Einer nach dem anderen

Autor / Redakteur: Mike Fowler* / Jan Vollmuth

Der Stromverbrauch ist einer der entscheidenden Faktoren beim Design von ultra-portablen Endgeräten. Daher findet die so genannte Serialisierungstechnologie zunehmend Akzeptanz, denn sie reduziert die Anzahl der zu übertragenden Signale deutlich und senkt damit den Stromverbrauch. Ein neuer Designansatz von Fairchild Semiconductor mindert den Leistungsverbrauch von SerDes-Chips zusätzlich und verbessert ihre Betriebseigenschaften.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Der grundlegende Ansatz für das neue SerDes-Design (Serializer/Deserializer) liegt in der Unterscheidung zwischen dynamischen und statischem Stromverbrauch. Der dynamische Stromverbrauch fällt ausschließlich bei der Signalübertragung an; der statische variiert nach Betriebszustand und ist im Standby-Modus wesentlich niedriger als im aktiven Betrieb.

Da der dynamische Stromverbrauch nicht von der Betriebsfrequenz, sondern von der Anzahl der Signalübertragungen pro Zeiteinheit abhängt, bleibt der für zehn gleiche Übertragungen (z.B. Flankenrate, Spannungshub usw.) anfallende Leistungsverbrauch im Verlauf von 10 ns oder 100 ns immer gleich. Die Folgerung der Fairchild-Entwickler: Wird der dynamische Powerzyklus auf die kürzeste Zeit reduziert oder komprimiert, lässt sich der statische Leistungsverbrauch zwischen den dynamischen Zyklen durch Abschalten der Schaltung auf 0,5 mA senken. Ein schnelles Aufwachen zwischen den dynamischen Zyklen ist möglich und notwendig.

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Fairchild bezeichnet diesen Betriebszustand als Burstmodus. Hier werden die Daten mit einem Burst durch das serielle Interface mit wesentlich schnellerer (Wort-)Frequenz übertragen, als die Daten am parallelen Interface bereitgestellt werden. Daher können die neuesten µSerDes-Bauelemente zwischen den Übertragungen in einen Pseudo-Abschaltmodus gehen. Der Vorteil: der differentielle, serielle E/A (CTL) kann teilweise in einen Betriebszustand mit sehr geringem Leistungsverbrauch geschaltet werden. Der aktive Betriebszustand lässt sich in wenigen Nanosekunden wieder herstellen. Im Burst-Modus kann während des laufenden Betriebs ein durchschnittlicher Stromverbrauch von etwa 2 mA erzielt werden (bei 5,44 MHz mit der aktuellen Implementierung). Verglichen mit älteren SerDes bedeutet das eine Verbesserung um das 5- bis 10fache.

Ein weiterer Vorteil: Bei Schnittstellen wie Mikrocontrollern ist der Stromverbrauch zwischen den Zyklen geringer. Beim Pseudo-Abschalten zwischen den aktiven Phasen beträgt er etwa 250 µA.

Speziell bei Mikrocontroller-Interfaces ist eine aktive Betriebsphase häufig für längere Zeit nicht gefragt, das Interface kann jedoch nicht untätig verharren, sondern muss aktiv bleiben. Daher wird der µSerDes nur gelegentlich beansprucht und muss zwischen den aktiven Betriebszuständen in einem Pseudo-Abschaltmodus verweilen. Er wird nur während genau definierter und längerer inaktiver Perioden (wenn zum Beispiel das Klapphandy geschlossen ist) komplett abgeschaltet. Im Pseudo-Abschaltmodus erzielt die aktuelle µSerDes-Generation einen um das 25- bis 100fache geringeren Stromverbrauch als bisherige Chips.

Zudem kann die serielle Frequenz im Burstmodus aufgrund der Entkopplung der parallelen von der seriellen Frequenz auf jeden beliebigen Wert gesetzt und so gewählt werden, dass die Interferenz in den betroffenen Frequenzbändern minimal ist. Die Bursttechnik selbst kann die EMI bei der spezifizierten, seriellen Betriebsfrequenz weiterhin reduzieren.

