Si570 XO и Si571 VCXO реализуют продвинутую технологию DSPLL® компании Silicon Lab, чтобы предоставить любую выходную частоту с низким джиттером. Si570/Si571 программируются пользователем для генерации любой частоты в диапазоне от 10 до 945 МГц и выбора частоты до 1400 МГц с разрешающей способностью < 1 ppb. Микросхема программируется через последовательный интерфейс I2C. В отличие от традиционных XO/VCXO, где для каждой частоты требуется свой кварцевый резонатор, Si57x использует один внутренний кварц на фиксированную частоту и интегрированную систему синтеза частоты DSPLL для генерации произвольной частоты. Эта система благодаря кварцевой стабилизации дает исключительную стабильность и надежность формирования запрограммированной частоты. Кроме того, синтез DSPLL дает отличное подавление шума помех питания, упрощая формирование тактов с низким джиттером для рабочих условий систем связи, где присутствует высокий уровень помех.

Функциональные возможности Si570/Si571:

• В диапазоне 10 .. 945 МГц может быть запрограммирована любая выходная частота, и могут быть выбраны частоты до 1.4 ГГц с точностью < 1 ppb.
• Управление через I2C.
• 3-е поколение систем DSPLL® с исключительно низким уровнем джиттера.
• Стабильность частоты в 3 раза лучше, чем у SAW-генераторов.
• Внутренняя фиксированная кварцем опорная частота гарантирует высокую надежность и низкий уход из-за старения.
• Доступны выходы, совместимые с уровнями LVPECL, CMOS, LVDS и CML.
• Стандартный корпус 5x7 мм.
• Совместимость со спецификацией Pb-free/RoHS.
• Питание 1.8, 2.5 или 3.3V.

Области применения Si570/Si571:

• SONET/SDH
• xDSL
• 10 GbE LAN/WAN
• ATE
• Точные измерительные приборы
• Генерация тактов с малым джиттером
• Сетевые модули передачи данных по оптоволокну
• Восстановление тактов и данным

Функциональная блок-схема:

[3. Функциональное описание]

Генераторы Si570 XO и Si571 VCXO обладают малым джиттером выходных формируемых тактов, что идеально подходит для приложений, требующих программируемых частот. Si57x можно запрограммировать для генерации виртуально любой выходной частоты в диапазоне от 10 МГц до 1.4 ГГц. Параметры по выходному джиттеру не превышают жестких требований высокоскоростных систем передачи данных, включая OC-192/STM-64 и 10 Gigabit Ethernet (10 GbE).

Si57x из управляемого цифровыми данными генератора (digitally-controlled oscillator, DCO), построенного на базе 3-го поколения технологии DSPLL компании Silicon Lab, которая получает исходную частоту от внутреннего опорного кварцевого генератора с фиксированной частотой.

Выходная частота по умолчанию для устройства устанавливается на заводе, и она может быть перепрограммирована через 2-проводный последовательный порт I2C (другое название популярное название этого интерфейса TWI, Two Wire Interface). После того, как у устройства выключено питание, оно вернется в свое изначальное состояние по умолчанию (установленной на заводе выходной частоте).

В то время как Si570 выводит фиксированную частоту, Si571 может перестраивать частоту на выходе с управляемого входного напряжения на выводе VC (voltage control input). Это делает Si571 идеальным выбором для построения качественных систем ФАПЧ с низким джиттером.

3.1. Программирование новой выходной частоты

Выходная частота (f_OUT) определяется программированием частоты DCO (f_DCO) и выходных делителей этой частоты (HSDIV, N1). Выходная частота вычисляется по следующей формуле:

                     f_DCO                f_XTAL · RFREQ
f_OUT = ------------------------------- = -------------
       коэффициенты_выходных_делителей     HSDIV · N1

Частота DCO программируется в диапазоне 4.85 .. 5.67 ГГц установкой 38-битного дробного умножителя с высоким разрешением (RFREQ). Частота DCO это результат умножения фиксированной частоты внутреннего кварца  (f_XTAL) и коэффициента RFREQ.

