Análisis del diagrama ocular: validación de SerDes de 10 Gbps

Por qué tu herramienta de diseño no sabe si tu enlace funcionará

Acabas de terminar de enrutar una línea SerDes de 10 Gbps (tal vez sea PCIe Gen 3, quizás XAUI) y se ve bastante limpia. Veinte centímetros de FR-4, dos conectores SMA montados en el borde, impedancia diferencial bloqueada en 100 Ω y tu DRC pasó sin ninguna infracción. El rastro es recto, mantuviste los visados al mínimo. Se siente como una victoria.

Pero esta es la cuestión: a 10 Gbps, se trata de una frecuencia Nyquist de 5 GHz, y el FR-4 emite una señal sin parar allí arriba. Dependiendo del tipo de FR-4 que elijas (y seamos sinceros, la mayoría de nosotros aceptamos lo que nos ofrece la junta directiva), perderás entre 0,5 y 1 dB por centímetro en esa frecuencia. Haz los cálculos en una carrera de 20 cm y ya habrás perdido entre 10 y 20 dB antes de que la señal llegue a un conector. Añade entre 1 y 2 dB más por conector (y ya tienes dos) y, de repente, te encuentras ante una pérdida total de inserción de 12 a 24 dB en Nyquist.

Eso es suficiente para colapsar completamente el ojo. El receptor ya no verá unos y ceros limpios; verá un lío borroso.

La única forma de saber realmente si tu canal funciona, además de dar vueltas en la pizarra y rezar, es simular el diagrama ocular utilizando parámetros S reales. Déjame explicarte cómo hacerlo.

Obtener los datos: medir tu canal con una VNA

Lo primero es lo primero: necesita un archivo de parámetros S de 2 puertos de un analizador vectorial de redes. Si lo estás haciendo bien, este es el aspecto que debería tener ese archivo:

• Formato: Archivo Touchstone .s2p estándar
• Barrido de frecuencia: Empieza a 10 MHz y sube al menos a 15 GHz (como regla general, me gusta usar 3 veces la velocidad de datos)
• Número de puntos: 1001 o más: no importa si utilizas el espaciado lineal o el espaciado logarítmico, ambos funcionan bien
• Impedancia de referencia: 50 Ω con un solo extremo (si estás midiendo un par diferencial correctamente, querrás un archivo.s4p de 4 puertos o, al menos, una captura de 2 puertos del S21 de modo mixto, pero si lo compruebas rápidamente, con 50 Ω de un solo extremo te darás una idea aproximada)

Incluso antes de encender el simulador de diagramas oculares, echa un vistazo a algunos parámetros S clave. Te dirán si ya estás en problemas: Si tu S21 a 5 GHz ya está en -18 dB o algo peor, te lo puedo decir ahora mismo: el ojo se va a cerrar. La simulación no hará más que confirmar lo que ya sospechas, y tendrás que arreglar el canal antes de siquiera pensar en comprar placas.

Configuración de la simulación del diagrama ocular

Muy bien, tienes tu archivo.s2p. Dirígete a la herramienta de diagrama ocular y selecciona estos ajustes:

Lo que hace la herramienta es bastante inteligente: toma la respuesta de frecuencia de tu canal (son los parámetros S), la convoluciona con una secuencia de bits pseudoaleatoria, aplica la forma de onda TX que especificaste y, a continuación, superpone cada intervalo unitario uno encima del otro. Esa superposición es tu diagrama ocular.

Qué aspecto tiene un ojo bueno (y qué aspecto tiene uno malo)

Cuando corres a 10 Gbps, un ojo sano debería darte:

La herramienta muestra estos números directamente, lo cual es bueno porque no tienes que mirar la gráfica con los ojos entrecerrados tratando de medir las cosas a mano. Esta es una breve hoja de trucos para interpretar lo que ves:

Permítanme darles un ejemplo concreto. Supongamos que tienes esa huella de 20 cm en la Isola FR408, que es un paso más que la barata. Es posible que veas una altura de unos 180 mV y un ancho de alrededor de 0,46 UI. Eso es marginal pero viable. Ahora tomemos exactamente la misma geometría y usemos el FR-4 estándar para pantanos (el material Tg 135 que la mayoría de las casas de placas tienen por defecto) y observaremos cómo esos números caen a unos 80 mV de altura y 0,28 de ancho de interfaz de usuario. Eso es un ojo cerrado. Tu enlace no funcionará. Ya terminaste.

