Практическое руководство по целостности сигнала в высокоскоростных приложениях SerDes (Часть 2)
В части 1 мы рассмотрели основные характеристики высокоскоростных каналов SerDes. В этой статье основное внимание уделяется реальным проблемам, таким как паразитные помехи и несоответствия импеданса, которые требуют дополнительного анализа, моделирования и компенсации.
Простые ситуации, описанные в первой части этой серии, редко встречаются в реальных приложениях. Ситуация усложняется, когда высокочастотные сигналы проходят по неидеальным путям, таким как переходное отверстие печатной платы, которое служит проводником от одного слоя печатной платы к другому, создавая изменение импеданса.
На рис. 1 показаны слои, дорожки и переходные отверстия, обычно встречающиеся в печатных платах. Помимо изменения импеданса при каждом переходе, на сигналы влияют паразитные эффекты как собственной, так и взаимной емкости и индуктивности.
Рис. 1. Слои, дорожки и переходные отверстия печатных плат.
Для многих приложений мы можем создать модель, учитывающую эти эффекты, используя технику, называемую «сосредоточенными элементами», которая пытается зафиксировать комбинированные паразитные индуктивности, емкости, скин-эффект и сопротивление постоянному току, которые присутствуют в любой системе (Рис. 2). Паразитная емкость (Cdx) может изменять распределение тока в канале, вызывая изменение волнового сопротивления линии передачи, что, в свою очередь, вызывает изменение Zo.
Рис. 2. Метод сосредоточенных элементов пытается зафиксировать комбинированные паразитные индуктивности, емкости др. параметры
На рис. 3 показано, как скин-эффект уменьшает амплитуду входящего сигнала, а паразитные индуктивности, присутствующие в канале, могут ухудшать время нарастания и спада напряжения на нагрузке. Если они каким-либо образом не компенсированы, эти паразитные эффекты ухудшают фронт/спад тактовых сигналов и сигналов данных, которые необходимы схемам приемника для их точного восстановления.
Рис. 3. Паразитные эффекты ухудшают перепад тактовых сигналов и сигналов данных.
Коэффициент отражения
Когда высокочастотный сигнал проходит между различными элементами канала, например, от дорожки печатной платы к переходному отверстию, а затем обратно к трассе на другом слое печатной платы, будет наблюдаться изменение импеданса при каждом переходе. Контролируя эти паразитные эффекты и правильно завершая линию передачи, он может передавать сигналы с минимальными искажениями.
Когда импеданс оконечной нагрузки (ZL) не равен характеристическому импедансу линии (Zo), создается пара отраженных волн напряжения и тока, которые объединяются с сигналом источника, тем самым искажая его.
Обратите внимание, что когда ZL равно Zo, коэффициент отражения напряжения равен нулю. Это указывает на то, что вся падающая волна поглощается согласованием нагрузки (т. е. вся переданная энергия принимается). Когда волны напряжения и тока сигнала распространяются вместе и достигают конечного импеданса в правильном соотношении фаз, общая падающая волна плюс любые отраженные волны V/I должны быть равны ZL.
Рис. 4. Когда волны напряжения и тока сигнала распространяются вместе и достигают конечного импеданса в правильном соотношении фаз, общая падающая волна плюс любые отраженные волны V/I должны быть равны ZL.
Рассогласование импедансов и отражения
Чтобы понять эффект согласования и рассогласования импедансов, давайте рассмотрим линию передачи 50 Ом, нагруженную на оконечное сопротивление 150 Ом, или схему с передаточным демпфированием (Рис. 5). Для простоты мы установим импеданс батареи равным нулю, который направляет отраженную волну обратно к нагрузке. В этом примере давайте установим временную задержку (td=расстояние/Vp), чтобы волна прошла заданную длину. Теперь замкнем ключи и посмотрим, что происходит на нагрузке.
Рис. 5. Рассмотрение последовательности отраженных волн поможет нам понять эффект согласования и рассогласования импедансов.
Формы сигналов на Рисунке 6 иллюстрируют, как серия волн, генерируемых последовательными отражениями между источником и импедансом оконечной нагрузки, объединяется с сигналом источника и ухудшает его, а также создает звон в сигнальной линии.
