Analyse du diagramme oculaire : validation d'un SerDes à 10 Gbit/s

Pourquoi votre outil de mise en page ne sait pas si votre lien fonctionnera

Vous venez donc de terminer le routage d'une voie SerDes à 10 Gbit/s (peut-être PCIe Gen 3, peut-être XAUI) et elle a l'air plutôt propre. Vingt centimètres de FR-4, deux connecteurs SMA à montage latéral, une impédance différentielle bloquée à 100 Ω, et votre DRC est passé sans une seule violation. La trace est droite, vous avez réduit les vias au minimum. Ça ressemble à une victoire.

Sauf que voici le truc : à 10 Gbit/s, vous avez affaire à une fréquence de Nyquist de 5 GHz, et le FR-4 diffuse du signal comme un fou là-haut. Selon le grade de FR-4 que vous avez choisi (et soyons honnêtes, la plupart d'entre nous acceptent simplement ce que propose la société de conseil), vous perdez entre 0,5 et 1 dB par centimètre à cette fréquence. Faites le calcul sur une course de 20 cm et vous êtes déjà en baisse de 10 à 20 dB avant même que le signal n'atteigne un connecteur. Ajoutez 1 à 2 dB supplémentaires par connecteur, et vous en avez deux, et tout à coup, vous obtenez une perte d'insertion totale de 12 à 24 dB à Nyquist.

C'est suffisant pour que l'œil s'effondre complètement. Votre récepteur ne verra plus de zéro et de zéro nets ; il verra un désordre flou.

La seule façon de savoir si votre chaîne fonctionne, à moins de faire tourner le tableau et de prier, est de simuler le diagramme de l'œil à l'aide de vrais paramètres S. Laissez-moi vous expliquer comment procéder.

Obtenir les données : mesurer votre chaîne à l'aide d'un VNA

Tout d'abord, vous avez besoin d'un fichier de paramètres S à 2 ports provenant d'un analyseur de réseau vectoriel. Si vous le faites correctement, voici à quoi devrait ressembler ce fichier :

• Format : Fichier standard Touchstone .s2p
• Balayage de fréquence : Commencez à 10 MHz, montez jusqu'à au moins 15 GHz (en règle générale, j'aime utiliser 3 fois le débit de données)
• Nombre de points : 1001 ou plus — peu importe si vous utilisez un espacement logarithmique ou un espacement linéaire, les deux fonctionnent correctement
• Impédance de référence : 50 Ω asymétrique (si vous mesurez correctement une paire différentielle, vous aurez besoin d'un fichier .s4p à 4 ports ou d'au moins une capture à 2 ports du S21 en mode mixte, mais pour une vérification rapide, 50 Ω asymétrique vous permet de vous situer dans la balance)

Avant même de lancer le simulateur de diagramme oculaire, examinez attentivement quelques paramètres S clés. Ils vous diront si vous avez déjà des problèmes : Si votre S21 à 5 GHz est déjà à −18 dB ou moins, je peux vous le dire tout de suite : l'œil va être fermé. La simulation ne fera que confirmer ce que vous soupçonnez déjà, et vous devrez corriger la chaîne avant même de penser à commander des tableaux.

Configuration de la simulation du diagramme oculaire

Très bien, vous avez votre fichier .s2p. Accédez à l' outil Eye Diagram et saisissez les paramètres suivants :

L'outil est assez intelligent : il prend la réponse en fréquence de votre canal (c'est-à-dire les paramètres S), la convolution avec une séquence de bits pseudo-aléatoire, applique la forme d'onde TX que vous avez spécifiée, puis superpose chaque intervalle unitaire les uns sur les autres. Cette superposition est le schéma de votre œil.

À quoi ressemble un bon œil (et à quoi ressemble un mauvais œil)

Lorsque vous courez à 10 Gbit/s, un œil en bonne santé devrait vous donner :

§ 0§

§ 1§

L'outil recrache ces chiffres directement, ce qui est bien car vous n'avez pas à plisser les yeux sur l'intrigue pour essayer de mesurer les choses à la main. Voici un aide-mémoire rapide pour interpréter ce que vous voyez :

Permettez-moi de vous donner un exemple concret. Supposons que vous ayez cette trace de 20 cm sur l'Isola FR408, ce qui représente une avancée par rapport aux produits bon marché. Vous pourriez voir une hauteur des yeux d'environ 180 mV et une largeur d'environ 0,46 UI. C'est marginal mais réalisable. Maintenant, prenez exactement la même géométrie et utilisez le FR-4 standard (le Tg 135 que la plupart des maisons de cartes proposent par défaut), et regardez ces chiffres chuter à peut-être 80 mV en hauteur et 0,28 en largeur d'interface utilisateur. C'est un œil fermé. Votre lien ne s'entraînera pas. Tu as terminé.

