Integridad de Señal y Potencia: Dominios de Tiempo y Frecuencia

2.13 Ancho de banda y Frecuencia de reloj

Como hemos visto, el ancho de banda se relaciona con el tiempo de subida de una señal. Es posible tener dos formas de onda diferentes, con exactamente la misma frecuencia de reloj, pero diferentes tiempos de subida y diferentes anchos de banda. El simple hecho de saber la frecuencia del reloj no puede decirnos cuál es el ancho de banda. La Figura 2-14 muestra cuatro formas de onda diferentes, cada una con exactamente la misma frecuencia de reloj de 1 GHz. Sin embargo, tienen diferentes tiempos de subida y, por lo tanto, diferentes anchos de banda.

Figura 2-14 Cuatro formas de onda diferentes, cada una con exactamente la misma frecuencia de reloj de 1 GHz. Cada uno de ellos tiene un tiempo de subida diferente, como una fracción del período, y por lo tanto diferentes anchos de banda.

A veces, no siempre sabemos el tiempo de subida de una señal, pero de todos modos necesitamos una idea de su ancho de banda. Usando una suposición simplificadora, podemos estimar el ancho de banda de una onda de reloj a partir de su frecuencia de reloj. Sin embargo, es importante tener en cuenta que no es la frecuencia de reloj la que determina el ancho de banda, sino el tiempo de subida. Si todo lo que sabemos sobre la forma de onda es la frecuencia del reloj, no podemos saber con certeza el ancho de banda; solo podemos adivinar.

Para evaluar el ancho de banda de una señal a partir de su frecuencia de reloj, tenemos que hacer una suposición muy importante. Necesitamos estimar lo que podría ser un tiempo de subida típico para una onda de reloj.

¿Cómo se relaciona el tiempo de subida con el período del reloj en una forma de onda de reloj real? En principio, la única relación es que el tiempo de subida debe ser inferior al 50% del período. Aparte de esto, no hay restricción, y el tiempo de subida puede ser cualquier fracción arbitraria del período. Podría ser el 25% del período, como en los casos en que la frecuencia del reloj está superando los límites de la tecnología del dispositivo, como en los relojes de 1 GHz. Podría ser el 10% del período, lo que es típico de muchos productos basados en microprocesadores. Podría ser el 5% del período, que se encuentra en FPGAS de alta gama que conducen buses de memoria externos de baja frecuencia de reloj. Incluso podría ser del 1% si el bus a nivel de placa es un sistema heredado.

Si no sabemos qué fracción del período es el tiempo de subida, una generalización razonable es que el tiempo de subida es del 7% del período del reloj. Esto se aproxima a muchas placas típicas basadas en microprocesadores y autobuses ASICs a nivel de placa de conducción. A partir de esto, podemos estimar el ancho de banda de la forma de onda del reloj.

Debe tenerse en cuenta que esta suposición de que el tiempo de subida es del 7% del período es un poco agresiva. La mayoría de los sistemas están probablemente más cerca del 10%, por lo que asumimos un tiempo de subida ligeramente más corto de lo que normalmente se podría encontrar. Del mismo modo, si estamos subestimando el tiempo de subida, estaremos sobreestimando el ancho de banda, lo que es más seguro que subestimarlo.

Si el tiempo de subida es del 7% del período, el período es de 1/0.07 o 15 veces el tiempo de subida. Tenemos una aproximación para el ancho de banda como 0.35 / tiempo de subida. Podemos relacionar la frecuencia del reloj con el período del reloj, porque cada uno es el inverso del otro. Reemplazar el período de reloj para la frecuencia de reloj resulta en la relación final; el ancho de banda es cinco veces la frecuencia de reloj:

Ecuación 2-5

donde:

• BWclock = el ancho de banda aproximado del reloj, en GHz
• Fclock = la frecuencia de repetición del reloj, en GHz

Por ejemplo, si la frecuencia de reloj es de 100 MHz, el ancho de banda de la señal es de aproximadamente 500 MHz. Si la frecuencia de reloj es de 1 GHz, el ancho de banda de la señal es de aproximadamente 5 GHz.

Esta es una generalización y una aproximación, basada en la suposición de que el tiempo de subida es del 7% del período del reloj. Dada esta suposición, es una regla empírica muy poderosa, que puede dar una estimación del ancho de banda con muy poco esfuerzo. Dice que el componente de frecuencia de onda sinusoidal más alto en una onda de reloj es típicamente el quinto armónico.

Es obvio, pero vale la pena repetirlo, que siempre queremos usar el tiempo de subida para evaluar el ancho de banda. Desafortunadamente, no siempre tenemos el lujo de conocer el tiempo de subida de una forma de onda. ¡Y sin embargo, necesitamos una respuesta ahora!