.Проектирование устройств и систем с высокоскоростными соединениями

Рис. 4.16. Модель линии с PRBS в Cadence

4.4. АНАЛИЗАТОР ПОЛЯ

Анализатор электромагнитного поля (FS – Field Solvers) – прогамма для исследования физических структур, таких как дорожка печатной платы или сложная геометрия соединителя и построения моделей этих объектов в виде электрических схем для использования в SI-моделировании. Наиболее распространен анализатор полей, исследующий двумерные структуры (2D FS), которые являются однородными и поэтому могут быть должным образом описаны с помощью только двух размеров. Примером могут служить прямые печатные проводники с постоянной шириной и толщиной, постоянным расстоянием между проводниками и высотой над плоскостью земли.

Анализатор поля вычисляет сопротивление, емкость, индуктивность и проводимость двумерной структуры и формирует таблицу с пределами изменения частоты, заданными пользователем. Эти пределы должны быть тщательно отобраны, так как импульсные сигналы имеют высокочастотные гармоники, а с ростом частоты увеличиваются потери.

Поскольку структура однородна, то электрические параметры рассчитываются на единицу длины. Значение для конкретной трассы определяется умножением результата работы FS на реальную длину структуры. Например, если емкость трассы определяется FS как 140 ПФ/м, то емкость трассы длиной в 1 см будет равна 1,4 ПФ.

Лучшие FS дают пользователю возможность выбрать выходной формат в зависимости от типа модели схемы. Таким об-

111

разом, может быть создана библиотека моделей схемы для использования с различными симуляторами. Минимальное, что можно выбрать для создания, это файлы RLGC и S-параметров (Touchstone формат). Данные RLGC могут быть проверены с помощью известных формул аппроксимации или модели

SPICE LTRA.

Модели на уровне схем для физических неоднородных структур (сквозные отверстия, или трассы с переменной шириной, или расстояния между дорожками, или изогнутые вокруг различных компонент) создаются с помощью 3D FS. Некоторые из этих FS требуют знаний радиочастотной концеции и ее терминологии для создания правильных моделей, другие разработаны специально для работы SI-инженеров, имеющих минимальные знания радиотехники. Поскольку структуры моделируются в трехмерном пространстве, то настройка симулятора требует больше времени и может возникнуть больше ошибок, чем в 2D-симуляторах.

Перед использованием того или иного 3D-симулятора необходимо проверить, чтобы ввод схемы слоев печатной платы и задание свойств материала были интуитивными. Кроме того, необходимо убедиться, что значения для слоев схемы печатной платы были назначены правильно. Должен легко использоваться параметр шероховатости поверхности для трасс и плоскостей питания. При работе с высокоскоростными сигналами важна возможность симулятора рассматривать пути, в которых из-за изменения частоты изменяются диэлектрические свойства. Частью процесса выбора 3D-симулятора также является проверка графического интерфейса на легкость создания и редактирования сложных 3D-структур, что очень важно для SI-инженеров, которые не используют симуляторы ежедневно.

Обычно модель S-параметров является выходной моделью по умолчанию в 3D FS, но в некоторых случаях могут быть созданы RLGC-файл или W-модель линии. Электрические параметры вычисляются на всю геометрию. Например, структура может иметь значение емкости 3 ПФ, но не может иметь значение 3 ПФ/см.

112

Вопросы для самоконтроля

1.Какова роль SI-инженера на этапе трассировки?

2.В какой форме SPICE-модель представляет электрическую схему?

3.В какой форме IBIS-модель представляет электрическую

схему?

4.В чем отличие O и W SPICE-элементов для моделирова-

ния линий передачи?

5.О чем говорит S-параметр Smi?

6.Почему ABCD-параметры не могут быть получены путем измерения?

7.Как с помощью S-параметров можно получить график импульсной характеристики линии передачи?

8.Как с помощью S-параметров можно оценить передачу сигнала по дифференциальной линии печатной платы?

113

5.ТЕСТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ

СВЫСОКОСКОРОСТНЫМ ВВОДОМ-ВЫВОДОМ

5.1.ЦИФРОВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

ИАНАЛИЗАТОР ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ

На этапе создания прототипа устройства тестирование его высокоскоростных приемопередатчиков выполняется с использованием специализированного измерительного оборудования, такого как цифровой стробоскопический осциллограф (DSO – Digital Sampling Oscilloscope), рефлектометр во временной области (TDR – Time Delay Reflectometer) и анализатор цифровых систем связи (DCA – Digital Communication Analyzer).

