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

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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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