Análise do diagrama ocular: validação de SerDes de 10 Gbps

Por que sua ferramenta de layout não sabe se seu link funcionará

Então você acabou de rotear uma faixa SerDes de 10 Gbps — talvez seja PCIe Gen 3, talvez XAUI — e ela parece bem limpa. Vinte centímetros de FR-4, dois conectores SMA de montagem na borda, impedância diferencial bloqueada em 100 Ω e seu DRC passou sem uma única violação. O traçado é reto, você reduziu as vias ao mínimo. Parece uma vitória.

Só que o problema é o seguinte: a 10 Gbps, você está lidando com uma frequência Nyquist de 5 GHz, e o FR-4 está emitindo sinal como um louco lá em cima. Dependendo do grau de FR-4 que você escolheu (e sejamos honestos, a maioria de nós aceita o que a diretoria oferece), você está perdendo algo entre 0,5 e 1 dB por centímetro nessa frequência. Faça as contas em uma corrida de 20 cm e você já estará abaixo de 10 a 20 dB antes mesmo de o sinal atingir um conector. Adicione mais 1—2 dB por conector — e você terá dois deles — e, de repente, você verá 12 a 24 dB de perda total de inserção em Nyquist.

Isso é suficiente para derrubar completamente o olho. Seu receptor não verá mais uns e zeros limpos; ele verá uma bagunça embaçada.

A única maneira de realmente saber se seu canal funciona, sem girar o tabuleiro e orar, é simular o diagrama ocular usando parâmetros S reais. Deixe-me explicar como fazer isso.

Obtendo os dados: medindo seu canal com um VNA

Em primeiro lugar: você precisa de um arquivo de parâmetros S de 2 portas de um analisador de rede vetorial. Se você estiver fazendo isso corretamente, veja como esse arquivo deve ficar:

• Formato: Arquivo Touchstone padrão .s2p
• Varredura de frequência: Comece em 10 MHz, vá até pelo menos 15 GHz (eu gosto de usar 3 vezes a taxa de dados como regra geral)
• Número de pontos: 1001 ou mais — realmente não importa se você usa espaçamento entre registros ou espaçamento linear, ambos funcionam bem
• Impedância de referência: 50 Ω de extremidade única (se você estiver medindo um par diferencial corretamente, desejará um arquivo.s4p de 4 portas ou pelo menos uma captura de 2 portas do S21 de modo misto, mas para uma verificação rápida, 50 Ω com extremidade única o coloca no estádio)

Antes mesmo de iniciar o simulador de diagrama ocular, dê uma olhada em alguns parâmetros S importantes. Eles lhe dirão se você já está com problemas: Se o seu S21 a 5 GHz já está em −18 dB ou pior, posso te dizer agora: o olho estará fechado. A simulação apenas confirmará o que você já suspeita, e você precisará corrigir o canal antes mesmo de pensar em pedir placas.

Configurando a simulação do diagrama ocular

Tudo bem, você tem seu arquivo.s2p. Vá até a ferramenta Eye Diagram e insira estas configurações:

O que a ferramenta faz é muito inteligente: ela pega a resposta de frequência do seu canal (esses são os parâmetros S), a envolve com uma sequência de bits pseudo-aleatória, aplica a forma de onda TX que você especificou e, em seguida, sobrepõe cada intervalo de unidade uma sobre a outra. Essa sobreposição é o diagrama do seu olho.

Qual é a aparência de um olho bom (e a aparência de um olho ruim)

Quando você está correndo a 10 Gbps, um olho saudável deve oferecer:

A ferramenta mostra esses números diretamente, o que é bom porque você não precisa apertar os olhos no gráfico tentando medir as coisas manualmente. Aqui está uma folha de dicas rápida para interpretar o que você vê:

Deixe-me dar um exemplo concreto. Digamos que você tenha aquele traço de 20 cm na Isola FR408, que é um avanço em relação às coisas baratas. Você pode ver uma altura de olho em torno de 180 mV e uma largura em torno de 0,46 UI. Isso é marginal, mas viável. Agora pegue exatamente a mesma geometria e use o FR-4 padrão do pântano (o material Tg 135 que a maioria das placas abriga por padrão) e observe esses números caírem para talvez 80 mV de altura e 0,28 UI de largura. Isso é um olho fechado. Seu link não funcionará. Você terminou.