DSO работает несколько иначе, чем обычный аналоговый осциллограф или цифровой осциллограф с памятью. Аналоговый осциллограф напрямую подает сигнал на вертикальную ось пучка электронов, перемещающегося в электронно-лучевой трубке, создавая след, представляющий форму реального сигнала. Цифровой осциллограф с памятью преобразует входной сигнал в цифровые отсчеты, которые запоминаются, а затем используются для «воссоздания» сигнала на дисплее. DSO также оцифровывает и запоминает входную информацию. Он является осциллографом с периодической разверткой.

DSO отличается от аналогового или цифрового осциллографа тем, что работает с экстремально быстрыми сигналами. Для того чтобы ввести сигнал более быстрый, чем время анало- го-цифрового преобразования, DSO вводит только малое количество отсчетов каждого периода сигнала. Рис. 5.1 иллюстрирует принцип работы стробоскопического осциллографа, часто используемого для представления периодического сигнала в виде глаз-диаграммы.

В дополнение к входу данных стробоскопический осциллограф имеет вход для сигнала синхронизации, который может стать опорным сигналом дискретизации (рис. 5.2).

Для визуализации сверхбыстрых сигналов DSO не содержит ни аттенюаторов, ни усилителей между входом и аналогоцифровым преобразователем. Это означает, что диапазоны входного напряжения сильно ограничены по сравнению с другими

114

осциллографами. Отсутствует и защитный диод, так как он мог бы вызвать сильные искажения. Входы DSO также очень чувствительны к перенапряжению и электростатическому электриче-

ству (ESD – Electro Static Discharge).

Рис. 5.1. Принцип стробоскопического преобразования сигнала:

а– исследуемый сигнал, б – моменты дискретизации,

в– изображение сигнала на экране осциллографа. Тп – период дискретизации, Тс – период сигнала, n – число точек считывания

сигнала (n = 7), tc – длительность сигнала, ∆tc = tc/n – шаг считывания, kтр = Тп · m/∆tc – коэффициент трансформации времени,

m – некоторое целое число

Рис. 5.2. Варианты подключения стробоскопического осциллографа

TDR. Принцип работы таких рефлектометров основан на посылке в линию прямоугольного тестового импульса и наблюдении задержанного эхо-сигнала, отраженного от неоднородности волнового сопротивления. Основными информативными результатами являются форма эхо-сигнала и его задержка (рис. 5.3).

115

Рис. 5.3. Идеальный случай для импульсной рефлектометрии

Нарис. 5.4 приведенасхемаизмерения отражения сигнала[8].

Рис. 5.4. Схема измерения отражения

DSO фиксирует сигнал Vtdr(t) генератора импульсов (Vg, Rg) на входе 2 коаксиального кабеля DL1. Сигнал от генератора Vinc перемещается по кабелю со скоростью vp и достигает конца кабеля 3 спустя время TD.

TD = d/vp, vp = c/(ε)1/2,

где c – скорость света; ε – относительная диэлектрическая проницаемость линии передачи. Если импеданс Zt контрольной точки 3 совпадает с характеристическим импедансом линии Ro, т.е. Zt = Ro, то импульс полностью поглощается. Если же Zt не равно Ro, некоторая часть энергии импульса отражается обратно в виде эхо-сигнала Vrefl. Отраженный импульс Vrefl вернется обратно в точку 2 в момент времени t = 2·TD. Эталонный кабель DL1 обеспечивает разделение во времени наблюдения Vtdr(t) и Vrefl. Сигнал, наблюдаемый в узле 2, является алгебраической суммой тестового импульса и возникшего из-за неоднородности импеданса эхо-сигнала, задержанного на время 2·TD. Анализируя время задержки и форму эхо-сигнала, присутствующего в Vtdr(t), можно определить место и природу неоднородности внутри

116

линии передачи и/или несоответствие окончания линии. Идеальная длина эталоного кабеля должна быть выбрана так, чтобы искажение формы тестового импульса было демпфировано перед временем 2·TD, когда придет первое отражение в узел 2.

