2012/7/4 DPD_1 Differential Pairs Slide‐1 目からウロコ! チャネル設計手法 Dr. Eric Bogatin, Signal Integrity Evangelist, Bogatine Enterprises www.beTheSignal.com 11/1/2011 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 Channel Design www.beTheSignal.com Slide‐2 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 www.beTheSignal.com 1 2012/7/4 Channel Design Slide‐3 詳しい情報はWebへ WWW.BeTheSignal.com 最新のドキュメント 今後のセミナースケジュール My Blog： 今月学んだこと Webinarのアーカイブ オンライン・トレーニング www.ProntedCircuitUniversity.com www.beTheSignal.com Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 Channel Design Slide‐4 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 SATA (serial ATA)/SAS 1.5, 3, 6, 12 Gbps PCI Express 2.5, 5, 8 Gbps Infinibad 2.5, 5, 10 Gbps USB 0.012, 0.48, 5 Gbps Gigabit Ethernet 0.01, 0.1, 1, 10, 25, 100 Gbps XAUI 3.125, 6.25, 10 Gbps www.beTheSignal.com 2 2012/7/4 Channel Design Slide‐5 現実世界： インタコネクトは、信号を歪みも減衰もなく 完璧に伝送することはできない。 Tx Rx 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 送信端 受信端 www.beTheSignal.com Channel Design Slide‐6 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。 www.beTheSignal.com 3 2012/7/4 Channel Design Slide‐7 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 www.beTheSignal.com Channel Design Slide‐8 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 1.ステップ応答 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 2.単一ビット応答 3.PRBS応答 アイパターン Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 4.チャンネルと周波数応答 www.beTheSignal.com 4 2012/7/4 Channel Design Slide‐9 インパルス応答は、符号間干渉(ISI)を特定 Sパラメータで特性評価 200ps UI 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。 www.beTheSignal.com Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 Channel Design Slide‐10 対処すべき4つの主問題 送信端 • 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 秘密の呪文：LRN‐M (Losses, Reflections, Noise, Mode Conversion) Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com 5 2012/7/4 Channel Design Slide‐11 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 TDD11 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 www.beTheSignal.com Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 Channel Design Slide‐12 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 • • • • • • • 入り組んだリターンパス ：スタブ・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 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 • • • • • • 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 www.beTheSignal.com 6 2012/7/4 Channel Design Slide‐13 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 スタブなし スタブ長：1インチ 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) スタブ長：0.3インチ RT(Rise Time):立ち上がり時間 www.beTheSignal.com Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 Channel Design Slide‐14 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 小さなパッド、グランド抜きあり S21 小さなパッド 大きなパッド、グランド抜きあり 大きなパッド 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 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com 7 2012/7/4 Channel Design Slide‐15 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 0111111000000 0111101000000 0111001000000 0110001000000 0100001000000 “データ0”のビット Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 Channel Design www.beTheSignal.com Slide‐16 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 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com 8 2012/7/4 Channel Design Slide‐17 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 立ち上がり時間の なまりは発生しない 振幅 周波数 周波数 www.beTheSignal.com Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 Channel Design Slide‐18 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 – – • 一次的対処 – – – • 導通損 誘電損 振幅 • @Tx インターコネクト @Rx 周波数 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 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com 9 2012/7/4 Channel Design Slide‐19 クロストークの影響 クロストークのあるコネクタ • 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 クロストークのない受信端信号 遠端クロストーク特性 クロストークのある受信端信号 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 Channel Design www.beTheSignal.com Slide‐20 スプリットラインの近端クロストーク の最悪ケース カップリング スペース victim aggressor ライン幅 5 mil 差動インピーダンス 100 Ω 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) ( 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 (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 スペース (mil) Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com 10 2012/7/4 Channel Design Slide‐21 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 www.beTheSignal.com Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 Channel Design Slide‐22 モード変換 Vdiff = V1 – V2 Vcomm = 1/2 (V1 + V2) TL1 U1 TL2 1 U2 1 • 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 2 TL3 2 差動信号の振舞いは? コモンモード信号の振舞いは? コモンモード信号 • 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 差動信号 RT = 50 ps, Increasing TD skew by 20 psec at a time Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com 11 2012/7/4 Channel Design Slide‐23 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 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 Skew = 0 psec Skew = 20 psec (10% UI) (Len ~ 120 mils) コモンモード信号の終端なし Skew = 60 psec (30% UI) コモンモード信号の終端あり Skew = 100 psec (50% UI) Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Channel Design Slide‐24 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。 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com 12 2012/7/4 Channel Design Slide‐25 対処すべき4つの主問題 • Losses(損失) 送信端 – 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 秘密の呪文：LRN‐M (Losses, Reflections, Noise, Mode Conversion) Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 Channel Design www.beTheSignal.com Slide‐26 詳しい情報はWebへ WWW.BeTheSignal.com 最新のドキュメント 今後のセミナースケジュール My Blog： 今月学んだこと Webinarのアーカイブ オンライン・トレーニング www.ProntedCircuitUniversity.com Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com 13
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