Soluciones de integridad de señal para el diseño de hardware de alta velocidad
1 Documento – “Guía del diseñador
digital para verificar la integridad de la señal”
Definición de la “Integridad de Señal”
Tecnología Digital Computación / Comunicaciones
Semiconductores / Electrónica Avanzada Integridad de
Señal en Diseño/Análisis Sondas: Donde todo
empieza Análisis Lógico: La visión Digital
Osciloscopios: La visión analógica TLA + TDS =
Digital+Analogico (iView) Análisis de Jitter y Tiempos
Depuración de Integridad de la Señal Soluciones de
Integridad de Señal Nº Literatura # 55S-15465-0
2 La Integridad de Señal (SI) Definida ¿Qué
es la SI?La integridad de la señal implica la
distribución de señales digitales y
analógicas de una parte de un circuito a otra de manera
que la información contenida sea transportada de forma
determinística y fiable.
Ingeniería/Verificación de la SI: La
verificación de la SI ocurre durante la fase de
diseño para asegurar que un sistema cumple o excede las
especificaciones de fabricación, de fiabilidad y de las
normativas de la Industria. 1 0 0 0 1 1 Logic Signal +5 Volt
Supply Ground Text-Book View of Digital Signals Logic Signal +5
Volt Supply Ground Real View of Digital Signals (analog)
3 SI – Problemas y Soluciones (Gp:) Osciloscopios, Sondas y
Analizadores Lógicos Tektronix ….. los
“Ojos” del Ingeniero Integridad de Señal (el
problema) “Integridad” – definida como
“completa y sin defectos” SI en el diseño
analógico/digital consiste en la transmisión de
señales de calidad suficiente, inluyendo la capacidad de
recuperar y reconstruir la señal Fidelidad de Señal
(La Solución de Tektronix) “Fidelidad” es el
grado de exactitud y repetibilidad en la reproduccción de
las señales para su análisis y depuración No
se quiere ser parte del problema cambiando las
características de las señales – Se quiere
ser lo menos intrusivo posible durante la captura,
visualización y análisis de señales.
4 SI – Normativas de la Industria Buscar: AC Parametrics,
AC Specs, AC Timing, Clock Specs
5 Lo que nos Dicen los Clientes – Tecnologías Velocidades
más elevadas 2.5 Gb/s PCI Express (3GIO) 3.125 Gb/s XAUI
333 MHz DDR 1+ GHz RDRAM 3.125Gb/s SFI-5 2.5 Gb/s InfiniBand 1.6
GHz HyperTransport (Gp:) CPU (Gp:) 3GIO (Gp:) Switch (Gp:)
MobileDocking (Gp:) 3GIO (Gp:) Memory (Gp:) Local I/O (Gp:)
Graphics (Gp:) HDD (Gp:) Serial ATA (Gp:) PCI (Gp:) Memory Bridge
(Gp:) MobileDocking (Gp:) MobileDocking (Gp:) USB 2.0 (Gp:) I/O
Bridge (Gp:) 3GIO (Gp:) 3GIO
6 La Innovación Crea Problemas de SI Las velocidades en
uso actualmente crean más problemas de integridad:
Arquitectura de buses síncronos más rápidos
Relojes y Datos más rápidos Transiciones más
cortas Tiempos de “setup & hold” más
críticos Problemas eléctricos y físicos
Excursiones de tensión menores Señales
diferenciales de alta velocidad Interconexiones de impedancia
controlada Dificultad de conexión Interfases Opticas /
Eléctricas Hoy – Los diseñadores digitales
necesitan obtener visibilidad de las características
analógicas de sus señales digitales