На рис. 5.5 приведена схема измерения времени передачи

(Time Domain Transmission – TDT) импульса через проверяемый узел. Измеряемый сигнал Vtdt фиксируется с помощью DSO в точке 5. Сначала выполняется калибровка без проверяемого узла, кабель DL2 (4) напрямую соединяют с кабелем DL1 (3). Переданный через схему тестовый импульс запоминается DSO в точке 5 как Vin. Затем подключается проверяемый узел, и новый переданный через схему тестовый импульс запоминается DSO в точке 5 как Vout для последующего сравнения с Vin.

Рис. 5.5. Схема измерения времени передачи

На рис. 5.6 приведены TDR- и TDT-отклики некоторых схем на ступенчатый тестовый сигнал.

Рис. 5.6. TDR- и TDT-отклики схем на ступенчатый тестовый сигнал

DCA строится по модульному принципу. Общими опциями являются модули DSO, TDR и выделитель тактовой частоты, который берет входной битовый поток и извлекает тактовый синхросигнал с малым джиттером, который затем может быть использован для получения цифровых отсчетов. Другие функции DCA главным образом являются программными и выполняют преобразование и анализ данных, полученных с помощью функций ввода.

117

5.2. ГЛАЗ-ДИАГРАММА И ДЖИТТЕР

Глаз-диаграмма – это графический методом оценки качества цифрового сигнала. Она представляет естественную последовательность трасс, формируемых DSO (рис. 5.7). Глаз-диаграмма позволяет выявить наличие джиттера и искажение амплитуды.

Рис. 5.7. Создание глаз диаграммы на DSO

Глаз-диаграмма может быть получена и с помощью цифрового осциллографа с памятью, если включить режим «Послесве-

чение» (Persistence) (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Глаз-диаграмма сигнала, распространяемого по проводнику печатной платы, созданной на основе материала FR-4

По глаз-диаграмме можно получить много сведений о сигнале и пути, по которому он распространяется. Высота и ширина глаз-диаграммы соответствует способности приемника принять сигнал. Часто для приемника публикуют маску глаза (рис. 5.9). Если глаз-диаграмма размещается внутри маски, то приемник способен обнаружить сигнал. Поле «маска» на рис. 5.9 показыва-

118

ет минимально допустимый раскрыв глаз-диаграммы. На рис. 5.10 приведены значения для маски глаз-диаграммы некоторых известных высокоскоростных интерфейсов.

Ширина заливки между глазами (в месте пересечения нулевого уровня) представляет джиттер в системе. Другие детали, такие как большее или меньшее предыскажение и несогласование импеданса из-за отсутствия симметрии сторон дифференциальной пары, могут быть установлены по аномалии формы глаза

(рис. 5.11).

Рис. 5.9. Маска для глаз-диаграммы

Рис. 5.10. Маски для глаз-диаграммы известных интерфейсов. UI – нормализованная длительность битового интервала

119

Как видно из рис. 5.9, джиттер имеет отношение к расстоянию между индивидуальными глазами глаз-диаграммы. Под джиттером понимают разницу между идеальным положением места пересечения сигналом нулевого уровня и реальным местом пересечения. С математической точки зрения можно говорить о джиттере как вариации периода сигнала. Например, если взять синусоидальный тактовый сигнал, то идеальный тактовый сигнал с нулевым джиттером можно определить как cos(w(t)), а сигнал с джиттером – как cos(w(t) + j(t)), где j(t) – функция, определяющая джиттер.

Рис. 5.11. Аномалии глаз-диаграммы

Часто джиттер делят на два типа: детерминированный (DJ или dj) и случайный (RJ или rj). Случайный джиттер – результат стохастического синфазного или дифференциального процесса, например шумы источника питания или тепловые шумы компонент. Детерминированный джиттер – результат специфических комбинаций или событий, таких как асимметрия времени нарастания и спада сигнала, межсимвольная интерференция, зонд осциллографа, выводы питания, перекрестные связи от других сигналов. Опыт показывает, что наиболее вероятной причиной того, что высокоскоростные потоки не работают, является чрезмерный джиттер. Поэтому обязательно необходимо измерять джиттер на приеме и сравнивать его со спецификацией приемника. Также следует интересоваться высотой раскрыва глаза, и если она допустима, то джиттер не вызовет проблем.

120