¿Qué es un Búfer de Reloj?
Un búfer de reloj es un circuito integrado utilizado para minimizar la diferencia de retardo entre la llegada de un reloj a varios circuitos lógicos de un sistema de placa de circuito impreso y para hacer coincidir (sincronizar) la temporización.
Cuando se utilizan varios circuitos lógicos, es necesario sincronizarlos. Se necesita una señal para controlar todo el sistema, y la señal periódica de una determinada frecuencia utilizada para este fin es un reloj (como un metrónomo en música).
El conjunto de circuitos que funcionan conjuntamente con el reloj se denomina circuito de sincronización. El reloj se ramifica en el sistema y se propaga a una serie de circuitos lógicos. Sin embargo, si el reloj no está sincronizado, se necesita un búfer de reloj, ya que un mal funcionamiento de los circuitos lógicos puede hacer que todo el sistema no funcione como se desea.
Usos del Búfer del Reloj
Los búferes de reloj se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como ordenadores personales, sistemas de comunicación y equipos industriales.
Algunas aplicaciones específicas son:
1. Circuitos lógicos digitales (CPU, FPGA, etc.)
2. Convertidores de datos (conversión analógico-digital)
3. Interfaces de alta velocidad (USB, Serial-ATA, PCI-Express, etc.)
4. Conversión de frecuencias en sistemas inalámbricos
A modo de ejemplo, la CPU (Unidad Central de Procesamiento), que es el corazón del funcionamiento de un ordenador personal, utiliza señales de reloj para sincronizar los circuitos (unidad de control, unidad aritmética, registros, interfaz con dispositivos de almacenamiento, interfaz con dispositivos de entrada/salida) para controlar su funcionamiento. La señal de reloj se utiliza para sincronizar los circuitos.
En todas las aplicaciones, una sincronización más precisa de la información y el intercambio de datos entre varios circuitos es esencial para un funcionamiento estable.
Principio del Búfer de Reloj
Los búferes de reloj se clasifican según el tipo de circuito en “búfer sin PLL” o “búfer con PLL”.
La principal diferencia radica en el uso interno o no de un bucle de enganche de fase (PLL). Las características de cada uno son las siguientes.
Buffer sin PLL
La señal de entrada se distribuye sin un PLL, lo que produce una menor degradación del jitter (desenfoque periódico).
Búfer PLL
Retardo extremadamente pequeño entre las señales de entrada y salida.
Dado que el búfer de reloj puede emitir varias señales de reloj, es posible utilizar una fuente de señal de reloj y un búfer de reloj para generar un reloj que pueda ser utilizado por varios grupos de circuitos que funcionen con un reloj de la misma frecuencia.
Esto permite reducir el coste de los componentes y simplificar el diseño de la placa de circuito impreso. Otras características son la conversión de niveles y la facilidad de configuración de algunos productos.
Cómo elegir un Búfer de Reloj
El dispositivo más adecuado para el sistema que se va a diseñar se selecciona tras comprobar los requisitos de la señal de entrada, la frecuencia del reloj de salida, el número de señales, la tensión, el jitter, el skew, el retardo de entrada-salida, la tensión de alimentación del búfer de reloj, las dimensiones exteriores del encapsulado, el número de patillas, el consumo de energía, el coste y otros factores en la hoja de datos del dispositivo.
Lo ideal sería que los relojes distribuidos a cada grupo de circuitos del sistema conmutaran con la misma temporización el 100% del tiempo, pero esto rara vez es posible en la realidad. Sin embargo, es importante seleccionar un dispositivo con excelentes características para evitar fallos en el funcionamiento de los circuitos.
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Uso y Función de los Búferes de Reloj
Para generar un reloj estable que pueda utilizarse en un sistema, se necesita una fuente de señal de reloj y un producto de reloj que lo complemente y lo distribuya adecuadamente a varios grupos de circuitos.
1. Fuente de Señal de Reloj
Como fuentes de señal de reloj se utilizan resonadores y osciladores. Un resonador es un péndulo con una frecuencia específica.
No funcionan de forma independiente y pueden dividirse en las categorías de cerámica, cristal y SAW. Un oscilador es un producto compuesto por un circuito que hace oscilar el péndulo y mantiene la oscilación (circuito oscilador) y un resonador en un envase. Existen osciladores de cristal, SAW, silicio y MEMS.
2. Productos de Relojería
Un tipo de producto de reloj que complementa la fuente de señal de reloj es un búfer de reloj. La señal de salida del oscilador se introduce en el búfer de reloj. La función del búfer de reloj es emitir varias señales de reloj de la misma frecuencia que la señal de entrada.
Otros productos de reloj que complementan al oscilador son los generadores de reloj (que pueden generar múltiples frecuencias), los limpiadores de fluctuaciones (que mejoran el rendimiento de las fluctuaciones) y los sintetizadores de RF (que emiten altas frecuencias), y el diseñador debe utilizarlos en función de los requisitos del sistema, como las especificaciones y el coste.