7 SI – Problemática de Diseño (Gp:) Elect /
Optical Signal Conformance Test (Gp:) Jitter Analysis (Gp:)
Timing Margins (Gp:) Signal Integrity (Gp:) Prototype Debug
“Para conseguir diseños fiables hay que analizar
cuidadosamente el comportamiento temporal, la distribución
de la placa de circuito, la Integridad de Señal, las EMI,
y la termodinámica del sistema” Pete Mueller, Intel
Los diseños incorporan más comunicaciones serie Las
velocidades de datos más elevadas a menudo requieren de
interconexiones ópticas
8 Los Requerimientos de Medida de la SI según Nuestros
Clientes Tiempos de subida menores de 200ps Jmedidas de jitter de
50ps pp Medidas Opticas y Diferenciales Tiempos S&H menores
200ps Sin transmisión de reloj Conformidad con
máscaras estándar Medidas específicas de la
aplicación Análisis de datos en serie La integridad
de señal es nuestro mayor problema
9 SI – Problemática de Medida Velocidades de datos y
reloj mayores Tiempos subida/bajada más rápidos
Tiempos S&H más cortos Especificaciones de jitter
más exigentes Excursiones de tensión menores
Señales diferenciales Problemas de impedancia y
terminación Arquitecturas de bus síncronas Mayor
número de señales a observar Dificultad de acceso
Dificultad de depuración Los diseñadores digitales
necesitan correlacionar las características digitales y
analógicas de un SUT
10 Medidas de “Conformidad” en Osciloscopios Ejemplo
InfiniBand: Consideraciones sobrer el ancho de banda
eléctrico del sistema: BW Osciloscopio = bit rate
eléctrico X 1.8 (regla aproximada de las especificaciones
Fiber Channel) Para InfiniBand Eléctrico @ 2.5 Gb/s
signinfica > 4.5 GHz (para XAUI @ 3.125 Gb/s significa 6GHz)
Consideraciones sobrer el ancho de banda óptico del
sistema : BW Sistema= bit rate óptico X 0.75 BW filtrado
por el Receptor Optico de Referencia (ORR) para STM-16 –3db
@1.87GHz, los límites se extienden hasta 4GHz
11 SI – Ancho de Banda/Precisión Amplitud A la
frecuencia de corte a 3dB, el error de amplitud será ~
30%. La especificación de error de amplitud es
típicamente del 3% max. REGLA: Especificar el conjunto
Osciloscopio + Sonda con un BW del sistema de 3 a 5 veces mayor
que el de la señal a medir. (Gp:) trise (Gp:) 0.35 * (Gp:)
BW = (Gp:) * Esta constante se basa en un modelo de 1er orden –
en osciloscopios de altísimo ancho de banda la constante
puede llegar a ser tan alta como 0.45 (Gp:) 70.7 (- 3 dB) (Gp:)
0.1 (Gp:) 0.2 (Gp:) 0.3 (Gp:) 0.4 (Gp:) 0.5 (Gp:) 0.6 (Gp:) 0.8
(Gp:) 0.9 (Gp:) 1.0 (Gp:) 0.7 (Gp:) 100 (Gp:) 97.5 (Gp:) 95 (Gp:)
92.5 (Gp:) 90 (Gp:) 87.5 (Gp:) 85 (Gp:) 82.5 (Gp:) 80 (Gp:) 77.5
(Gp:) 75 (Gp:) 72.5 (Gp:) } 3% (Gp:) Frecuencia Normalizada (Gp:)
Amplitud (%) Osciloscopios
12 Ancho de Banda & Armónicos Onda Cuadrada Digital
– Suma de Componentes Impares -1 0 1 0 50 100 (Gp:)
Fundamental (1er Armónico) (Gp:) 5o Armónico (Gp:)
3er Armónico (Gp:) Suma Fourier (1er-5o
Armónico)
13 Consideraciones sobre Flancos Rápidos (Gp:)
Non-Monotonic (Non-Linearity) Hay que asegurarse de que las
sondas y el sistema de medida no son las causas de estos
problemas.