38-битное разрешение RFREQ позволяет запрограммировать частоту DCO с разрешающей способностью 0.09 ppb.

Как показано на рис. 3, устройство позволяет перепрограммировать частоту DCO в диапазоне ±3500 относительно центральной частоты без прерывания формирования выходной тактовой частоты. Изменения частоты, выходящие за пределы окна ±3500, приведут к перекалибровке внутренней схемы интервалов времени, в результате чего формирование выходной частоты моментально остановится, и запустится в произвольной точке периода тактов. Этот процесс перекалибровки установит новую центральную частоту, что займет по времени до 10 мс. Схемы, получающие тактирование от устройства Si57x, чувствительные к выбросам (искажениям) тактового сигнала, может понадобиться сбросить после того, как завершится процесс перекалибровки Si57x.

Рис. 3. Диапазон частоты DCO.

3.1.1. Перенастройка выходной частоты в малом диапазоне

Для изменений выходной частоты в пределах ±3500 ppm относительно центральной требуется перепрограммировать только частоту DCO. Поскольку f_DCO = f_XTAL x RFREQ и частота f_XTAL фиксирована, то частота DCO переконфигурируется простым изменением коэффициента RFREQ по процедуре, описанной ниже:

1. Через I2C считывается текущее значение RFREQ (адреса 7..12 для всех устройств Si571 и Si570 с термостабильностью 20 ppm и 50 ppm; или адреса 13..18 для устройств Si570 с термостабильностью 7 ppm).

2. Вычисляется новое значение RFREQ в соответствии с изменением частоты.

                                             f_{out_new}
RFREQ_new = RFREQ_current · --------------
                                           f_{out_current}

3. Через I2C записывается новое значение RFREQ (по тем же адресам, по которым это значение было прочитано на шаге 1).

Пример: Si570 генерирует частоту 148.35 МГц, которую нужно перестроить "на лету" для генерации 148.5 МГц. Это изменение составит +1011.122 ppm, что укладывается в окно ±3500 ppm.

Типовая конфигурация для этого примера:

RFREQ_current = 0x2EBB04CE0
F_{out_current} = 148.35 МГц
F_{out_new} = 148.50 МГц

Вычисленное новое значение RFREQ_new для изменения выходной частоты 148.35 МГц -> 148.5 МГц:

                          148.50 МГц
RFREQnew = 0x2EBB04CE0 · ------------ = 0x2EC71D666
                          148.35 МГц

Замечание: вычислительные операции над RFREQ потребуют как минимум 38-разрядной арифметической точности.

Даже относительно небольшие изменения выходной частоты могут потребовать записи больше одного регистра 1 RFREQ. Поэтому такая многорегистровая запись может отрицательно сказаться на выходной частоте, пока эти регистры обновляются по очереди.

Предотвратить эти временные колебания выходной тактовой частоты во время записи регистров RFREQ можно следующей процедурой:

1. Заморозка значения "M" (установка в 1 бита 5 регистра 135).
2. Запись новой конфигурации частоты (регистров RFREQ).
3. Разморозка значения "M" (установка в 0 бита 5 регистра 135).

3.1.2. Перестройка выходной частоты в широком диапазоне

Когда выходную частоту нужно поменять на большее значение, чем окно ±3500 ppm от центральной частоты, то потребуется перепрограммировать как частоту DCO, так и выходные делители. Имейте в виду, что такое изменение частоты DCO за пределами окна ±3500 ppm приведет к тому, что выдача выходного сигнала тактов моментально остановится, и запустится в произвольной точке периода тактов. Поэтому для чувствительных устройств, получающих такое прерывистое тактирование (например процессоры, MCU) может понадобиться сброс после того, как завершилась перестройка частоты Si57x.