Рис. 6. Форма сигнала показывает, что отражение вызывает звон.
При расчете коэффициента отражения как на конце, так и на источнике мы можем определить количество падающей волны, которая достигнет окончания, а также амплитуду волны, которая будет отражена обратно к источнику.
Важно знать эти значения, так как звон при перерегулировании может привести к более высоким напряжениям, которые могут вызвать перегрузку электронных устройств, или к увеличению излучаемых помех, которые создают больше перекрестных помех между соседними дорожками. Недорегулирование может быть вызвано либо звоном, либо провалом в шине напряжения во время переходного периода отклика. Любой из них увеличит вероятность более высокого коэффициента битовых ошибок канала.
Драйверы-повторители
Для многих мобильных приложений общий бюджет потерь, рассчитанный в дБ, который объединяет все потери в каналах межсоединений, может быть ценным инструментом для понимания проекта. Бюджет потерь включает в себя все, что находится на пути от кремния к разъему, например корпус кремния, дорожки на печатной плате, переходные отверстия, изгибы, синфазный фильтр и разъем. В этом примере мы будем использовать канал USB 3.1 Gen 2, работающий на скорости 10 Гбит/с.
Чтобы поддерживать хорошее качество сигнала без ограничения размера печатной платы и размещения устройств, использование повторных драйверов для усиления сигналов, которые должны проходить по длинным каналам, является наиболее экономичным решением. В типичном приложении, таком как смартфон или планшет, высокоскоростные сигналы высокоскоростного USB-соединения проходят от корпуса процессора APP и контактов к дорожкам печатной платы, а затем через переходные отверстия, разъемы, гибкий кабель и разъем USB. с рассогласованием собственного импеданса. В результате качество сигналов может ухудшаться еще до прохождения по внешнему кабелю USB.
Рис. 7. На этой диаграмме показаны типичные пути прохождения сигнала и ухудшение сигнала.
Когда сигналы распространяются по каналу, они испытывают затухание, и, в зависимости от длины канала, оно может быть достаточно большим, чтобы привести к проблемам с целостностью сигнала при высоких скоростях передачи данных. Этот тип потерь обычно можно компенсировать с помощью восстанавливающего драйвера, устройства усилителя/преобразования сигнала, которое может восстановить слабый сигнал. Увеличивая амплитуду сигнала и заостряя его нарастающие и спадающие фронты, драйвер позволяет сигналу передаваться дальше и уменьшить количество битовых ошибок.
Рис. 8. Использование повторного драйвера улучшает характеристики сигнала.
Повторные драйверы обычно оснащены программируемыми дифференциальными уровнями выходного напряжения, которые помогают согласовать мощность возбуждения с импедансом линии и длиной дорожки, а также выравнивают сигналы. Имейте в виду, однако, что, хотя увеличение амплитуды дифференциального выходного напряжения драйверов поможет улучшить принимаемый сигнал, оно также увеличит шум и джиттер.
Поддержание приемлемой целостности сигнала требует пристального внимания к скин-эффекту, согласованию, отражениям, переходным отверстиям, перекрестным помехам, наложениям и их влиянию на затухание сигнала. Любое межсоединение следует рассматривать как линию передачи, если длина трассы составляет около 1/10 длины волны сигнала.
Факторы, влияющие на целостность сигнала, такие как потери в канале и отражения сигнала, вызванные несоответствием импеданса, возникают при любой передаче данных от процессора через печатную плату, через кабель, по гибкому кабелю и наоборот. Крайне важно, чтобы интерфейс поддерживал согласование импеданса на всем пути прохождения сигнала, чтобы предотвратить отражения и обеспечить максимальную передачу мощности. Любое несоответствие импеданса вызовет отражения в линии, что увеличит джиттер и потенциально ухудшит качество сигнала.
Без повторного драйвера было бы очень сложно или почти невозможно пройти тестирование системы на электрическое и протокольное соответствие при скорости передачи данных >10 Гбит/с. При тестировании как коротких, так и длинных каналов без повторного драйвера общее расстояние канала передачи для данного сигнала с высокой скоростью передачи данных может быть ограничено с меньшей вероятностью взаимодействия между различными устройствами.
Источник: www.edn.com