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La Integridad de Señal
¿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.
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Logic
Signal
+5 Volt
Supply
Ground
Text-Book View of Digital Signals
Logic
Signal
+5 Volt
Supply
Ground
Real View of Digital Signals (analog)
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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.
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SI – Normativas de la Industria
Buscar: AC Parametrics, AC Specs, AC Timing, Clock Specs
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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
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La Innovación
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
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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”
Los diseños incorporan más comunicaciones serie
Las velocidades de datos más elevadas a menudo requieren de interconexiones ópticas
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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
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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
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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
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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.
(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
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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)
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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.
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(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 ]
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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)
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Especificaciones
Medidas: Overshoot, Undershoot, Ringback
Monotonicidad (Linealidad)
(Gp:) Diagrama de Ojo: p.e. USB
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Consideraciones
Respuesta Transitoria
Tiempos Subida/Bajada
Overshoot / Undershoot
Fidelidad de Señal
Carga
Capacidad Análisis TDR
Caracterización Impedancia
Conectores, backplanes, etc.
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