon PLL ».
La principale différence réside dans l’utilisation ou non d’une boucle à verrouillage de phase interne (PLL). Les caractéristiques de chacun sont citées ci-dessous :
- Tampon sans PLL
Le signal d’entrée est distribué sans PLL, ce qui entraîne une dégradation moindre de la gigue (flou périodique). - Tampon PLL
Retard extrêmement faible entre les signaux d’entrée et de sortie.
Étant donné que le tampon d’horloge peut émettre plusieurs signaux d’horloge, une source de signal d’horloge et un tampon d’horloge peuvent être utilisés pour générer une horloge utilisable par plusieurs groupes de circuits fonctionnant avec une horloge de même fréquence.
L’avantage est de réduire le coût des composants et de simplifier l’agencement des cartes de circuits imprimés. D’autres avantages sont la conversion de niveau et la facilité de configuration pour certains produits.
Comment choisir un tampon d’horloge ?
Sélectionnez le dispositif le mieux adapté au système à concevoir après avoir vérifié sur la fiche technique du dispositif les spécifications requises pour le signal d’entrée, la fréquence de l’horloge de sortie, le nombre de signaux, la tension, la gigue, le skew, le délai d’entrée-sortie, la tension d’alimentation du tampon d’horloge, les dimensions extérieures du boîtier, le nombre de broches, la consommation d’énergie et le coût.
Idéalement, les horloges distribuées à chaque groupe de circuits dans le système devraient commuter au même moment 100 % du temps, mais cela est rarement possible dans la réalité. Toutefois, il est important de sélectionner un dispositif présentant d’excellentes caractéristiques afin d’éviter tout dysfonctionnement du circuit.
Autres informations sur les tampons d’horloge
Utilisation et rôle des tampons d’horloge
Pour générer une horloge stable utilisable dans un système, il faut une source de signal d’horloge et un produit d’horloge pour la compléter et la distribuer de manière appropriée à plusieurs groupes de circuits.
1. Source du signal d’horloge
Les résonateurs et les oscillateurs sont utilisés comme sources de signaux d’horloge. Un résonateur est un pendule ayant une fréquence spécifique.
Ils ne fonctionnent pas indépendamment les uns des autres et peuvent être classés dans les catégories céramique, cristal et SAW. Un oscillateur est un produit composé d’un circuit qui fait osciller le pendule et maintient l’oscillation (circuit de l’oscillateur) et d’un résonateur dans un boîtier. Des oscillateurs à cristal, SAW, silicium et MEMS sont disponibles.
2. Produits d’horlogerie
Un type de produit d’horloge qui complète la source du signal d’horloge est un tampon d’horloge. Le signal de sortie de l’oscillateur est introduit dans le tampon d’horloge. Le rôle du tampon d’horloge est d’émettre plusieurs signaux d’horloge de même fréquence que le signal d’entrée.
Les autres produits d’horloge qui complètent l’oscillateur comprennent les générateurs d’horloge (qui peuvent générer plusieurs fréquences), les nettoyeurs de gigue (qui améliorent les performances de gigue) et les synthétiseurs RF (qui émettent des fréquences élevées) et doivent être utilisés par le concepteur en fonction des exigences du système telles que les spécifications et le coût.