Процесс переконфигурирования выходной частоты за пределами окна ±3500 ppm требует сначала чтения текущих значений RFREQ, HSDIV и N1. Затем вычисляется значение f_XTAL. Имейте в виду, что из-за незначительных вариаций частоты внутреннего кварца от одной микросхемы Si57x к другой каждая микросхема может иметь отличающееся значение RFREQ, или даже могут быть разные значения HSDIV или N1 для одной и той же выходной частоты. По этой причине требуется вычисление f_XTAL для каждого устройства. После этого новые значения записываются обратно в соответствующие регистры (адреса 7..12 для всех устройств Si571 и Si570 с термостабильностью 20 ppm и 50 ppm; или адреса 13..18 для устройств Si570 с термостабильностью 7 ppm) последовательностью, описанной в секции "3.1.2.1. Запись конфигурации новой выходной частоты".

         f_OUT · HSDIV · N1
f_XTAL = -------------------
               RFREQ

Как только определено значение f_XTAL, вычисляются новые значения для RFREQ, HSDIV и N1, чтобы сгенерировать новую выходную частоту (f_{out_new}). Новые значения могут быть вычислены вручную или с помощью программного обеспечения Si57x-EVB, которое предоставляет дружественный пользовательский интерфейс, помогающий найти оптимальные значения.

Первый шаг ручного вычисления конфигурации частоты состоит в определении новых значений делителя частоты (HSDIV, N1). По значению нужной выходной частоты (f_{out_new}) находят такие коэффициенты деления делителя, которые сохраняют частоту DCO в диапазоне 4.85 .. 5.67 ГГц.

f_{DCO_new} = f_{out_new} · HSDIV_new · N1_new

Для HSDIV допустимы значения 4, 5, 6, 7, 9 или 11. Значение N1 может быть выбрано равное 1 или любому четному числу до 128 включительно (т. е. 1, 2, 4, 6, 8, 10, .., 128). Чтобы помочь в минимизации энергопотребления, должны быть выбраны значения коэффициентов деления таким образом, чтобы частота генерации DCO была как можно меньше. Самое маленькое значение N1 с самым большим значением HSDIV также приведет к самому низкому потреблению энергии.

Как только HSDIV и N1 определены, следующий шаг - вычисление коэффициента умножения опорной частоты (RFREQ).

           f_{DCO_new}
RFREQ_new = --------
            f_XTAL

RFREQ программируется как 38-разрядное дробное число множителя частоты, где первые 10 самых старших бит (MSB) представляют целую часть этого множителя, и 28 младших значащих бит (LSB) представляют дробную часть.

Перед тем, как вводить дробную часть в регистр RFREQ, она должна быть преобразована в 38-разрядное целое число битовой операцией сдвига влево на 28 бит, что эффективно умножит RFREQ на 2²⁸.

Пример:

RFREQ = 46.043042064d
Умножим RFREQ на 2²⁸ = 12359584992.1
Отбросим дробную часть = 12359584992
Преобразуем в шестнадцатеричное значение = 02E0B04CE0h

В примере выше операция умножения требует 38-битной точности. Если такая 38-разрядная арифметика недоступна, то дробную часть можно отделить от целой, и сдвинуть влево на 28 бит. Результат склеивается с целой частью для формирования полного 38-битного слова. Пример этой операции показан на рис. 4.

Рис. 4. Пример преобразования RFREQ из десятичной формы в шестнадцатеричную.

3.1.2.1. Запись конфигурации новой выходной частоты

Как только новые значения RFREQ, HSDIV и N1 определены, они могут быть напрямую записаны в устройство через I2C с помощью следующей процедуры:

1. Заморозка DCO (бит 4 регистра 137).
2. Запись конфигурации новой частоты (RFREQ, HSDIV и N1) в адреса 7–12 для всех устройств Si571 и Si570 с термостабильностью 20 ppm и 50 ppm; или в адреса 13–18 для устройств Si570 с термостабильностью 7 ppm.
3. Разморозка DCO и установка бита NewFreq (бит 6 регистра 135), чтобы выполнить "максимальную разморозку" на период времени NewFreq Timeout, указанный в таблице 11 (см. выше врезку с параметрами).

Процесс заморозки и разморозки DCO приведет к временной полной остановке формирования выходных тактов на время до 10 мс, причем запуск тактов произойдет в произвольной точке периода.