14 Flanco de Bajada No-Monotónico Causa un
“Glitch” Digital Se produce por una pista de 8 cm en
el PCB Glitches Glitch (vista digital) Glitch (vista
analógica)
15 (Gp:) Igual BW de la transición Doble que el BW Tres
veces el BW Cinco veces el BW (Gp:) Ancho de Banda
Osciloscopio/Sonda: (Gp:) 41% 12% 5% 2% (Gp:) Error Tiempo de
Subida= Consideraciones sobre Flancos Rápidos ¡Lo
que no vemos nos puede dañar! (Gp:) Forma de Onda Real
cuando: BW Osciloscopio= 5X BW Flanco (~2% Error de Tiempo de
Subida) (Gp:) 41% Error de Tiempo de Subida: BW Osciloscopio= BW
(Gp:) REGLA: Especificar el conjunto Osciloscopio + Sonda con un
BW del sistema de 3 a 5 veces mayor que el de la señal a
medir. (Gp:) tr(medición) » [ tr(osciloscopio)2 +
tr(sonda)2 + tr(señal)2 ]
16 Tiempos Setup/Hold < 200ps (Ventana Válidez) Tiempos
s&h Rambus ~200ps DDR <250ps Firewire 1394b skew <100ps
Requiere alineación del orden del ps (Gp:) SETUP TIME
(Gp:) HOLD TIME (Gp:) DATA VALID (Gp:) CLOCK (Gp:) DATA (Gp:) A
(Gp:) B (Gp:) C Utillaje de Alineación (Deskew)
17 Especificaciones de Integridad de la Señal Medidas:
Overshoot, Undershoot, Ringback Monotonicidad (Linealidad) (Gp:)
Diagrama de Ojo: p.e. USB
18 Consideraciones Sobre la SI Respuesta Transitoria Tiempos
Subida/Bajada Overshoot / Undershoot Fidelidad de Señal
Carga Capacidad Análisis TDR Caracterización
Impedancia Conectores, backplanes, etc.
19 Análisis de Datos Serie – Un Nuevo Reto Muchas
tecnologías requieren conformidad con estándares de
“diagrama de ojo” o Máscaras Serie Captura de
paquetes de datos relevantes medioante disparo de patrón
serie (ST) Recuperación de Reloj (CR)
20 Búsqueda de Eventos en Datos Serie Disparo de Patron
Serie Depuración más simple Permite el aislamiento
de fallos dependientes de los datos en un único disparo
durante pruebas de funcionamiento y conformidad Es preciso en la
actualidad
21 Diagramas Ojo – Calidad Transmisión (SI) Revela
las características combinadas del emisor Tiempos de
Subida y Bajada Overshoot, Undershoot y Ringing (Ringback) Ciclo
de Trabajo (Duty Cycle) Jitter y Ruido Una apertura mayor indica
una mayor tolerancia a ruido y jitter Una apertura mayor indica
mejor sensibilidad del receptor Una gran anchura de la traza y
las transiciones indica un degradación de la sensibilidad
del receptor La apertura del ojo se correlaciona con el Jitter y
el BER (JIT3) (Gp:) Jitter (Gp:) Ruido Apertura Ojo
22 Respuesta del Receptor de Referencia Optico H(?) (Gp:) Optical
Reference Receiver (ORR) (Gp:) EO (Gp:) OI (Gp:) H(?) (Gp:) O/E
converter (Gp:) Filter Gráfico que muestra la respuesta
real de un filtro de Bessel-Thomson de 4º orden y la
tolerancia admitida por los estándares SDH/SONET para
STM-16/OC-48 @ 2.488Gb/s.
23 CSA7000: 2.5 Gbit/sec Optico Pantalla Sistema Disparo
Amp/Atenuador Sistema Adquisición HW PLL Reloj Recuperado
Out Del Canal Seleccionado Reloj Recuperado Datos Recuperados Out
Datos Recuperados Ch1 – 4GHz (20GS/s) TX Optico O/E (Gp:)
Conexión del O/E al CH1 (Gp:) Optical Reference Receiver
(ORR) (Gp:) EO (Gp:) OI (Gp:) H(?) (Gp:) Convert. O/E (Gp:)
Filtro (Gp:) Unico del CSA7000
24 Diagramas Ojo / Máscaras en los TDS R-T (Gp:) 100 kb/s
(Gp:) 10 Gb/s (Gp:) 10 Mb/s (Gp:) 1 Mb/s (Gp:) 1 Gb/s (Gp:)
Estándares Com. (rangos medio y bajo) (Gp:) 100 Mb/s (Gp:)
DS1 (Gp:) DS2 (Gp:) OC-1 (STS-1)STM-0 (STM-0E) (Gp:) OC-3 (STS-3)
STM-1 (STM-1E) (Gp:) OC-12 / STM-4 (Gp:) E2 (Gp:) DS3 (Gp:) E3
(Gp:) E1 (Gp:) OC-48 / STM-16 (Gp:) E4 (Gp:) DS4 (Gp:)
Estándares Datos (alta velocidad) (Gp:) FC1063 (Gp:) FC531
(Gp:) FC266 (Gp:) FC133 (Gp:) Gigabit Ethernet (Gp:) InfiniBand
(Gp:) FC2125 (Gp:) IEEE1394b (S1600B) (Gp:) IEEE1394b (S800B)
(Gp:) IEEE1394b (S400B) (Gp:) USB1.1 (Gp:) USB2.0 (Gp:) Ethernet
(Gp:) Serial ATA (Gp:) (Gp:) (hasta 3.2 Gb/s hoy y mayores en el
futuro)
25 Retos de la Conexión (Probing) Señales de alta
velocidad Datos y reloj diferenciales Conectores Componentes de
alta densidad Efectos inductivos Conexiónes a tierra Carga
de las sondas Espacio disponible Densidad
26 Carga de una Sonda, Modelo Simplificado Carga Creciente (Gp:)
Frecuencia de la Señal (Hz) (Gp:) Impedancia Entrada (?)
