Schnelle Takt- und Datenverteilung Ausfallsichere Eingangsschaltungen und deren optimaler Einsatz in High-Speed-Systemen

Ausfallsichere Eingangsschaltungen – Fail-Safe-Inputs (FSI) – sind innovative Funktionen, die eine fehlerfreie Datenverteilung in schnellen Computersystemen ermöglichen. Wie solche Schaltungen optimal eingesetzt werden und was dabei technologisch zu beachten ist, erfahren Sie in diesem Beitrag.

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Designer verwenden seit langem Differenziallogik, wie z.B. LVPECL, CML oder LVDS, um den niedrigsten Jitter, den geringsten Skew und die schnellste Takt- und Datenverteilung in einem System zu erzielen. Einige Halbleiterhersteller haben in diesem Produktbereich begonnen, innovativere Lösungen mit neuen Funktionen anzubieten.

Dazu zählen interne Terminierung, äußerst schnellen Anstiegsflanken, extrem niedriger durch Nebensprechen induzierter Jitter, sehr kleines Gehäuse und ausfallsicheren Eingangsschaltungen (Fail-Safe-Inputs, FSI). Daraus ergeben sich technologische Konflikte, die aber durch den intelligenten Einsatz von FSI gelöst werden können.

Das bringt die interne 3-Pin-Terminierung

Bild 1 zeigt ein Beispiel einer internen 3-Pin-Terminierung. Früher wurden externe Abschlusswiderstände verwendet, die so nahe wie möglich am Empfänger positioniert werden mussten. Dieser Ansatz führte zu Layout-Problemen, zusätzlichen externen Komponenten, parasitären Kapazitäten und Induktivitäten und – womöglich am schlimmsten – Stichleitungen, die Reflektionen verursachten.

Um Stichleitungen zu vermeiden und die Signalintegrität zu optimieren, hat Micrel in seinen Precision-Edge-Produkten eine interne 3-Pin-Terminierung integriert, die den Anschluss von AC- oder DC-gekoppelten LVPECL-, CML- oder LVDS-Eingangssignalen ermöglicht. Bei dieser Lösung sind keine externen Abschlusswiderstände zwischen Sender und Empfänger erforderlich.

Bild 2 zeigt den Anschluss verschiedener Logik-Ausgänge an Eingänge mit dieser internen 3-Pin-Terminierung. Doch selbst bei dieser Lösung kann in vielen Designs ein Problem auftreten: Was passiert mit dem Ausgang, wenn am Eingang eines LVPECL-, CML- oder LVDS- Bausteins kein Signal vorhanden oder dieses stark gedämpft ist?

Nicht-FSI- und FSI-Ausgang bei gestörtem Eingang

Wenn am Eingang eines LVPECL-, CML- oder LVDS-Bausteins kein Signal vorhanden oder dieses stark gedämpft war, lag bisher ein metastabiler Zustand vor. Der Ausgang war in einem undefinierten Zustand und selbst geringfügiges Rauschen am Eingang konnte Oszillationen am Ausgang zur Folge haben. Bevor interne 3-Pin-Terminierung zur Verfügung stand, versuchten Designer dieses Problem zu umgehen, indem sie die Werte der externen Abschlusswiderstände so änderten, dass bei fehlendem Eingangssignal ein Spannungs-Offset zwischen den beiden komplementären Eingängen IN und /IN vorlag. Dies erzeugte bei nicht vorhandenem Eingangssignal einen bestimmten Ausgangszustand.

Es wurde jedoch weithin akzeptiert, dass dies keine ideale Lösung darstellte, da der DC-Offset eine signifikante Verzerrung des Tastverhältnisses während des Normalbetriebs erzeugen konnte und dies auch häufig tat. In den meisten Designs reichte die Verzerrung des Tastverhältnisses aus, um diesen Ansatz als brauchbare Lösung zu verwerfen.

FSI-Aktivierung bei einem abklingenden Eingangssignal

Um dieses Problem zu lösen, tastet die Fail-Safe-Input-Schaltung von Micrel die Amplitude des Eingangssignals ab und hält bei fehlendem Eingangssignal oder wenn die Amplitude des Eingangssignals unter den im Datenblatt des Bausteins spezifizierten Wert fällt, den Ausgang im letzten gültigen Zustand gespeichert.

Beispielsweise spezifiziert Micrels 3,2-Gbps-Präzisions-LVDS-Puffer SY58605U mit interner Terminierung und Fail-Safe-Input eine maximale Eingangsspannungsschwelle von 100 mVpeak zum Auslösen von FSI. Oder anders ausgedrückt: Wenn die Eingangsspannungsdifferenz hinreichend unter 100 mVpeak (200 mVpp; in der Regel 30 mVpeak) fällt, stoppt der Ausgang und verbleibt im zuletzt bekannten gültigen Zustand.

