Analyse von Augendiagrammen: Validierung von 10-Gbit/s-SerDes

Warum dein Layout-Tool nicht weiß, ob dein Link funktioniert

Sie haben gerade das Routing einer 10-Gbit/s-SerDes-Lane abgeschlossen — vielleicht ist es PCIe Gen 3, vielleicht XAUI — und es sieht ziemlich sauber aus. Zwanzig Zentimeter FR-4, zwei randmontierte SMA-Anschlüsse, die Differenzimpedanz liegt bei 100 Ω, und Ihr DRC wurde ohne eine einzige Verletzung bestanden. Die Spur ist gerade, Sie haben die Durchkontaktierungen auf ein Minimum reduziert. Fühlt sich an wie ein Sieg.

Aber hier ist die Sache: Bei 10 Gbit/s haben Sie es mit einer Nyquist-Frequenz von 5 GHz zu tun, und FR-4 blutet das Signal wie verrückt da oben. Je nachdem, welchen Grad von FR-4 Sie gewählt haben (und seien wir ehrlich, die meisten von uns nehmen einfach, was das Board House anbietet), verlieren Sie bei dieser Frequenz irgendwo zwischen 0,5 und 1 dB pro Zentimeter. Rechnen Sie bei einem Lauf von 20 cm nach und schon sind Sie um 10 bis 20 dB niedriger, bevor das Signal überhaupt auf einen Stecker trifft. Wenn Sie weitere 1—2 dB pro Stecker hinzufügen — und Sie haben zwei davon — und plötzlich haben Sie bei Nyquist eine Gesamteinfügedämpfung von 12 bis 24 dB.

Das reicht aus, um das Auge komplett zum Kollabieren zu bringen. Ihr Empfänger sieht keine sauberen Einsen und Nullen mehr; er wird ein verschwommenes Durcheinander sehen.

Die einzige Möglichkeit, wirklich zu wissen, ob Ihr Kanal funktioniert, ohne das Spielbrett zu drehen und zu beten, besteht darin, das Augendiagramm mit echten S-Parametern zu simulieren. Lassen Sie mich Ihnen erklären, wie das geht.

Die Daten abrufen: Messen Sie Ihren Kanal mit einem VNA

Das Wichtigste zuerst: Sie benötigen eine 2-Port-S-Parameter-Datei von einem Vektor-Netzwerkanalysator. Wenn Sie das richtig machen, sollte diese Datei wie folgt aussehen:

• Format: Standard Touchstone .s2p Datei
• Frequenz-Sweep: Beginnen Sie bei 10 MHz und steigen Sie auf mindestens 15 GHz hoch (als Faustregel verwende ich gerne die dreifache Datenrate)
• Anzahl der Punkte: 1001 oder mehr — es spielt keine Rolle, ob Sie den Log-Abstand oder den linearen Abstand verwenden, beide funktionieren einwandfrei
• Referenzimpedanz: 50 Ω, einseitig (wenn Sie ein Differentialpaar richtig messen, benötigen Sie eine .s4p-Datei mit 4 Anschlüssen oder mindestens eine Aufnahme des S21 im gemischten Modus, aber zur schnellen Überprüfung sind Sie mit 50 Ω Single-Ended schon im Baseballfeld)

Bevor Sie den Augendiagramm-Simulator überhaupt starten, sollten Sie sich einige wichtige S-Parameter genau ansehen. Sie werden dir sagen, ob du bereits in Schwierigkeiten steckst: Wenn dein S21 bei 5 GHz bereits bei −18 dB oder noch schlimmer liegt, kann ich dir jetzt sagen: Das Auge wird geschlossen. Die Simulation bestätigt nur, was Sie bereits vermuten, und Sie müssen den Kanal korrigieren, bevor Sie überhaupt daran denken, Boards zu bestellen.

Konfiguration der Augendiagramm-Simulation

In Ordnung, Sie haben Ihre S2P-Datei. Gehen Sie zum Augendiagramm-Tool und geben Sie die folgenden Einstellungen ein:

Was das Tool macht, ist ziemlich clever: Es nimmt den Frequenzgang Ihres Kanals (das sind die S-Parameter), faltet ihn mit einer pseudozufälligen Bitfolge, wendet die von Ihnen angegebene TX-Wellenform an und überlagert dann jedes Einheitsintervall übereinander. Dieses Overlay ist dein Augendiagramm.

Wie ein gutes Auge aussieht (und wie ein schlechtes Auge aussieht)

Wenn du mit 10 Gbit/s läufst, sollte dir ein gesundes Auge Folgendes bieten:

Das Tool spuckt diese Zahlen direkt aus, was praktisch ist, weil Sie nicht auf die Handlung blinzeln müssen, um Dinge von Hand zu messen. Hier ist ein kurzer Spickzettel zur Interpretation dessen, was Sie sehen:

Lassen Sie mich Ihnen ein konkretes Beispiel geben. Nehmen wir an, Sie haben eine 20-cm-Spur auf Isola FR408, was eine Verbesserung gegenüber dem billigen Zeug ist. Möglicherweise sehen Sie eine Augenhöhe von etwa 180 mV und eine Breite von etwa 0,46 UI. Das ist marginal, aber praktikabel. Nehmen wir nun genau dieselbe Geometrie und verwenden Sie den Standard-FR-4 (das Tg 135-Zeug, das die meisten Boardhäuser standardmäßig auf Lager haben) und beobachten Sie, wie diese Zahlen auf vielleicht 80 mV Höhe und 0,28 UI-Breite sinken. Das ist ein geschlossenes Auge. Deine Verbindung funktioniert nicht. Du bist fertig.