Consertando um olho fechado: suas opções

Então a simulação voltou e o olho está bem fechado. E agora? Você tem algumas alavancas que pode puxar.

Encurte o traço. Essa é a solução mais fácil se o layout permitir. Corte esses 20 cm até 12 cm e você recuperará imediatamente algo como 4 a 8 dB de perda de inserção. Execute a simulação novamente e veja se isso é suficiente para abrir as coisas. Atualize seu laminado. O FR-4 padrão está matando você em altas frequências. Mude para um material de perda média — Isola 370HR, Panasonic Megtron 6, algo dessa classe — e você reduzirá sua perda em 5 GHz em 30 a 50 por cento. Apenas certifique-se de verificar novamente sua impedância com a Calculadora de impedância controlada porque o novo empilhamento mudará sua geometria de traçado. Ative a equalização. A maioria dos SerDes PHYs de 10 Gbps tem um equalizador linear de tempo contínuo (CTLE) embutido, geralmente com pico ajustável. Se você conseguir aumentar 6 dB a 5 GHz, poderá resgatar canais com perda de inserção de até -22 dB. Algumas ferramentas permitem que você aplique a função de transferência CTLE diretamente na simulação para que você possa ver o olho equalizado antes de se comprometer. Desincorpore seus dispositivos de teste. Se sua medição de VNA incluiu estruturas de lançamento ou conectores que não estarão realmente no design final, você pode desembuti-los. Mesmo a recuperação de 1 dB de perda artificial às vezes pode empurrar um olho marginal para o território que passa. A maioria dos engenheiros pula essa etapa e se arrepende mais tarde, quando está depurando uma placa que deveria ter funcionado.

O problema do Via Stub sobre o qual ninguém fala

Aqui está um modo de falha que a simulação do parâmetro S detecta, mas seu layout DRC perderá completamente: via ressonância de esboço.

Digamos que você tenha um orifício de passagem em uma placa padrão de 1,6 mm e fique com uma ponta de 0,8 mm. Esse esboço vai ressoar aproximadamente em:

Ok, 47 GHz está muito acima da frequência Nyquist de 5 GHz, então você está bem aí. Mas agora imagine que você está passando pelo meio de uma placa traseira grossa e acaba com um talão de 3,2 mm. De repente, essa ressonância cai para cerca de 12 GHz — perto o suficiente da largura de banda do sinal para causar um forte entalhe na sua resposta de frequência. Esse entalhe aparece como uma mordida retirada do diagrama ocular, e você não o verá chegando até medir a prancha.

Se você quiser verificar isso com antecedência, a Calculadora de ressonância via Stub dirá exatamente onde sua ressonância cai antes mesmo de você se preocupar em capturar os parâmetros S.

Conclusão: meça, simule e depois confirme

Veja, a ferramenta de diagrama ocular transforma o que costumava ser uma decisão intuitiva de layout em algo que você pode realmente quantificar. Você carrega o arquivo.s2p medido, insere os parâmetros do link e recupera dois números críticos: altura e largura dos olhos. Se ambos estiverem confortavelmente na zona verde, ótimo — mande os Gerbers para a fábrica e siga em frente com sua vida. Se não estiverem, você sabe exatamente qual botão girar antes de desperdiçar dinheiro em um giro de tabuleiro que nunca funcionaria.

Não se trata de ser paranóico. É para não se surpreender quando você liga a placa e o link não funciona. Com 10 Gbps, as margens são pequenas o suficiente para que você não possa se dar ao luxo de adivinhar.

Execute a simulação do diagrama ocular