(Gp:) 100M (Gp:) 10M (Gp:) 1M (Gp:) 100k (Gp:) 10k (Gp:) 1k (Gp:)
100 (Gp:) 10 (Gp:) 1 (Gp:) 100 (Gp:) 1k (Gp:) 10k (Gp:) 100k
(Gp:) 1M (Gp:) 10M (Gp:) 100M (Gp:) 1G (Gp:) 10G (Gp:) Z00.15
pF/500 ? (Gp:) Activa1.0 pF/1 M? (Gp:) 1X Pasiva100 pF/1 M? (Gp:)
10X Pasiva10 pF/10 M? (Gp:) 10X pasiva: la carga llega a
159?@100MHz (Gp:) >1GHz
27 Modelo Preciso Sonda Activa más Rápida Existente
Sonda Activa referida a tierra P7260 con interfaz
TekConnect
28 Sondas – Carga Nueva Sonda FET P7260 6 GHz BW Total del
Sistema ¡Cinput<0.5 pF! ¡Rango Dinámico 6
Vp-p! Rinput 20 KW Tiempo de Subida (TDS6604) 75ps (10-90% Tr)
55ps (20-80% Tr) Requerido para circuitos con Tr de 200ps
29 Low Voltage Differential Signaling (LVDS) Estándares
LVDS (ANSI/TIA/EIA-644 e IEEE 1596.3) Alta velocidad >1 Gb/s,
bajos consumo y ruido InfiniBand: 2.5Gb, nivel diferencial >
175mV, transporte de reloj Sonda Dif. P7330 3.5 GHz 0.5 pF C
LVDS
30 Modelo Preciso Sonda Activa Diferencial más
Rápida Existente Sonda Activa Diferencial P7330 con
interfaz TekConnect
31
32 Jitter – es un gran problem de SI a alta velocidad
¿Qué es el jitter? “la desviación de
un flanco respecto a donde debería estar” Causas del
Jitter: Ruido Térmico Relojes de referencia Ruido
Inyectado (EMI/RFI) Inestabilidades Jitter: “Variaciones a
corto plazo de los instantes significativos de una señal
digital respecto a su posición temporal ideal”
(ITU). FORMA DE ONDA DIGITAL Otras
33 Separación Rj / Dj – requerido por los
últimos estándares Jitter Aleatorio (Rj) RMS
ilimitado, Gausiano Jitter Determinístico (Dj) Pk-Pk
Jitter Periódico (Pj) Distorsión Ciclo de Trabajo
(DCD) Interferencia Intersimbólica (ISI) o Jitter
Dependiente de Datos (DDj) Jitter Total (Tj) Tj = DjPk-Pk + RjRMS
x N (N = 14 para 7 sigma, BER de 10-12)
34 Los Componentes de Jitter Degradan la SI Medida del Jitter
Determinístico (Dj) como las variaciones pico a pico de
las posiciones temporales ideales Fuentes posibles Insuficiente
ancho de banda de la conexión al transmisor óptico
(acoplado en AC) Sobreexcitación del laser (corte o
saturación) induciento tiempos de recuperación
largos Ruido interno (relojes, diafonía) Mediad del Jitter
Aleatorio (Rj) como la desviación estándar (RMS)
Fuentes posibles PLL en la fuente de los datos Ruido en la
polarización del Laser o en la regeneración
temporal de la fuente de los datos Ruido inducido externamente
(ambiental)
35 “Delta Time Accuracy” (DTA) Ejemplo: Para un
TDS6604 de 20GS/s con un cristal de 2.5ppm, midiendo un reloj de
400MHz (periodo de 2.5ns) DTA = (0.06 / SR) + (estabilidad
cristal X medida) = (0.06 / 20GS/s) + (2.5ppm X 2.5ns) o (0.06 X
50ps) + (2.5ppm X 2.5ns) = 3ps + 0.00625ps Obsérvese la