Die FSI-Funktion vermeidet einen metastabilen Zustand und garantiert einen stabilen Ausgang. Folglich tritt keine Oszillation oder ein undefinierter Zustand am Ausgang auf, wenn der Eingangstakt oder die Eingangsdaten undefiniert oder nicht komplementär sind, oder auf ein extrem niedriges Signal abfallen.

Beispiel FSI mit High-Pegel am Eingang

Bild 5 zeigt die FSI-Implementierung in einem vereinfachten Schaltbild der Fail-Safe-Input-Schaltung von Micrel. Der Eingang wird zuerst über die interne 3-Pin-Terminierung abgeschlossen und geht dann zu einem Standard-Eingangspuffer. Nach dem Eingangspuffer kommt der Hysteresepuffer, der zur Implementierung der FSI-Funktion hinzugefügt wurde.

Der in Bild 5 dargestellte Eingangszustand ist ein High-Pegel, wodurch sowohl der Eingangs- als auch Hysteresepuffer vollständig durchgeschaltet werden (Q1 und Q3 sind vollständig eingeschaltet). Folglich ist der Strom durch R1 gleich I + I/2 und der Ausgang ist High.

Das passiert bei gleichen Eingangsspannungen

Bild 6 zeigt am Ausgang einen geschalteten High-Zustand, obwohl die beiden Eingangsspannungen – möglicherweise aufgrund eines abgetrennten Eingangs oder fehlerhaften Treibers – gleich sind. In diesem Fall führen die Transistoren Q1 und Q2 des Eingangspuffers den gleichen Strom (I/2). Bei gleicher Eingangsspannung an den beiden Komplementäreingängen ist der Strom durch R1 gleich I (I/2 durch Q1 + I/2 durch Q3) und der Strom durch R2 ist I/2, was nicht zum Schalten des Gatters ausreicht.

Der Hysteresepuffer wird dennoch vollständig durchgeschaltet, bis IN hinreichend unter /IN fällt, so dass der Strom durch Q2/R2 den Strom in R1 ausgleicht. Folglich verbleibt der Ausgang im zuletzt bekannten gültigen Zustand, in diesem Beispiel High.

Sobald der Strom in R1 gleich dem Strom in R2 ist, wird das Gatter wieder durchgeschaltet. Die zusätzliche Spannung, um die der Eingang über der Schwelle eines Gatters ohne Hysterese liegen muss, wird Hysteresespannung genannt. In den meisten Produkten von Micrel beträgt die Hysteresespannung ca. 30 mVpeak und wird in den Datenblättern als „Input Voltage Threshold that Triggers FSI“ (Eingangsspannungsschwelle zum Auslösen von FSI) bezeichnet. Im Falle eines sich sehr langsam verschlechternden Eingangssignals verhindert die FSI-Funktion eine Tastverhältnis-Verzerrung allerdings nicht. Sobald das Signal jedoch unter die Hysteresespannung fällt, verbleibt der Ausgang im zuletzt bekannten Zustand.

Vorteile kommen in Steckkartensystemen zum Tragen

In Anbetracht dieser technischen Vorteile ist die FSI-Funktion in zahlreichen Anwendungen nützlich. Eine solche Anwendung sind Einsteckkarten, die in Telekommunikations-, Datenkommunikations-, Digital-Broadcast-Video- oder Enterprise-Servern eingesetzt werden. Bild 7 zeigt ein typisches Steckkarten-System, in dem Treiberkarten unter Spannung gesteckt und gezogen werden.

Bevor eine Treiberkarte vollständig eingesteckt oder gezogen ist, könnte ein Nicht-FSI-Puffer möglicherweise undefiniert sein und dann einen falschen Takt oder falsche Daten an das ASIC übertragen, was zu Systemfehlern führt. Ein Puffer mit FSI eliminiert dieses Problem. Der Ausgang vermeidet Oszillationen, wenn der Eingang gestört ist, und folglich werden nur gültige Takt- oder Datensignale an das ASIC übertragen.

Weitere Hot-Swap-Anwendungen sind die Daten- und Taktverteilung für SONET/SDH/STM/OTN-Linecards, Gigabit-Ethernet-Linecards, fiberoptischen Modulen und SAS/SATA. FSI kann ebenso in ATE, HF-Messgeräten, Medizintechnik und vielen anderen Anwendungen mit hoher Frequenzbandbreite eingesetzt werden.

Das bringen Fail-Safe-Inputs in der Praxis

Die FSI-Funktion mit interner 3-Pin-Terminierung hat Designs von Präzisionstaktschaltungen wesentlich vereinfacht und liefert bessere Ergebnisse. Der System-Designer braucht sich nicht länger um metastabile Zustände innerhalb der Takt- oder Datenverteilung zu kümmern. Da keine externen Abschlusswiderstände verwendet werden, wird weniger Platz benötigt und weniger Zeit beim Layout aufgebracht, um solche Abschlusswiderstände sorgfältig zu positionieren. Die Signalintegrität für niedrigstmöglichen Jitter wird optimiert.

Micrel, Tel.+49(0)7021 736237

*Bob Allen arbeitet als FAE bei Micrel in den USA.

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