Nesta aplicação, investigaremos a resposta no domínio do tempo do gerador de clock I²C Si5351 da fabricante Silicon Labs de até 160MHz, utilizado na geração precisa de sinais de clock para microcontroladores, microprocessadores, relógios, entre inúmeras outras aplicações. O estudo foi empreendido por meio de um osciloscópio profissional de alta resolução (HD) de 1 GHz Agilent\Keysight DSO9104H e um sistema Arduino para programação do circuito integrado Si5351.
Gerador de Clock Si5351
O circuito integrado Si5351 da Silicon Labs é um gerador de pulsos quadrados (clock) de até 8 canais de 8kHz a 160MHz cada, programável por meio de I²C, baixo período de jitter, ampliação de espectro programável, controle de tempo de subida/descida e alerações de frequência sem distorções.
A primeira medição consiste na análise da frequência gerada de 30kHz com carga de 1 Mohm. Conforme constatamos na imagem a seguir, a frequência do sinal gerado é de cerca de 29.999677 kHz (valor médio), sendo que esse desvio de frequência é causado pelo cristal oscilador da placa de desenvolvimento utilizada e até mesmo pela medição no osciloscópio já que não foi utilizado uma referência de rubídio durante esta aplicação.
Conforme o datasheet da fabricante, constatamos que de fato em todo a banda de geração do dispositivo, constatamos uma geração de sinais quadrados sem picos após as alterações de níveis de tensão.
Rise time com carga de 1Mohm
Conforme o datasheet do fabricante, a impedância de saída é de 85 ohms e capacidade de de saída de 2mA a 8mA. O fabricante garante o jitter (variação de tempo entre as transições) de apenas 100ps apenas e rise/fall time típico de apenas um nanosegundo nessas condições, mas mesmo assim testamos o circuito integrado com uma ponta de prova com impedância de entrada de 1 Mohm para verificarmos o que acontece em caso de aplicação de carga não nominal.
Na frequência de 3 MHz, percebemos na imagem a seguir que o rise time médio é de 21,10ns e a alteração de nível de tensão ocorre em cerca de cinco passos. Ressaltamos que a situação será bem diferente quando utilizarmos o dispositivo em conformidade com suas especificações técnicas.
Com zoom na borda de subida, visualizamos a transição do sinal na subida:
Com os marcadores ativos, mensuramos o tempo médio de subida de 22,001397ns com a carga não nominal de 1 Mohm:
Caso programarmos a frequência para apenas 20 MHz com a carga de 1 Mohm, o sinal é totalmente deformado, conforme a imagem a seguir devido aos tempos de subida e descida (rise e down time):
Frequência e tempos de subida e descida com carga de 50 ohms
Adiante, alteramos a carga para 50 ohms, valor bem mais próximo à impedância de saída nominal de 75 ohms do dispositivo. Configurando o circuito integrado para gerar um sinal de clock de 20MHz, percebemos na imagem a seguir que o rise time foi reduzido para o valor médio de apenas 695,9895ps. Enfatizamos que o aumento de ruído se deve ao atenuador de 50ohms conectado ao osciloscópio uma vez que a tensão máxima de entrada em 50 ohms é de apenas 5 V RMS.
Aplicando-se um zoom na borda de transição de subida, obtemos:
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Sobretudo, constatamos que a borda de subida é muito suave:
Assim como a borda de descida, que possui tempo de descida médio menor de 381,26ps em 100MHz:
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Em 150MHz, o Si5351 continua atendendo as especificações do datasheet com rápidas transições de borda:
Variações de frequência
Em relação às variações de frequência, constatamos variações ínfimas, mas o experimento tem que ser repetido tendo como referência um padrão de frequência de 10MHz de melhor precisão como algum dispositivo de referência 10MHz de rubídio ou césio.