Arreglar un ojo cerrado: sus opciones

Así que la simulación regresó y el ojo se cerró herméticamente. ¿Ahora qué? Tienes algunas palancas de las que puedes tirar.

Acorta el trazo. Esta es la solución más sencilla si tu diseño lo permite. Reduzca ese tramo de 20 cm a 12 cm e inmediatamente recuperará entre 4 y 8 dB de pérdida de inserción. Vuelva a ejecutar la simulación y compruebe si eso es suficiente para abrir las cosas. Mejora tu laminado. El FR-4 estándar te está matando a altas frecuencias. Cambie a un material de pérdida media (Isola 370HR, Panasonic Megtron 6, algo de esa clase) y reducirá la pérdida a 5 GHz entre un 30 y un 50 por ciento. Solo asegúrate de volver a comprobar la impedancia con la calculadora de impedancia controlada, ya que el nuevo apilamiento cambiará la geometría de la traza. Activa la ecualización. La mayoría de los SerDes PHY de 10 Gbps tienen un ecualizador lineal de tiempo continuo (CTLE) incorporado, normalmente con picos ajustables. Si puedes marcar un aumento de 6 dB a 5 GHz, puedes rescatar los canales con una pérdida de inserción de hasta -22 dB. Algunas herramientas permiten aplicar la función de transferencia CTLE directamente en la simulación, de modo que se puede ver con el ojo ecualizado antes de realizar la operación. Desincruste los dispositivos de prueba. Si sus mediciones de VNA incluyeron estructuras de lanzamiento o bases de conexión que no figurarán realmente en el diseño final, puede desincrustarlas. Incluso recuperar 1 dB de pérdida artificial puede, en ocasiones, empujar a un ojo marginal a territorio de paso. La mayoría de los ingenieros se saltan este paso y se arrepienten más adelante cuando están depurando una placa que debería haber funcionado.

El problema de Via Stub del que nadie habla

Este es un modo de fallo que la simulación con parámetros S detecta, pero tu diseño en la DRC pasará por alto por completo: mediante resonancia secundaria.

Supongamos que tienes un orificio pasante en una placa estándar de 1,6 mm y te queda un tubo de 0,8 mm. Ese trozo va a resonar aproximadamente a:

Vale, 47 GHz está muy por encima de la frecuencia Nyquist de 5 GHz, así que estás bien ahí. Pero ahora imagina que vas por la mitad de una placa base gruesa y terminas con un cable de 3,2 mm. De repente, esa resonancia cae a unos 12 GHz, lo suficientemente cerca del ancho de banda de la señal como para provocar un cambio brusco en la respuesta de frecuencia. Esa muesca aparece como un fragmento extraído del diagrama ocular, y no lo verás venir hasta que midas la tabla.

Si quieres comprobarlo con antelación, la calculadora Via Stub Resonance te dirá exactamente dónde cae tu resonancia antes de que te tomes la molestia de capturar los parámetros S.

Conclusión: mide, simula y, a continuación, confirma

Mira, la herramienta de diagramas oculares convierte lo que solía ser una decisión de diseño intuitiva en algo que realmente puedes cuantificar. Subes tu archivo.s2p medido, marcas los parámetros del enlace y obtienes dos números críticos: la altura de los ojos y el ancho de los ojos. Si ambos se encuentran cómodamente en la zona verde, perfecto. Envía a los Gerber a Fab y sigue adelante con tu vida. Si no lo están, sabrás exactamente qué botón girar antes de desperdiciar dinero en una jugada de tablero que nunca iba a funcionar.

No se trata de ser paranoico. Se trata de no sorprenderse cuando enciendes la placa y el enlace no funciona. A 10 Gbps, los márgenes son lo suficientemente estrechos como para que no puedas darte el lujo de adivinar.

Ejecute la simulación del diagrama ocular