Réparer un œil fermé : vos options

La simulation est donc revenue et l'œil est fermé. Et maintenant ? Vous avez quelques leviers que vous pouvez actionner.

Raccourcissez la tracée. C'est la solution la plus simple si votre mise en page le permet. Réduisez cette section de 20 cm à 12 cm et vous récupérez immédiatement une perte d'insertion de 4 à 8 dB. Relancez la simulation et voyez si cela suffit pour ouvrir les choses. Améliorez votre plastifié. Le FR-4 standard vous tue aux hautes fréquences. Passez à un matériel à perte moyenne (Isola 370HR, Panasonic Megtron 6, quelque chose de cette catégorie) et vous réduirez votre perte à 5 GHz de 30 à 50 %. Assurez-vous simplement de revérifier votre impédance à l'aide du Calculateur d'impédance contrôlée car le nouvel empilement modifiera la géométrie de votre trace. Activez l'égalisation. La plupart des PHY SerDes 10 Gbit/s sont équipés d'un égaliseur linéaire en temps continu (CTLE) intégré, généralement avec un pic réglable. Si vous pouvez régler 6 dB d'amplification à 5 GHz, vous pouvez sauver des canaux dont la perte d'insertion peut atteindre -22 dB. Certains outils vous permettent d'appliquer la fonction de transfert CTLE directement dans la simulation afin que vous puissiez voir l'œil égalisé avant de vous engager. Désintégrez vos appareils de test. Si votre mesure VNA incluait des structures de lancement ou des pastilles de connexion qui ne figureront pas réellement dans la conception finale, vous pouvez les désintégrer. Même le fait de récupérer 1 dB de perte artificielle peut parfois pousser un œil marginal à se concentrer sur un territoire passager. La plupart des ingénieurs ignorent cette étape et le regrettent plus tard lorsqu'ils débuggent une carte qui aurait dû fonctionner.

Le problème de Via Stub dont personne ne parle

Voici un mode de défaillance que la simulation des paramètres S détecte mais que votre DRC de configuration passera complètement à côté : via la résonance du stub.

Supposons que vous ayez un trou traversant sur une planche standard de 1,6 mm et qu'il vous reste un talon de 0,8 mm. Ce talon va résonner à peu près :

OK, 47 GHz est bien au-dessus de votre fréquence Nyquist de 5 GHz, donc tout va bien. Mais imaginez maintenant que vous passez au milieu d'un fond de panier épais et que vous vous retrouvez avec un talon de 3,2 mm. Soudain, cette résonance tombe à environ 12 GHz, soit suffisamment proche de la bande passante de votre signal pour créer une nette entaille dans votre réponse en fréquence. Cette encoche apparaît sous la forme d'une morsure extraite de votre schéma oculaire, et vous ne la verrez pas apparaître tant que vous n'aurez pas mesuré la planche.

Si vous souhaitez vérifier cela à l'avance, le Calculateur de résonance Via Stub vous indiquera exactement où se situe votre résonance avant même que vous ne preniez la peine de capturer les paramètres S.

L'essentiel : mesurez, simulez, puis validez

Écoutez, l'outil de diagramme oculaire transforme ce qui était autrefois une décision de mise en page intuitive en quelque chose que vous pouvez réellement quantifier. Vous téléchargez votre fichier .s2p mesuré, vous saisissez les paramètres de votre lien et vous obtenez deux chiffres critiques en retour : la hauteur et la largeur des yeux. Si les deux se trouvent confortablement dans la zone verte, tant mieux : envoyez les Gerber dans la fabuleuse planète et passez à autre chose. Si ce n'est pas le cas, vous savez exactement sur quel bouton tourner avant de gaspiller de l'argent sur une planche qui n'allait jamais fonctionner.

Il ne s'agit pas d'être paranoïaque. Il s'agit de ne pas être surpris lorsque vous allumez la carte et que le lien ne s'allume pas. À 10 Gbit/s, les marges sont suffisamment fines pour que vous ne puissiez pas vous permettre de les deviner.

Exécutez la simulation du diagramme oculaire