Signal Integrity2026年3月1日8分で読める

アイダイアグラム解析:10 Gbps SerDes の検証

10 Gbps SerDesレーンでどれだけの挿入損失が発生するか：アイダイアグラムツールでTouchstone S21を実行し、データレートとPRBSによって目の高さ、幅、ジッターが変化するのを確認します。

レイアウトツールがリンクが機能するかどうかわからない理由

これで、PCIe、XAUI、10GBASE-KR の 10 Gbps SerDes レーンを、ビアとエッジマウントコネクタを使用して 20 ～ 25 cm の FR-4 を経由してルーティングしたところです。インピーダンスは100 Ω の差動で制御されており、DRCはクリーンです。DRC では、受信側で目が開いているかどうかがわかりません。

10 Gbps のナイキスト周波数は 5 GHz で、FR-4 では損失が大きくなります。誘電損失だけでは

\alpha_d \approx 27.3\,\frac{\sqrt{\varepsilon_{eff}}\,\tan\delta}{\lambda_0}\ \text{dB per unit length}

5 GHz（ $\lambda_0$ = 6 cm）の標準FR-4（ $\varepsilon_{eff} \approx 4$ 、 $\tan\delta \approx 0.02$ ）の場合、これは約0.18 dB/cmであり、狭いトレースでの導体損失は同等の量を加算します。したがって、20 ～ 25 cm の配線では、ビアとコネクタをカウントする前にナイキストで数dB の損失が発生します。

それが多すぎるかどうかを知る方法は、チャンネルの測定またはシミュレートされたSパラメータにビットシーケンスを入力して、目を見ることです。

データの取得

アイ・ダイアグラムツールは、2ポートのTouchstoneファイル（または4ポートのファイル。そこから差動SDD21を抽出します）を使用します。そのファイルから必要なもの:

VNAが少なくともデータレートに達するまでDCに近い周波数範囲。ファイルの最高周波数を超えると、ツールはチャンネルを1/fロールオフで拡張し、結果にそのように表示します。マージンの見積もりには問題ありませんが、実際のデータの方が優れています。
チャンネルの構造を解くのに十分なポイント。このツールのサンプルファイルには、滑らかでシミュレートされたチャンネルが記述されているため、20 ポイントを使用しています。ビア、コネクタ、共振を含む測定チャンネルには数百点必要です。
S21は目を動かすもので、S11は反射がどこから来るのかを教えてくれます。

このツールには、ページから読み込めるサンプルチャンネルが 3 つ付属しています。このチュートリアルでは、バックプレーンチャネルサンプルを使用します。これは、2 つのビアとエッジマウント SMA コネクタを備えた 10 インチ (25 cm) の FR-4 マイクロストリップをシミュレートしたものです。

ツールの機能

このツールには、ファイル以外に、データレート、PRBS 長、UI ごとのサンプル数という 3 つの入力があります。次に、次のようになります。

標準擬似ランダムビットシーケンス (ITU-T O.150 多項式:PRBS-7 は 127 ビット、PRBS-15 は 32,767) の全周期を生成します。PRBS-31 は全体をシミュレートするには長すぎるため、チャネルが落ち着いた後に 32,768 ビットが実行されます。
NRZ波形を周波数領域のチャンネルに渡し、チャンネルの遅延が長くてもインパルス応答全体が維持されます。
受信波形を送信ビットに合わせて、単位間隔にスライスします。
描画されたトレースだけでなく、**ビットごとにメトリックを測定します。目の高さはサンプリング時点での受信した1と0の間のワーストケースのギャップ、目の幅は判定閾値での水平方向の開口部、ジッターは閾値超過の広がりを表します。

波形は ±1 V (2 Vpp) に正規化されています。チャンネルはリニアなので、実際のトランスミッタでは高さをその振幅でスケーリングします。800 mVppのドライバでは、報告されている高さの0.4倍が得られます。

受信波形がスレッショルドを決して超えない場合、幅とジッターはデフォルトではなく理由とともに未測定と報告されます。

目を閉じるのを見る

25 cm のサンプルチャンネルをデータレートを上げながら実行します。PRBS-15、64 サンプル/UI:

データレート	ナイキストでの損失	目の高さ	目の幅	ジッター (p-p)
6 Gb/s	3.9 dB	1.48 V (74 %)	0.97 UI	5.3 ps
8 Gb/s	6.0 dB	1.19 V (60 %)	0.95 UI	6.8 ps
10 Gb/s	8.4 dB	0.86 V (43 %)	0.88 UI	12.3 ps
12.5 Gb/s	11.8 dB	0.48 V (24 %)	0.77 UI	18.4 ps
16 Gb/s	17.1 dB	0.06 V (3 %)	0.50 UI	31.2 ps

パーセンテージは2Vの振幅のものです。10 Gb/s でも、このチャンネルは 0.88 UI の幅で送信スイングの 43% を伝送します。イコライゼーションを行う前は、見ているだけで快適です。16 Gb/s では、イコライズされていないアイは基本的に閉じています。ナイキストの 17 dB は、NRZ リンクがイコライゼーションなしで正常に動作する量よりも大きくなります。

このツールの短いPCIe Gen3サンプル（6インチのトレースとビア）は、5 GHzで5.5 dB減少し、10 Gb/sで1.30 Vアイ（65%）になります。これは、損失は「FR-4」そのものではなく長さによって決まるということを思い出させてくれます。

PRBS-7 それとも PRBS-15?

