Практическое руководство по целостности сигнала в высокоскоростных приложениях SerDes (Часть 1)
Целостность сигнала — одна из основных тем, с которой сталкиваются многие разработчики высокоскоростных цифровых схем. Это связано с ухудшением качества и временными ошибками цифровых сигналов при прохождении сигнала от передатчика к приемнику через межсоединения, такие как корпусные структуры, дорожки печатной платы, переходные отверстия, гибкие кабели и разъемы.
Современные конструкции высокоскоростных шин, такие как LpDDR4x, USB 3.2 Gen1/2 (5 Гбит/с/10 Гбит/с), USB 3.2×2 (2×10 Гбит/с), PCIe и появившийся USB 4.0 (2×20 Гбит/с) передают свои данные через каналы сериализатора/десериализатора (SerDes), которые используют дифференциальную организацию передачи для повышения целостности сигнала. Несмотря на все способы повышения помехоустойчивости, сигналы по-прежнему испытывают значительное ухудшение. В этой серии статей представлен обзор фундаментальных концепций целостности сигнала и представлены ключевые принципы, лежащие в основе явлений, происходящих в высокоскоростных системах передачи данных, включая скин-эффект, согласование импедансов, характеристическое сопротивление и отражение.
По мере того как мобильные устройства все больше используют 5G, как телефоны, так и поддерживающее их инфраструктурное оборудование должны будут поддерживать значительно более высокие скорости передачи данных, во многих случаях несколько гигабит в секунду (Гбит/с). В свою очередь, производители ИС должны использовать передовые субмикронные процессы (от 10 до 7 нм и даже 5 нм), которые позволяют их чипам поддерживать как более высокие скорости передачи данных, так и более высокие уровни интеграции. На каждом последующем уменьшении размера полупроводниковых структур частора работы устройст (Ft) увеличивается. В то же время тонкие структуры транзисторов нанометрового размера вынуждают производителей ИС переходить на более низкие рабочие напряжения ядра (например, 0,9 В, 0,8 В, 0,56 В и, возможно, ниже), а также оптимизировать рассеиваемую мощность.
Хотя современные ИС могут работать на этих более высоких частотах и при более низких напряжениях питания, они подвержены ряду явлений, которые делают передачу и прием высокоскоростных потоков данных все более сложной задачей. Пониженное рабочее напряжение сокращает промежуток между верхним и нижним пороговыми уровнями «1» и «0», в то время как более высокая частота сокращает временной интервал, в котором данный бит может быть принят. Пространство, ограниченное напряжениями и временами, в течение которых можно считать принятый бит достоверным, называется «глазом данных».
Учитывая вышесказанное, легко увидеть, как более высокие частоты и более низкие напряжения приводят к меньшему глазу данных, тем самым увеличивая вероятность того, что приемник неправильно считывает входящий бит, что увеличивает частоту битовых ошибок в потоке (BER), что в большинстве устройств требует повторной передачи пакета, в котором был обнаружен ошибочный бит. События повторной передачи вызывают две проблемы. Во-первых, если они слишком частые, они могут заметно ухудшить полезную пропускную способность канала. Кроме того, события повторной передачи заставляют контроллер устройства оставаться в активном режиме дольше, чем это необходимо. Хотя это не является серьезной проблемой для оборудования с питанием от сети, дополнительное время, вызванное повторными передачами, может привести к значительному увеличению рассеиваемой мощности, что для телефонов, планшетов и другого мобильного оборудования сокращает время их работы.
Рис. 1. Чем выше частота, тем ниже напряжение, а значит и меньше размер глазка данных.
Использование высокоскоростных каналов передачи данных SerDes создает ряд проблем в процессе проектирования продукта, которые необходимо решить, включая затухание сигнала, отражение, согласование импеданса и джиттер. В следующем разделе будет рассмотрено, почему эти искажения сигнала мешают приемнику правильно интерпретировать информацию, тем самым увеличивая вероятность искажения данных.
Выборка часов в потоке данных
В приемнике данные дискретизируются по изменению уровня эталонного тактового сигнала. Чем больше глазковая щель, тем легче перепад тактового сигнала CLK в середину полученного бита для выборки, где он, скорее всего, будет действительным. Если поток данных имеет какое-либо затухание амплитуды или дрожание или содержит какие-либо артефакты из-за отражения, это уменьшит высоту и/или ширину глазковой диаграммы. «Закрытие» сужает допустимое окно данных и действительное битовое время, увеличивая вероятность ошибки на принимающей стороне.
Рис. 2. Чем больше отверстие глаза, тем легче поместить фронт/спад CLK в середину принятого бита для выборки.
Давайте рассмотрим, какое влияние оказывают элементы канала SerDes, таких как дорожки печатных плат, кабели и межсоединения, которые можно рассматривать как линию передачи. Этот тип анализа дает очень четкое представление о потерях при передаче, возникающих в таких системах, как смартфон или планшет.
Высокие частоты и эффекты линии передачи
Как правило, инженеры считают сигнал «низкочастотным», если его длина волны намного больше, чем длина провода или дорожки печатной платы, а сопротивление дорожек печатной платы канала и межсоединений не зависит от частоты. В этих условиях эффекты линии передачи, возникающие в результате взаимодействия между сигналом и его каналом, можно считать незначительными.
И наоборот, конструкции считаются «высокочастотными», когда длина волны сигнала намного меньше длины дорожки провода/печатной платы. В этом случае необходимо контролировать все физические свойства дорожек и размеры межсоединений, чтобы создать линию передачи с набором электрических характеристик, подходящих для данного устройства. Уравнение 1 описывает взаимосвязь между длиной волны и частотой как функцию скорости распространения в линии передачи.