pequeña contribución de la inestabilidad del
cristal en el error total TDS6604 DTA ~ Especificación 3
ps (1.5 ps típica) – ésta es la
precisión (no la resolución) Es el método
para especificar la precisión temporal según la
IEEE1057 Inluye los efectos de la precisión del intervalo
de muestreo y la base de timepos, los error de
cuantización e interpolación, el ruido del
amplificador y el jitter del reloj de muestreo
36 Método en Tiempo Real del TDSJIT3 Método para
Separación Rj / Dj y Estimación BER Basadao en
datos capturados en tiempo real Incluye medidas TIE mediante
“Golden PLL” Descomposición de Jitter con
Análisis Espectral Ancho margen de ruido – trabaja
con un nivel de ruido alto Funciona con secuencias de datos
cortas o largas- no se precisan detalles sólo velocidad de
datos y longitud de la secuencia Disparo en un punto aleatorio de
la secuencia Resultados: Rj, Dj, Pj, DCD, ISI, BER TDS-JIT3: para
TDS5000, CSA/TDS7000, TDS6604
37 Apertura del Ojo y Estimación del BER La
“Apertura del Ojo" se define como la región entre
transiciones de datos para la cual la tasa de error no sobrepasa
el BER especificado o máximo. Se reduce por el jitter Con
separación Rj / Dj, las medidas de jitter se pueden usar
para calcular y representar el VER a viversos niveles vs la
apertura de ojo estimada (también conocida como curva de
la bañera). Los Osciloscopios R-T Tektronix + el software
JIT3 proporciona una excelente aproximación (buena
correlación) con BERT Ejemplo: Fibre Channel @ 1.0625 Gb/s
Apertura Ojo = 57% del UI para BER = 10-12 (Gp:) -0.5 (Gp:) 0
(Gp:) 0.5 (Gp:) 1 (Gp:) 1.5 (Gp:) 10 (Gp:) -15 (Gp:) 10 (Gp:) -10
(Gp:) 10 (Gp:) -5 (Gp:) 10 (Gp:) 0 (Gp:) Bathtub curve (Gp:) Eye
Opening = 0.57UI (Gp:) BER = 10-12 (Gp:) 100% Errors (Gp:) Error
Rates (Gp:) Eye Opening (UI)
38 Estimación del BER (Bit Error Rate) Empieza con TIE PLL
TIE Realiza la FFT Determina frecuencia y velocidad del
patrón Suma componentes relacionados con el patrón
Suma componente no correlacionados Mide RMS de los componentes
restantes Estimación BER
39 Windows / Conectividad y Análisis Conectividad y
Análisis PRESTACIONES INTEGRIDAD ACELERACION (Gp:)
Vnetajas del Entorno PC (Gp:) Impresoras y almacenamiento en red
Recursos de Internet (p.e. email) Soporte de múltiples
pantallas (Gp:) Infrastructura Software (Gp:) TekVISA Controles
ActiveX Excel toolbar (Gp:) Integración PCs Externos y
Ordenadores no-Windows (Gp:) LabVIEW y Lab Windows (PNP)
Aplicaciones UNIX y otros recursos LAN (VXI-11) (Gp:) API para
Windows y UNIX (Gp:) C, C++, Visual Basic, MATLAB y otros Medidas
y análisis definidos por el usuario
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LA VERSIÓN DE DESCARGA