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シグナル・インテグリティの基礎と応用セミナー

2.シグナル・インテグリティ・エッセンシャル

～エリック・ボガティン博士のセミナーから

テレダイン･レクロイ・ジャパン株式会社アプリケーション・エンジニア伊藤渉

内容

1. エリック・ボガティン博士について

2. エリック・ボガティン博士のセミナーから

• 目からウロコ！チャネル設計手法

• クロストークの話題から

テレダイン・レクロイ・ジャパン株式会社

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内容






エリック・ボガティン博士について

エリック･ボガティン博士は、ボガティン・エンタープライズの代表として、先進的なシグナル·インテグリティのセミナーを世界中で展開するシグナル·インテグリティ業界の第一人者です。1976年にマサチューセッツ工科大学から物理学の学士号、1980年にはアリゾナ大学から物理学に関する修士号および博士号の学位を取得しました。同氏はベル研究所、レイケム社、サン・マイクロシステムズ社、アンソフト社とインターコネクトデバイスのシニアエンジニアリングおよび管理職を歴任してきました。同氏はまた、これまでにシグナル·インテグリティおよびインターコネクトデザインに関する6冊の著書と300以上の論文を発表しています。これらの多くはwww.beTheSignal.comから無料でダウンロードすることができます。


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Dr.BogatinとLeCroy


内容






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www beTheSignal com7

目からウロコ!チャネル設計手法

Dr. Eric Bogatin,Signal Integrity Evangelist,

Bogatine Enterpriseswww.beTheSignal.com

11/1/2011

エリック・ボガティン博士のセミナーから（１）



概要

問題とその対処

全てのシグナル・インテグリティ問題を解決する一般的な手法

４つの問題とその解決法


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3つの重要な流れ1)差動ペア、2)高速データレート、3)果てしない高速化

PCI Express2.5, 5, 8 Gbps

USB0.012, 0.48, 5 Gbps

XAUI3.125, 6.25, 10 Gbps

Infinibad2.5, 5, 10 Gbps

Gigabit Ethernet0.01, 0.1, 1, 10, 25, 100 Gbps

SATA (serial ATA)/SAS1.5, 3, 6, 12 Gbps



現実世界：インタコネクトは完全に把握されていない

ドライバパッケージ基板バックプレーン基板パッケージレシーバ

受信端

送信端

Tx Rx


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根本原因の特定こそ問題解決の近道

根本原因の特定を間違えば、問題の解決は運にまかせるしかなくなる。

スタン、ほんとうにこれで大丈夫かい？とんがった頭と長い嘴があるから奴らが飛べるっていうのはおかしいと思うんだ。



キガビットクラスのシリアル・リンク設計の一般的な手法

一般的な手法 (まだ、直感的な設計プロセスが主流）を理解する。

問題の根本原因を特定する。

根本原因を設計のガイドラインに落とし込む。

シグナル・インテグリティ信号処理を含めて、コストがかからない手法(慣例)を可能ならば全て試す。

コストに余裕があるならば、初めに「投資に見合う価値があるか」を見極めてから、シミュレーションを行う(仮想試作）

ほとんどのインターコネクト/TRX(トランシーバ)の特性は、お互いに複雑に絡み合っている。-シミュレーションの利用が効果的


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シミュレーションの4つのタイプ

ステップ応答

単一ビット応答

PRBS応答とアイパターン

チャンネルの周波数応答：Sパラメータ

1.ステップ応答

2.単一ビット応答

3.PRBS応答アイパターン 4.チャンネルと周波数応答



インパルス応答は、符号間干渉(ISI)を特定

200ps UI

Sパラメータで特性評価

ISI

数ビット後にエコーが発生

ISIのいくつかは、FFE、DFE、CLTEなどのイコライザで補償が可能

長時間にわたるエコーは、一般的に反射によるもの。


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対処すべき4つの主問題

Losses(損失) 基板ケーブル

Reflections(反射) インターコネクト間ビア

Noise：Cross talk(ノイズ/クロストーク) 基板(リターン・プレーン) パッケージコネクタ

Mode Conversion(モード変換) ルーティングファイバー繊維コネクタ受信端

送信端

秘密の呪文：LRN-M (Losses, Reflections, Noise, Mode Conversion)テレダイン・レクロイ・ジャパン株式会社


反射の一般的な原因

3つの重要な対処短いほうが良い

…特にスタブ

インピーダンス整合

連続したリターンパス

…インピーダンスを高くしておきたい場合は例外

TDD11


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インピーダンス不整合の2つのタイプ

素直なリターンパス

：線形ルート・トポロジー

細くなったトレース、角

DCブロック・コンデンサ

ある種のコネクタ

ICパッケージ

スルー・ビア(リターン・ビア併設)