Разработчики должны начать рассматривать межсоединения как линию передачи, когда длина трассы начинает приближаться или превышать 1/10 длины волны самой высокой частоты сигнала. На данный момент единственный способ понять поведение канала — это смоделировать трассы с использованием сосредоточенных элементов и рассмотреть все частотно-зависимые элементы в канале. Сюда входят паразитные емкости и индуктивности, а также их влияние на затухание сигнала.
Другой способ решить, на какой частоте межсоединение следует рассматривать как линию передачи, — это рассмотреть время нарастания сигнала (tr). Кроме того, длины волн сигналов SerDes со скоростью несколько Гбит/с достаточно малы, чтобы дорожки межсоединений в устройствах, изготовленных с использованием большинства современных технологических узлов sub-nm, начали приближаться к критериям 1/10 λ, обсуждавшимся ранее, и имеют чрезвычайно резкие подъемы и спады. В этих условиях канал или межсоединение следует рассматривать как линию передачи. Когда сигнал SerDes проходит через канал, его полоса пропускания и характеристики распространения определяются временем нарастания сигнала.
Скорость распространения
Поскольку сигналы представляют собой электромагнитные волны, скорость их распространения во многом определяется диэлектрической проницаемостью окружающего их материала. Формула скорости распространения:
Скорость волны при передаче без потерь в свободном пространстве (диэлектрическая проницаемость равна 1) составляет около 3 × 108 м/с и, как показывает уравнение 3, будет меняться в зависимости от диэлектрической проницаемости. В результате линия передачи с диэлектрической проницаемостью 4 снизит скорость распространения сигнала вдвое, примерно до 1,5 × 108 м/с.
Разница между скоростью волны, распространяющейся в свободном пространстве, и скоростью печатной платы вызовет задержку между двумя сигналами, обычно называемую задержкой распространения (Td). Как показано в уравнении 4, значение Td будет зависеть как от диэлектрических значений двух сред, так и от расстояния, которое должен пройти сигнал:
Td = distance traveled/ Vp(prop speed) (4)
Что происходит, когда один сигнал (CLK) распространяется по внешнему слою печатной платы, а другой сигнал (данные) распространяется по одному из внутренних слоев печатной платы? Канал сигнала CLK имеет свободное пространство с одной стороны и диэлектрик печатной платы с другой, в то время как сигнал данных окружен с обеих сторон диэлектрической проницаемостью печатной платы. Насколько это меняет дело?
Во многих приложениях высокочастотные сигналы должны проходить через межсоединения или гибкие кабели, а также по дорожкам на печатной плате, которые мы обсуждали. Оба этих элемента имеют другие значения импеданса и диэлектрической проницаемости, чем дорожки печатной платы, что вызывает отклонения как амплитуды, так и времени. Эти эффекты и любые дополнительные потери, вызванные снижением скорости сигнала, перекрестными помехами или любой энергией, поглощаемой диэлектрическим материалом, будут создавать случайные отклонения как во времени, так и в амплитуде, обычно называемые джиттером.
Рис. 3 Любые дополнительные потери, вызванные снижением скорости сигнала, перекрестными помехами или любой энергией, поглощаемой диэлектрическим материалом, создают джиттер.
Именно здесь разработчики должны использовать теорию линий передачи, чтобы согласовать время прохождения двух сигналов. Поскольку сигнал данных, проходящий во внутреннем слое печатной платы, будет распространяться медленнее, нам придется сократить длину канала данных, чтобы он соответствовал времени прохождения сигнала CLK.
Скин эффект
Если мы наблюдаем за отрезком проводника (обозначенной C1), пока через него проходит ток I(t), закон Ампера говорит, что будет генерироваться магнитный поток, и что он будет пропорционален току, протекающему через проводник.
Если мы рассмотрим только один проводник без каких-либо других проводников в непосредственной близости, то линии потока (B1) будут создавать циркулирующий вихревой ток в проводнике C1 в направлении, противоположном полю B1.
Рис. 4. На этой диаграмме показано перераспределение тока, вызванное скин-эффектом.
Если ток меняет полярность, вихревые токи будут создавать сопротивление реверсированию тока, тем самым увеличивая импеданс проводника по переменному току. Этот эффект больше всего проявляется в сердцевине проводника, тем самым направляя большую часть тока к его поверхности, создавая так называемый скин-эффект. По мере увеличения частоты скин-эффект ограничивает токи меньшей частью толщины проводника, увеличивая его эффективное сопротивление и соответствующие потери. Последствия такого поведения можно рассчитать с помощью уравнения 5.
Рис. 5. Потеря сигнала из-за частоты и линии трассировки.
Линия передачи и волновое сопротивление Zo
Напряжения и токи внутри линии передачи перемещаются вместе и зависят как от положения (x), так и от времени (t). Характеристическое сопротивление (Zo) линии передачи зависит от частоты и может быть описано как отношение бегущей волны напряжения к бегущей волне тока (уравнение 6).
Рис. 6. На этой диаграмме показаны V и I в линии передачи.
В идеальных условиях фазы волн напряжения V(x,t) и тока I(x,t) не возмущаются и синхронно достигают конечного импеданса. Если нет других усложняющих факторов, закон Ома требует, чтобы V(x,t)/I(x,t) было равно оконечному импедансу (ZL)
Рис. 7. Если нет других осложняющих факторов, закон Ома требует, чтобы Zo было равно ZL.
Во второй части этой статьи мы рассмотрим, как реальные проблемы, такие как паразитные помехи и несоответствия импеданса, которые требуют дополнительного анализа, моделирования и компенсации.
Источник: www.edn.com