Пример: Si570, генерирующий 156.25 МГц, должен быть переконфигурирован на частоту 161.1328125 МГц (156.25 MHz x 66/64). Это изменение частоты больше, чем ±3500 ppm.

f_out = 156.25 МГц

Чтение текущих значений RFREQ, HSDIV, N1:

RFREQcurrent = 0x2BC011EB8h = 11744124600d, 11744124600d / 2²⁸ = 43.7502734363d
HSDIV = 4
N1 = 8

Вычисление f_XTAL, f_{DCO_current}

f_{DCO_current} = f_out · HSDV · N1 = 5.000000000 ГГц

        f_{DCO_current}
f_XTAL = ------------ = 114.285 МГц
        RFREQ_current

Новая частота f_{out_new} = 161.1328125 МГц, для неё выбираются выходные делители, которые будут удерживать f_DCO в диапазоне 4.85 .. 5.67 ГГц. В этом случае сохранение выходных делителей в старом состоянии все еще сохранит f_DCO в пределах этого диапазона:

f_{DCO_new} = f_{out_new} · HSDV_new · N1_new

         = 161.1328125 МГц · 4 · 8 = 5.156250000 ГГц

Вычисление нового значения RFREQ по новой частоте DCO:

           f_{DCO_new}
RFREQ_new = -------- = 45.11746948
            f_XTAL

          = 0x2D1E127AD

3.2. Процедура программирования Si570

Следующий пример был сгенерирован с использованием ПО Si514/70/71/98/99 Programmable Oscillator Software V4.0.1 [2]. На том же сайте можно найти апноут "AN334 Si57X/598/599 ANSI C REFERENCE DESIGN WITH OPTIONAL NON-VOLATILE OUTPUT FREQUENCY", содержащий код для вычисления настроек регистров на лету.

1. Прочитайте из устройства конфигурацию первоначальной частоты запуска (RFREQ, HSDIV и N1), которая устанавливается после включения питания или сброса. Значения регистров текущей конфигурации:

RFREQ  = 0x2BC011EB8
       = 0x2BC011EB8 / (2²⁸) = 43.75027344

HSDIV = 0x0 = 4
N1    = 0x7 = 8

2. Вычислите действительную номинальную частоту кварца, где f0 это выходная частота первоначального запуска.

f_XTAL = ( f0 · HSDIV · N1 ) / RFREQ
      = (156.250000000 МГц · 4 · 8) / 43.750273436
      = 114.285000000 МГц

3. Выберите новую выходную частоту (f1).

f1 = 161.132812000 МГц

4. Выберите коэффициенты выходных делителей для новой конфигурации частоты f1 (значения HSDIV и N1), таким образом, чтобы частота генерации DCO (f_DCO) оставалась в пределах 4.85 .. 5.67 ГГц. Частота f_DCO = f1 · HSDIV · N1. См. закладку Divider Combinations для получения дополнительных опций.

HSDIV = 0x0 = 4
N1    = 0x7 = 8
f_DCO = f1 · HSDIV · N1
     = 161.132812000 МГц · 4 · 8
     = 5.156249984 ГГц

5. Вычислите новый коэффициент умножения частоты кварца (RFREQ) по формуле RFREQ = f_DCO / f_XTAL.

RFREQ = f_DCO / f_XTAL
      = 5.156249984 ГГц / 114.285000000 МГц
      = 45.11746934
      = 45.11746934 · (2²⁸) = 0x2D1E12788

6. Остановите DCO установкой Freeze DCO = 1 (бит 4 регистра 137).

7. Запишите новую конфигурацию частоты (RFREQ, HSDIV, and N1). Значение регистров новой конфигурации:

8. Разрешите работу DCO установкой Freeze DCO = 0 и выставите бит NewFreq (бит 6 регистра 135) на 10 мс.