曲がり角

ミアンダライン

入り組んだリターンパス

：スタブ・トポロジー

• 層間ギャップ

• テストポイント

• 終端、トレースによるスタブ

• ビアによるスタブ

• ある種のコネクタ

• ある種のビア



終端スタブの影響の軽減：可能な限り短く

１Gbps

スタブ長：1インチ

スタブ長：0.3インチ

スタブ長：1インチ

スタブ長：0.3インチ

スタブなし

終端スタブのTD(電気長)<50%RT(信号の立ち上がり時間)スタブ長/6インチ/ns <0.5RTスタブ長,RTx3インチ/ns

RTを0.1xBR(ビットレート)と仮定するとスタブ長<0.3インチ/BR[Gbps]例:BR-1Gbpsならスタブ長<0.3インチ(7.62mm) RT(Rise Time):立ち上がり時間


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最適なパッド設計が、DCブロック・コンデンサを擬似的スルーに

大きなパッド

小さなパッド

小さなパッド、グランド抜きあり

大きなパッド、グランド抜きあり

S21

2GHz/div

ステップ3: パッドの下のグランド・プレーンを抜く：シャドー・パッドステップ4: ３Dソルバーでのみ高度な最適化が可能



ISIによる立ち上がりのなまり

30インチ

単一ビット応答 (SBR) “データ0”のビットの電圧レベルがそれ以前のパターンに依存

01111110000000111101000000011100100000001100010000000100001000000

“データ0”のビット


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ISIは、“データ依存”ジッタ(デタミニスティック・ジッタ)の原因に

両極端なパターンのシングル・ビット応答

11111010000000

00000010000000

5 Gbps, 立ち上がり時間 = 50 psec

それ以前のビットがすべて1かすべて0かでシングル・ビットのゼロクロスのタイミングが異なります

立ち上がり時間がなまるほど、ジッタも増えます。

インターコネクトなし

20インチのインターコネクト

40インチのインターコネクト



最低周波数から最高周波数までフラット(同じ大きさ)なチャネル応答では、立ち上がり時間のなまりが小さい

立ち上がり時間のなまり-> ISI -> アイパターンのつぶれ、デタミニスティック・ジッタの発生

振幅

周波数

振幅

周波数

立ち上がり時間のなまりは発生しない


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損失のある伝送と立ち上がり時間のなまり -周波数軸

問題立ち上がり時間のなまりがISI、アイパター

ンのつぶれ、デタミニスティック・ジッタの原因に

根本原因: 周波数に依存した減衰導通損

誘電損

一次的対処長さを短く

導体幅を広く

低分散係数素材

応答を補償するための信号処理 FFE, DFE, CTLE

振幅

周波数

@Tx @Rxインターコネクト



クロストークの影響

病理学的な最悪条件 : カップリングした2インチの伝送路

5 mil のライン幅、5 milのライン間隔

マイクロストリップ構造

25 psecの立ち上がり時間

5 Gbpsの伝送レート

aggressor

victim

クロストークのあるコネクタ

クロストークのない受信端信号

クロストークのある受信端信号

遠端クロストーク特性


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スプリットラインの近端クロストークの最悪ケース

どちらが近端クロストークに影響するかカップリング、スペース?

(近端クロストークは立ち上がり時間と長さには関係しない)ライン幅 5 mil差動インピーダンス 100 Ω

(逆走)

強いカップリングがある状況で、約 1 dBクロストークを削減できる。

クロストークを減らすには、Aggressorから距離を離す

クロストークを-40 dB以下にするには、スペースをトレース幅の2倍以上

3つのカップリング条件:強いカップリング：スペース= トレース幅ゆるいカップリング: スペース = 2 x トレース幅カップリングなし: スペース = 3 x トレース幅

