Segnale e potenza Integrità: Tempo e frequenza domini

2.13 Larghezza di banda e frequenza di clock

Come abbiamo visto, larghezza di banda si riferisce al tempo di salita di un segnale. È possibile avere due forme d’onda diverse, con esattamente la stessa frequenza di clock ma diversi tempi di salita e diverse larghezze di banda. Solo conoscere la frequenza di clock non può dirci quale sia la larghezza di banda. La figura 2-14 mostra quattro diverse forme d’onda, ognuna con esattamente la stessa frequenza di clock di 1 GHz. Tuttavia, hanno diversi tempi di salita e quindi diverse larghezze di banda.

Figura 2-14 Quattro diverse forme d’onda, ognuna con esattamente la stessa frequenza di clock a 1 GHz. Ognuno di essi ha un diverso tempo di salita, come una frazione del periodo, e quindi diverse larghezze di banda.

A volte, non sempre conosciamo il tempo di salita di un segnale, ma abbiamo comunque bisogno di un’idea della sua larghezza di banda. Usando un’ipotesi semplificatrice, possiamo stimare la larghezza di banda di un’onda di clock solo dalla sua frequenza di clock. Tuttavia, è importante tenere presente che non è la frequenza di clock che determina la larghezza di banda, è il tempo di salita. Se tutto quello che sappiamo sulla forma d’onda è la frequenza di clock, non possiamo conoscere la larghezza di banda di sicuro; possiamo solo indovinare.

Per valutare la larghezza di banda di un segnale solo dalla sua frequenza di clock, dobbiamo fare un presupposto molto importante. Dobbiamo stimare quale tipico tempo di salita potrebbe essere per un’onda di clock.

In che modo il tempo di salita è correlato al periodo di clock in una forma d’onda di clock reale? In linea di principio, l’unica relazione è che il tempo di salita deve essere inferiore al 50% del periodo. Oltre a questo, non vi è alcuna restrizione e il tempo di salita può essere qualsiasi frazione arbitraria del periodo. Potrebbe essere il 25% del periodo, come nei casi in cui la frequenza di clock sta spingendo i limiti della tecnologia del dispositivo, come ad esempio in orologi da 1 GHz. Potrebbe essere il 10% del periodo, che è tipico di molti prodotti basati su microprocessore. Potrebbe essere il 5% del periodo, che si trova negli FPGA di fascia alta che guidano bus di memoria esterni a bassa frequenza di clock. Potrebbe anche essere 1% se il bus a livello di scheda è un sistema legacy.

Se non sappiamo quale frazione del periodo è il tempo di salita, una generalizzazione ragionevole è che il tempo di salita è il 7% del periodo di clock. Ciò approssima molte tipiche schede basate su microprocessore e autobus a livello di scheda di guida ASIC. Da questo, possiamo stimare la larghezza di banda della forma d’onda dell’orologio.

Va tenuto presente che questa ipotesi del tempo di salita pari al 7% del periodo è un po ‘ aggressiva. La maggior parte dei sistemi sono probabilmente più vicini al 10%, quindi stiamo assumendo un tempo di salita leggermente più breve di quello che potrebbe essere tipicamente trovato. Allo stesso modo, se stiamo sottovalutando il tempo di salita, sopravvaluteremo la larghezza di banda, che è più sicura che sottovalutarla.

Se il tempo di salita è il 7% del periodo, allora il periodo è 1/0.07 o 15 volte il tempo di salita. Abbiamo un’approssimazione per la larghezza di banda come 0.35 / tempo di salita. Possiamo mettere in relazione la frequenza di clock al periodo di clock, perché sono ciascuno l’inverso dell’altro. Sostituzione del periodo di clock per la frequenza di clock risultati del rapporto finale; la larghezza di banda è di cinque volte la frequenza di clock:

Equazione 2-5

dove:

• BWclock = approssimativa larghezza di banda dell’orologio, in GHz
• Fclock = l’orologio frequenza di ripetizione, in GHz

Per esempio, se la frequenza di clock di 100 MHz, la larghezza di banda del segnale è di circa 500 MHz. Se la frequenza di clock è 1 GHz, la larghezza di banda del segnale è di circa 5 GHz.

Questa è una generalizzazione e un’approssimazione, basata sul presupposto che il tempo di salita sia il 7% del periodo di clock. Data questa ipotesi, è una regola empirica molto potente, che può dare una stima della larghezza di banda con pochissimo sforzo. Dice che la più alta componente di frequenza sinusoidale in un’onda di clock è tipicamente la quinta armonica!

È ovvio, ma va ripetuto, che vogliamo sempre usare il tempo di salita per valutare la larghezza di banda. Purtroppo, non abbiamo sempre il lusso di conoscere il tempo di salita per una forma d’onda. Eppure, abbiamo bisogno di una risposta ora!