3.4. Интерфейс I2C

Интерфейс управления Si570 это I2C-совместимая 2-проводная шина, передающая данные в обоих направлениях. Выводы шины на микросхеме это двунаправленный сигнал последовательных данных (serial data, SDA) и вход последовательных тактов (serial clock, SCL). Оба эти сигнала должны быть подтянуты к + питания через внешние резисторы (pullup). Режим Fast mode дает скорость передачи до 400 kbps, как это определено стандартом I2C.

Рис. 5 показывает формат команды для чтения и записи. Данные всегда отправляются старшим битом (MSB) вперед. Длина данных составляет 1 байт. Команды чтения и записи поддерживают 1 или большее количество байт. Главное устройство шины (master I2C) должен послать сигналы Not Acknowledge и Stop после завершающего прочитанного байта для прерывания команды чтения. Спецификации времени и соответствующие диаграммы сигналов шины I2C можно найти в описаниях стандарта [4] (см. режим fast mode). Адрес устройства I2C определяется по его типу (part number).

Рис. 5. Формат команды I2C.

Легенда:

- от master к slave

- от slave к master

Slave Address - адрес подчиненного устройства на шине I2C.

Byte Address - адрес регистра в памяти Si75x.

A - Acknowledge (SDA LOW), положительное подтверждение.

N - Not Acknowledge (SDA HIGH), отсутствие подтверждения. Требуется за последним байтом данных, что сигнализирует для slave-устройства об окончании команды чтения.

S - START condition, сигнал старта.

P - STOP condition, сигнал останова.

[4. Регистры последовательного порта I2C]

Примечание: любые регистры, не перечисленные в таблице ниже, являются зарезервированными и не должны записываться. Все биты доступны на чтение и запись (R/W), если не указано нечто другое.

Подробное описание регистров по их номерам приведено во врезках ниже.

[5. Описание выводов Si570 (XO)]

Вид сверху на корпус Si570:

Таблица 14. Описание выводов Si570.

Примечания:

(1). I означает вход, O выход, I/O двунаправленный сигнал.
(2). Справедливо только для опции выхода CMOS: не делайте подключение к этому выводу.

[6. Описание выводов Si571 (VCXO)]

Вид сверху на корпус Si571:

Таблица 15. Описание выводов Si571.

Примечания:

(1). I означает вход, O выход, I/O двунаправленный сигнал.
(2). Справедливо только для опции выхода CMOS: не делайте подключение к этому выводу.

[7. Информация для покупки]

Si570/Si571 поддерживают широкий набор выбираемых опций, включая диапазон частот, частота первоначального запуска, температурная стабильность, выходной формат сигнала и напряжение питания VDD. Определенная конфигурация устройства программируется в энергонезависимую память Si570/Si571 в момент поставки потребителю. Конфигурации задаются по диаграмме Part Number Configuration, показанной ниже. Для упрощения этого процесса компания Silicon Labs предоставляет основанную на web-страничке утилиту конфигурации (part number configuration utility). Для получения доступа к этой утилите и инструкций по покупке посетите страничку [3]. Микросхемы Si570/Si571 XO/VCXO поставляются в стандартном RoHS-совместимом корпусе с 8-выводами, размером 5 x 7 мм. Для поставки можно выбрать опции упаковки на бобине или линейке (tape или reel).

1         2       3        4             5            6       7        8

Рис. 6. Расшифровка Part Number (Part Number Configuration).

1. Обозначение семейства программируемых генераторов. 570 относится к Si570 XO, 571 относится к Si571 VCXO.

2. Буквенный код выбора напряжения питания (опция 1), стандарта уровней выходного сигнала и полярности сигнала OE:

Замечание: CMOS опция работает только на частотах до 160 МГц.

3. Опция 2. Буквенный код, который для Si570 выбирает температурную стабильность, а для Si571 этот код кроме температурной стабильности также выбирает коэффициент чувствительности входа управляющего напряжения Kv и минимальный APR.

Коды для Si570:

Коды для Si571:

Примечания:

1. Для получения самых лучших параметров по джиттеру и фазовому шуму всегда выбирайте самый маленький Kv, который удовлетворяет требованиям приложения по минимально допустимому APR. В отличие от решений SAW, которые требуют более высоких значений Kv, чтобы учесть высокую температурную зависимость, серия Si55x предоставляет опции с низкими Kv для минимизации шума и джиттера в реальном мире дизайна PLL. Для дополнительной информации см. апноуты AN255 и AN266.