Das µSerDes-Design kommt darüber hinaus ohne PLL aus. Dies hat neben dem wegfallenden Leistungsverbrauch weitere Vorteile: Der freilaufende Oszillator in einem festen Frequenzbereich senkt den Stromverbrauch zusätzlich, und für PLLs typische Probleme werden vermieden. Weiterhin wird die externe Taktreferenz überflüssig, die in Verbindung mit einem Mikrocontroller-Interface ohne Taktsignal ohnehin problematisch ist und oft eines der wertvollen GPIO-Signale belegt.

Freilaufender Oszillator senkt den nötigen Leistungstakt

Applikationen, die ein Spread-Spektrum verwenden, können aufgrund dieser Technik jede Menge davon parallel akzeptieren und transferieren, solange die maximale Frequenz des Bauelementes nicht überschritten wird. Die Betriebsfrequenz ist unabhängig von der Frequenz des Parallel-Interfaces am Eingang. Synchronisieren (lock) ist nicht erforderlich, es gibt keine minimale Betriebsfrequenz. Das bedeutet, dass zwei oder mehr unterschiedliche Frequenz-Interfaces problemlos vom gleichen Bauelement unterstützt werden können.

Ein gravierender Nachteil von PLLs war der limitierte mögliche Frequenzbereich, da der Fangbereich einer PLL begrenzt ist. Da nun ein freilaufenden Oszillator mit Festfrequenz verwendet werden kann, lässt sich ein sehr niedriger Leistungstakt sowohl beim Serialisierer als auch beim Deserialisierer einplanen. Auf diese Weise muss der Serialisierer nicht mehr die Steuerung der Informationen und des Zeitverhaltens koordinieren. Da auf beiden Seiten der seriellen Schnittstelle ein Strom sparender Takt herrscht, kann sie baldmöglichst abgeschaltet werden (Eintritt des Pseudo-Abschaltens). Alle Zeitinformationen sind auf beiden Seiten unabhängig verfügbar. Dieses Konzept wird mit einem Full-Duplex-Schaltkreis umso leistungsfähiger, da ohnehin auf dessen beiden Seiten Takte notwendig sind.

Das CTL macht unempfindlich gegen hohe Strompegel

Das differenzielle, serielle E/A (CTL) des µSerDes wird so abgestimmt, dass es möglichst wenig Strom verbraucht – solange sich keine unerwünschte Störempfindlichkeit einstellt. Signale mit sehr geringen Signalpegeln werden leicht durch elektrische und ausgestrahlte Störsignale beeinträchtigt, Bitfehler sind die Folge. CTL hat sich durch seine differentielle Konzeption und dem innovativen Strom-Sense-Empfänger bei der Abwehr hoher Störpegel als sehr robust erwiesen.

Ein weiterer Verursacher von Störpegeln ist das Stehwellenverhältnis (VSWR). Dabei handelt es sich um elektrische Störpegel, die von einem Funksignal erzeugt werden, wenn die entsprechende Antenne nicht perfekt angepasst ist.

Diese Störfaktoren hat Fairchild bei der Entwicklung von µSerDes frühzeitig berücksichtigt. Seitdem wurde die CTL durch Senkung des Stromverbrauchs und der EMI stetig verbessert und gleichzeitig gewährleistet, dass sie allen vorhandenen Störpegeln sicher widersteht. µSerDes werden in einer Umgebung eingesetzt, in der sich Serialisierer und Deserialisierer in separaten Untersystemen befinden und durch einen Kabelstrang miteinander verbunden sind. Da die Spannungspegel sehr schwanken können, gestaltet sich das Ausfiltern der Störpegel recht schwierig – falls man nicht erhebliche Mehrkosten in Kauf nehmen will. Eine differentielle Signalübertragung ist hier unabdingbar.

Fairchilds neuer Designansatz für µSerDes wird den Leistungsverbrauch dieser Bauelemente weiter senken sowie die Betriebseigenschaften stetig optimieren. Das radikal neue Konzept wird das bisherige Serialisierungs-Paradigma endgültig ablösen.

Fairchild

Tel. +49(0)8141 61020

*Mike Fowler ist Mitglied des technischen Teams der Interface Group bei Fairchild Semiconductor

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