Augendiagrammanalyse für 10-Gbit/s-SerDes: Validierung Ihres Kanals vor dem Spin

Das Problem mit dem Vertrauen in Ihr Layout-Tool

Sie haben eine 10-Gbit/s-SerDes-Lane — eine PCIe Gen 3- oder XAUI-Verbindung — über eine 20-cm-FR-4-Trace mit zwei Edge-Mount-SMA-Anschlüssen geleitet. Der DRC ist grün, die Impedanz beträgt auf dem Papier eine Differenz von 100 Ω, und die Leiterbahn ist gerade und weist nur minimale Durchkontaktierungen auf. Sollte in Ordnung sein, oder?

Vielleicht. Vielleicht nicht. Bei 10 Gbit/s beträgt Ihre Nyquist-Frequenz 5 GHz, und FR-4 verliert bei dieser Frequenz je nach Laminatqualität etwa 0,5—1 dB/cm. Ein Lauf von 20 cm entspricht einer Einfügedämpfung von 10—20 dB, noch bevor Sie die Stecker überhaupt berührt haben. Fügen Sie zwei Stecker mit jeweils 1—2 dB hinzu und Sie haben einen Kanal mit einer Gesamtdämpfung von 12—24 dB bei Nyquist — möglicherweise genug, um das Auge vollständig zusammenzubrechen.

Die einzige Möglichkeit, das mit Sicherheit herauszufinden, ohne ein Brett zu drehen, besteht darin, das Augendiagramm anhand der gemessenen S-Parameter zu simulieren.

Was Sie benötigen: Eine 2-Port-S-Parameter-Datei

Erfassen Sie die Reaktion Ihres Kanals mit einem VNA, bevor Sie das Augendiagramm-Tool öffnen. Die Datei sollte wie folgt lauten:

• Format: Touchstone .s2p (2 Anschlüsse)
• Frequenzbereich: 10 MHz bis mindestens 15 GHz (eine gute Regel ist das Dreifache der Datenrate)
• Punkte: 1001 oder mehr, mit logarithmischem Abstand oder linearem Abstand, beide funktionieren
• Port-Referenzimpedanz: 50 Ω, einseitig (eine 100-Ω-Differenz für ein Differentialpaar erfordert eine Messung vom Typ .s4p mit 4 Anschlüssen oder eine Messung mit 2 Anschlüssen für den S21 im gemischten Modus)

Wichtige Parameter, die Sie überprüfen sollten, bevor Sie die Simulation überhaupt ausführen: Wenn S21 bei 5 GHz auf dem VNA bereits −18 dB oder schlechter ist, bestätigt die Augensimulation, dass das Auge geschlossen ist — und Sie müssen handeln, bevor Sie erneut drehen.

Das Eye Diagram Tool einrichten

Laden Sie Ihre S2P-Datei in das [Eye Diagram Tool] (/tools/eye-diagram) hoch und konfigurieren Sie die folgenden Parameter:

Das Tool kombiniert den Frequenzbereich Ihres Kanals (aus den S-Parametern) mit dem PRBS-Bitstream, wendet die angegebene TX-Wellenform an und überlagert dann alle UI-Perioden übereinander, um das Auge zu bilden.

Ergebnisse lesen: Offen oder geschlossen

Ein gesundes Auge bei 10 Gbit/s sollte Folgendes anzeigen:

„MATHBLOCK_0“

„MATHEMATISCHER BLOCK_1“

Das Tool meldet diese Zahlen direkt. Als grobe Richtlinie:

Ein typischer 20-cm-FR-4-Lauf mit Isola FR408 (einem Laminat, das besser ist als herkömmliches Material) könnte zu einer Augenhöhe von 180 mV und einer Breite von 0,46 UI führen — marginal, aber passabel. Wenn Sie auf FR-4 (Tg 135) umsteigen, fällt dieselbe Geometrie häufig auf 80 mV und 0,28 UI ab: ein geschlossenes Auge, ausgefallene Verbindung.

Was ist zu tun, wenn das Auge geschlossen ist

Option 1: Leiterbahnlänge reduzieren. Die einfachste Lösung. Wenn Sie das Routing auf 12 cm statt 20 cm umleiten können, werden Sie eine Einfügedämpfung von ca. 4—8 dB ausgleichen. Zur Bestätigung erneut simulieren. Option 2: Wechseln Sie zu einem Laminat mit geringerem Verlust. Durch die Umstellung von Standard-FR-4 auf ein Laminat mit mittlerer Dämpfung wie Isola 370HR oder Panasonic Megtron 6 wird der Verlust bei 5 GHz um 30— 50% reduziert. Mit dem [Rechner für kontrollierte Impedanz] (/calculators/pcb/controlled-impedanz) können Sie überprüfen, ob die neuen Abmessungen des Lacks Ihrem 100-Ω-Ziel entsprechen. Option 3: Fügen Sie einen CTLE- oder DFE-Equalizer hinzu. Die meisten 10G-SerDes-PHYs verfügen über einen kontinuierlichen linearen Equalizer (CTLE) mit einstellbarem Peaking. Ein CTLE mit einem Spitzenwert von 6 dB bei 5 GHz kann Kanäle mit einer Einfügedämpfung von bis zu -22 dB retten. Führen Sie die Simulation erneut aus, wobei die CTLE-Übertragungsfunktion angewendet wird, um das ausgeglichene Auge zu sehen. Option 4: Trennen Sie die Stecker. Wenn Ihre VNA-Messung Geräteeinführungen oder Anschlussflächen beinhaltet, die Sie im endgültigen Design nicht verwenden, entfernen Sie diese. Selbst ein künstlicher Verlustausgleich von 1 dB kann dazu führen, dass ein Randauge in die Passzone gerät.

Ein Hinweis zu Via Stub Resonance

Ein Fehlermodus, den die S-Parameter-Simulation abfängt, bei Layoutprüfungen aber völlig übersehen wird: über Stub-Resonanz. Ein Durchgangsloch auf einer 1,6-mm-Platine mit einem 0,8-mm-Stummelstutzen schwingt bei ungefähr:

„MATHBLOCK_2“

Das liegt deutlich über 5 GHz, ein Standard-Via ist also in Ordnung. Aber ein 3,2-mm-Stummel (häufig, wenn Sie in der Mitte einer dicken Rückwandplatine rotieren) schwingt in der Nähe von 12 GHz mit — und das sorgt für eine Einkerbung, die einem ins Auge sticht. Der [Via Stub Resonance Calculator] (/calculators/pcb/via-stub-resonance) meldet dies, bevor Sie die S-Parameter überhaupt erfassen.

Bevor Sie die Dateien an Fab senden

Das Augendiagramm-Tool macht aus einer Layoutüberprüfung nach Bauchgefühl eine quantitative Pass/Fail-Entscheidung. Laden Sie das gemessene .s2p hoch, geben Sie Ihre Linkparameter ein und schauen Sie sich zwei Zahlen an: Augenhöhe und Augenbreite. Wenn sich beide in der grünen Zone befinden, bestätige. Wenn nicht, weißt du genau, an welchem Knopf du drehen musst, bevor du Geld für einen Board-Spin ausgibst.

[Führen Sie die Augendiagramm-Simulation aus] (/tools/eye-diagram)