aggressorvictim

カップリングスペース

スペース (mil)テレダイン・レクロイ・ジャパン株式会社


チャンネル間クロストークを最小化設計項目良否の方向

Aggressor のTXとvictim のRX 、同期又は非同期通常、非同期が悪い

チャンネル間スペース大きいほうが良い

遠端クロストーク:マイクロ・ストリップ･ライン又はストリップ･ラインストリップ・ラインが良い

近端クロストーク: マイクロ・ストリップ･ライン又はストリップ･ラインチャンネル間スペース >ライン幅の2倍では、ストリップ・ラインが良い

差動インピーダンス通常、インピーダンスが低い方が良い

インターリーブ又はノンインターリーブマイクロ･ストリップ・ライン:インターリーブでは最良ストリップ・ライン:ノンインターリーブでは最良

ライン間カップリングカップリングは強いほうが常によい。しかし、適切なリターン・プレーンがあれば、カップリングは決定的な要因にはならない。

近接する x-y の配線する層不用意なボード側のカップリングを避ける

カップリングの長さ短い方が常に良い

立ち上がり時間長い方が常に良い

ビットレート立ち上がり時間が短くなるように、通常悪化する


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モード変換

全ての非対称性によって差動信号がコモンモード信号に変換される

V1とV2の電圧レベルをシフトさせて、差動の関係(逆方向で同じ大きさ)を崩す全ての要因

V1とV2の相対タイミングをずらす全ての要因

トレース断面の非対称性

トレース長のスキュー

Dk(比誘電率)によるスキュー

パッド/ビアによるスキュー

ドライバによるスキュー

コネクタによるスキュー

カップリングと反射には対策がない

それなら?1. 差動信号の歪

2. コモンモード信号がUSTP(ツイストペア)に加わる場合に、起こりうるEMIの問題

3. コモンモード信号は差動信号に再変換される可能性あり

U2

TL2TL1

TL3

U1

1

2

1

2

差動信号の振舞いは?コモンモード信号の振舞いは?

Vdiff = V1 – V2Vcomm = 1/2 (V1 + V2)

コモンモード信号

差動信号

RT = 50 ps, Increasing TD skew by 20 psec at a time



モード変換の影響 #3: コモンモード信号の変動と、差動信号への再変換

Skew = 20 psec(10% UI)(Len ~ 120 mils)

Skew = 60 psec(30% UI)

Skew = 100 psec(50% UI)

Skew = 0 psec

コモンモード信号の終端ありコモンモード信号の終端なし

コモンモード信号の終端あり

コモンモード信号の終端なし


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モード変換の軽減

問題の原因を取り除く: ペアの信号ラインを対象に、等長にする

短い取り出し線に調整用に長さを足す

ガラス繊維によるスキューに注意する

影響を最小化する: コモンモード信号を終端

(ドライバーでは通常起こらない)

インピーダンスの不連続点で信号が反射する場合には、問題が残る場合がある。



対処すべき4つの主問題

Losses(損失) 基板

ケーブル

Reflections(反射) インターコネクト間

ビア

Noise：Cross talk(ノイズ/クロストーク) 基板(リターン・プレーン)

パッケージ

コネクタ

Mode Conversion(モード変換) ルーティング

ファイバー繊維

コネクタ受信端

送信端

秘密の呪文：LRN-M (Losses, Reflections, Noise, Mode Conversion)テレダイン・レクロイ・ジャパン株式会社

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内容







エリック・ボガティン博士のセミナーから（２）

クロストークの話題から


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Cheat #2: How Current Flows in Transmission lines

どうやって電流は流れますか?

伝送ラインにどうやって電流が流れるかの誤解

を招くきます

小学校の時の“電流”のイメージ



電流は信号のリターン・パス・ループに沿って、伝搬と還流の方向に沿って流れる

信号

電流ループは２つの方向をもつ:1. 伝搬方向2. 還流方向

それらは独立!

+++

=+++

- - - +++

I変位電流


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いつマクスウェルの方程式が必要か？

電界・磁界に空間的変動が生ずる場合

伝搬する電磁界

伝搬モードが変化するとき

一般に長さ＞～ λ/10



アプリケーション #1: 遠端クロストークは本当はどこから来るか？

非常に異なったシェイプ非常に異なった振幅

RT1 v 入射信号

近端(Near end)signal

near

V

VNEXT

遠端(Far end) signal

far

V

VFEXT

入射信号伝搬信号

NEXT: 実測近端クロストーク

FEXT: 実測遠端クロストーク

200 psec/div

10% noise/div

RT = 100 psec

２つの同一マイクロストリップ：0.127mm幅 / 離間、10cm長近端クロストーク(NEXT)/遠端クロストークIFEXT)実測


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相互インダクタンス、相互キャパシタンスからのクロストーク考察

1

2

Vv = 15cm/nsec

x = RT x v

1

2時計回りの信号電流

反時計回りの誘導電流

@ 近端: IC + IL

@ 遠端: IC - IL

Ic=ILの時の遠端ノイズは？Ic=ILの時のジオメトリは？



ストリップラインでのFEXTの除去縁端で測定、近端を終端、TDT端をOPEN

違い:

マイクロストリップの遠端クロストーク:

IL > IC

ストリップラインには遠端クロストーク無し:

IL = IC

TDR open50 Ohms 遠端ノイズ

なぜ?

MicrostripStripline

TDR response

Noise response


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遠端クロストークを考える別の方法

Odd mode Even mode

500 psec/div

TCC21TDD21

どちらの信号がより早く伝達?



遠端クロストークを考える別の方法

= ½ ½ +

何が出てくる?

遠端クロストークは、実際には差動と同相信号の伝播速度差によるものである

ストリップラインでの遠端ノイズはどうなるだろうか？


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Microstrip vs. Stripline

1. 差動と同相の速度差なし2. 遠端クロストークなし

SCC21

SDD21

SCC21

SDD21

Odd mode Even mode



詳しい情報はWebへ

WWW.BeTheSignal.com

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