25 cm チャネルで 10 Gb/s の場合:

パターン	目の高さ	目の幅	ジッター (p-p)
PRBS-7	0.88 V	0.89 UI	11.4 ps
PRBS-15	0.86 V	0.88 UI	12.3 ps

シーケンスが長いほど、同一のビットが長く続くため、チャンネルのスローテールがより刺激され、目が少し閉じます。この差は、チャンネルの損失が大きくなるほど大きくなります。16 Gb/秒で PRBS-15 の目は PRBS-7 よりも 38% 小さいため、サインオフには PRBS-15 以上を使用してください。

結果の判断

普遍的な「グッドアイ」という数字はありません。実装している規格のレシーバ・マスクと比較してください。レシーバ入力を基準とし、数GB/秒を超える場合は、イコライゼーション後にPHYが実際に適用されます。イコライズされていないアイを見ると、そのイコライザーがどれだけの作業を行う必要があるかがわかります。

開いた目でのナイキストでの損失が約10 dB未満: 基本的なCTLEなら簡単に処理できます。
10～20 dB: 10～25 Gb/秒のリンクでは通常の領域であり、CTLE と DFE の組み合わせに依存しています。PHY に指定されているチャネル損失バジェットを確認してください。
PHY の予算を超える場合や、交差点のない目を閉じた場合: イコライゼーションに頼る前に、ルートを短くするか、ラミネートを変更するか、より適切なコネクタに変更してください。

目を閉じた時の矯正

トレースを短くしてください。 損失は長さに比例します。サンプルチャネルでは、25 cmから15 cmに拡大すると、トレース損失の約 40% が削減されます。 ラミネートをアップグレードしてください。 0.008—0.01付近の

\tan\delta

の中損失材料は、誘電率を約半分にします。制御インピーダンス計算ツールでインピーダンスを再確認してください。新しいスタックアップではトレースの形状が変わります。 PHYのイコライゼーションを使用してください。 CTLEとDFEは、まさにこの種のチャネルを回復するためのものです。このシミュレーションはイコライズされていないので、最終的な答えではなく、その目をイコライザーへの入力として扱ってください。 スタブによるバックドリルまたは短縮 (次のセクション)。

誰も話題にしないビアスタブ問題

スルーホールビアでは、出口のレイヤーの下に未使用のスタブが残り、そのスタブは1/4の波長で共振します。

f_{stub} = \frac{c}{4\,l_{stub}\sqrt{\varepsilon_r}}

\varepsilon_r

= 4の0.8mmスタブは47GHz付近で共振し、5GHzのナイキスト周波数をはるかに上回ります。厚みのあるバックプレーンに 3.2 mm のスタブを取り付けると、約 12 GHz まで下がります。これは、チャンネル応答に一段の欠点を生み出し、目に付かないほどです。Sパラメータのシミュレーションではそれが示されますが、DRCではわかりません。ビア・スタブ・レゾナンス計算ツールでは、データをキャプチャする前にどこに着地したかがわかります。

結論

チャンネルの S パラメータをアップロードし、データレートと PRBS を設定し、ナイキストでの損失、目の高さ、目の幅、ジッターの 4 つの数値を読み取ります。イコライズされていないアイが余裕を持って開いていれば、PHY は簡単に処理できます。そうでない場合は、ボードスピンを始める前にどのレバーを引くべきかがわかります。

2026-09-19を更新しました。このツールは、PRBS の全周期をシミュレートしてインパルス応答全体を維持し、交差がない場合は幅とジッターを未測定として報告するようになりました。上記の例はサンプルチャンネルからのものです。この記事の以前のバージョンでは、ツールにはない入力と FR-4 損失が誇張されていることを説明していました。アイダイアグラムシミュレーションを実行する

よくある質問

10 Gbps リンクがナイキスト周波数で許容できる挿入損失はどのくらいですか。

イコライゼーションを行わない場合でも、チャネルが 5 GHz で約 8 dB 低下しても、この例では明らかに目を見通すことができません。送信スイングの 43%、幅は 0.88 UI です。10 Gbps 以上のリンクは、通常 CTLE と DFE に依存しており、チャネル損失バジェットが指定されています。使用している規格のバジェットとレシーバーマスクと比較してください。

FR-4の5GHzでの挿入損失はどのくらいですか？

誘電損失は単位長さあたり約 27.3·√ε_eff·tanδ/λ₀ で、5GHzで標準のFR-4 (ε_eff ≈ 4では約0.18dB/cm、5GHzでは tanδ ≈ 0.02）であり、狭いトレースでの導体損失も同様の量が加算されます。ビアとコネクタが付いた25 cmのトレースでは、ツールのサンプルチャンネルで 5 GHz で 8.4 dB 低下しました。

アイダイアグラムシミュレーションではPRBSの長さは重要ですか？

はい。シーケンスが長いほど、同じビットが長く続くため、チャンネルの遅い応答がより大きくなります。10 Gb/sのサンプル・チャンネルでは、PRBS-15の目はPRBS-7 よりも 2% 小さく、16 Gb/sでは 38% 小さくなりました。サインオフには PRBS-15 以上を使用してください。

目の幅が測定されていないと報告されたときはどういう意味ですか？

受信波形が判定閾値を決して超えないため、幅やジッタを測定するための交差はありません。このツールは、デフォルトの幅を出力する代わりに、その理由とともにそれを報告します。

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