Ein geschlossenes Auge reparieren: Ihre Möglichkeiten

Also kam die Simulation zurück und das Auge ist fest verschlossen. Und was jetzt? Du hast ein paar Hebel, die du ziehen kannst.

Verkürzen Sie die Trace. Dies ist die einfachste Lösung, wenn Ihr Layout dies zulässt. Schneiden Sie den 20 cm langen Lauf auf 12 cm herunter und Sie stellen sofort eine Einfügedämpfung von etwa 4 bis 8 dB wieder her. Führen Sie die Simulation erneut aus und prüfen Sie, ob das ausreicht, um die Dinge zu öffnen. Rüsten Sie Ihr Laminat auf. Standard FR-4 tötet Sie bei hohen Frequenzen. Wechseln Sie zu einem Material mit mittlerem Verlust — Isola 370HR, Panasonic Megtron 6, etwas aus dieser Klasse — und Sie reduzieren Ihren Verlust bei 5 GHz um 30 bis 50 Prozent. Stellen Sie einfach sicher, dass Sie Ihre Impedanz erneut mit dem Controlled Impedance Calculator überprüfen, da der neue Lagenaufbau Ihre Leiterbahngeometrie verändert. Schalten Sie die Entzerrung ein. Die meisten 10-Gbit/s-SerDes-PHYs verfügen über einen eingebauten kontinuierlichen linearen Equalizer (CTLE), in der Regel mit einstellbarem Peaking. Wenn Sie einen Boost von 6 dB bei 5 GHz einstellen können, können Sie Kanäle mit einer Einfügedämpfung von bis zu -22 dB retten. Bei einigen Tools können Sie die CTLE-Übertragungsfunktion direkt in der Simulation anwenden, sodass Sie das ausgeglichene Auge sehen können, bevor Sie einen Commit ausführen. Entbetten Sie Ihre Testgeräte. Wenn Ihre VNA-Messung Startstrukturen oder Anschlussflächen umfasste, die im endgültigen Design nicht enthalten sind, können Sie diese herausnehmen. Selbst die Wiederherstellung eines künstlichen Verlustes von 1 dB kann manchmal dazu führen, dass ein marginales Auge in den Bereich gerät, an dem man vorbeikommt. Die meisten Entwickler überspringen diesen Schritt und bereuen ihn später, wenn sie ein Board debuggen, das hätte funktionieren sollen.

Das Via-Stub-Problem, über das niemand spricht

Hier ist ein Fehlermodus, den die S-Parameter-Simulation abfängt, aber Ihr Layout-DRC wird komplett übersehen: per Stub-Resonanz.

Nehmen wir an, Sie haben eine Durchgangsöffnung auf einer 1,6-mm-Standardplatine und es bleibt ein 0,8-mm-Stummel übrig. Dieser Stummel wird ungefähr folgende Resonanz haben:

Okay, 47 GHz liegt weit über Ihrer 5-GHz-Nyquist-Frequenz, also geht es Ihnen gut. Aber jetzt stell dir vor, du leitest durch die Mitte einer dicken Backplane und hast am Ende einen 3,2 mm großen Stummel. Plötzlich sinkt die Resonanz auf etwa 12 GHz — nahe genug an Ihrer Signalbandbreite, dass sie Ihrem Frequenzgang eine fiese Kerbe verleiht. Diese Kerbe zeigt sich als ein Biss, der aus Ihrem Augendiagramm herausgenommen wurde, und Sie werden ihn erst kommen sehen, wenn Sie die Platine ausmessen.

Wenn Sie dies im Voraus überprüfen möchten, sagt Ihnen der Via Stub Resonance Calculator genau, wo Ihre Resonanz landet, bevor Sie sich überhaupt die Mühe machen, S-Parameter zu erfassen.

Das Fazit: Messen, Simulieren, dann Festschreiben

Schauen Sie, das Augendiagramm-Tool macht aus einer ursprünglich aus dem Bauch heraus getroffenen Layoutentscheidung etwas, das Sie tatsächlich quantifizieren können. Sie laden Ihre gemessene S2P-Datei hoch, geben Ihre Linkparameter ein und Sie erhalten zwei kritische Zahlen zurück: Augenhöhe und Augenbreite. Wenn beide bequem im grünen Bereich sind, großartig — schicken Sie die Gerber zum Fab und machen Sie mit Ihrem Leben weiter. Wenn nicht, weißt du genau, an welchem Knopf du drehen musst, bevor du Geld für einen Brettdreh verschwendest, der nie funktionieren würde.

Es geht nicht darum, paranoid zu sein. Es geht darum, nicht überrascht zu sein, wenn man das Board hochfährt und die Verbindung nicht funktioniert. Bei 10 Gbit/s sind die Margen so dünn, dass Sie es sich nicht leisten können, sie zu erraten.

Führen Sie die Augendiagramm-Simulation aus