2. APR это возможность генератора VCXO отслеживать сигнал в течение всего времени жизни продукта. VCXO, у которого APR равен ±25 ppm, может удерживать стабильность частоты ±25 ppm в течение 15 лет срока при любых (заявленных как нормальные) условиях эксплуатации.

3. Номинальный диапазон перестройки, Nominal Pull range (±) = 0.5 · VDD · изменение настройки.

4. Номинальный ±APR = Pull range - стабильность - старение = 0.5 · VDD · tuning slope - stability - 10 ppm.

5. Минимальные значения APR, указанные выше, включают значения самого худшего случая для всех параметров.

4. Опция 3. Буквенный код, обозначающий частотный диапазон (Frequency Grade).

5. Шесть цифр, обозначающие стартовую частоту и адрес I2C.

Si57x поддерживает стартовую частоту, определяемую пользователем (user-defined start-up frequency) в следующих диапазонах частот: 10..945 МГц, 970..1134 МГц и 1213..1417 МГц. Стартовая частота должна быть в том же диапазоне частот, что и указана буквенным кодом опции 4.

Si57x также поддерживает определяемый пользователем 7-битный адрес I2C. Каждой уникальной комбинации стартовой частоты и адреса I2C назначается уникальный код из 6 цифр. Этот код можно запросить во время запроса на поставку (part number request process). Для составления запроса Si57x part number посетите страничку [3].

6. Буква ревизии устройства (D).

7. Рабочий температурный диапазон. G соответствует -40..+85°C.

8. Вариант упаковки R означает ленту и линейку (Tape & Reel). Отсутствие этой буквы означает лоток (Tray).

[8. Маркировка Si57x]

На рис. 7 показана маркировка для Si57x. В таблице 16 перечисляется информация строки маркировки.

Рис. 7. Маркировка на корпусе Si57x.

Таблица 16. Описание верхней маркировки Si57x.

[Словарик]

APR Absolute Pull Range, диапазон абсолютной перестройки за время жизни устройства.

ATE Automatic Test Equipment, система автоматизированного тестирования.

dBc decibels relative to the carrier, децибел относительно несущей. Соотношение мощности сигнала и сигнала несущей, выраженное в децибелах. Например, фазовый шум выражается в dBc/Гц на указанном смещении частоты от несущей.

GbE гигабитный Ethernet.

P2P peak-to-peak, размах напряжения от минимального уровня до максимального (от пика до пика).

ppb parts-per-billion, сколько единиц на миллиард. 1 ppb это одна 10-9 часть от чего-то.

PSR Power Supply Rejection, подавление помех по питанию.

RMS Root Mean Square, среднеквадратическое значение.

SAW Surface Acoustic Wave, резонатор на основе эффекта поверхностной акустической волны пьезокристалла.

SONET/SDH Synchronous Optical NETworking (SONET) и Synchronous Digital Hierarchy (SDH) это стандартизованные протоколы, передающие синхронные потоки данных по оптическому кабелю с помощью лазеров или высоко-когерентных источников света светодиодов (Light-Emitting Diode, LED).

VCXO генератор, стабилизированный кварцем с возможностью подстройки частоты входным управляющим напряжением.

xDSL семейство последовательных протоколов передачи данных для доставки трафика конечным потребителям по обычным телефонным линиям (последняя миля).

XO генератор, стабилизированный кварцем.

[Ссылки]

1. Si570/Si571 10 MHZ TO 1.4 GHZ I2C PROGRAMMABLE XO/VCXO site:silabs.com.
2. Oscillator Software Tools site:silabs.com.
3. Lookup and Customize site:silabs.com.
4. Specification - I2C Bus site:i2c-bus.org.
5. 180530Si570x-appnotes-datasheets.zip - апноуты, даташиты, исходный код примеров программирования синтезаторов Si57x.