Technologie PCB - Traitement de l'intégrité du signal dans la conception de cartes à grande vitesse avec Serial RapidIO Switching

Les problèmes d'intégrité du signal (si) deviennent une préoccupation croissante pour les concepteurs de matériel numérique. Avec l'augmentation de la bande passante de débit de données pour les stations de base sans fil, les contrôleurs de réseaux sans fil, les infrastructures de réseaux câblés et les systèmes avioniques militaires, la conception de cartes de circuit imprimé devient de plus en plus complexe.

Actuellement, les liaisons série à grande vitesse entre puces ont été largement utilisées pour améliorer les performances globales de débit. Les processeurs, les FPGA et les processeurs de signaux numériques peuvent transmettre de grandes quantités de données les uns aux autres. En outre, les données peuvent devoir être envoyées à partir de la carte et transmises via le fond de panier à la carte de commutation, qui peut envoyer les données à d'autres cartes dans le châssis ou à d'autres endroits dans le "système". Les commutateurs compatibles RapidIO permettent l'interconnexion entre ces différents composants et sont largement utilisés pour répondre aux exigences de bande passante en temps réel de ces applications.

Cet article traite principalement des problèmes d'intégrité du signal liés à la conception d'interfaces haute vitesse (les principales fonctionnalités des commutateurs RapidIO prennent en charge ces conceptions d'interfaces haute vitesse) et d'autres questions connexes. La fonction de commutation RapidIO est optimisée pour une plus grande intégrité du signal dans une conception à haute vitesse.

Défis de conception d'interface haute vitesse

La qualité du signal est très importante pour tous les aspects du système. Pour Serial RapidIO, la qualité du signal est quantifiée par la taille du diagramme oculaire reçu. Le diagramme de l'œil récepteur est une trajectoire infiniment continue dans laquelle la forme d'onde sera répétée avec la trajectoire précédente. Plus le diagramme de l'œil est ouvert, meilleure est la qualité du signal.

La qualité du signal peut être affectée de plusieurs façons: bruit ou autres signaux encombrés dans les canaux de signal, mauvais câblage des canaux de signal, conduction ou rayonnement de sources externes, et bruit généré par le système lui - même. La combinaison de tous les facteurs ci - dessus entraînera une contraction de l'ophtalmoscope récepteur. En plus des problèmes au niveau de la carte, l'intégrité du signal peut également être affectée par la source (côté émission) et la destination (côté réception) de la connexion. Par conséquent, les caractéristiques IC source et destination doivent être prises en compte dans l'intégrité du signal au niveau du système.

Considérations de conception au niveau de la plaque

En ce qui concerne la conception de la carte, les facteurs communs à prendre en compte comprennent:

1. Entrée d'alimentation de la carte, sortie et distribution du régulateur local

2. Génération et distribution d'horloge

3. Découplage

4. Matériel de base de PCB

5. Connexion entre puces

6. Connexion entre les cartes et connexion du panneau arrière

7. Empilement de carte et contrôle d'impédance

8. Connecteurs inter - rack, câbles et connecteurs

Lorsque les fréquences de fonctionnement sont supérieures à 300 MHz, la plupart des meilleures pratiques de conception applicables à la conception de cartes à basse fréquence doivent être modifiées. Les facteurs qui apparaissent doivent être pris en compte lorsque la longueur d'onde est comparable à la taille de la carte. Ceci s'applique non seulement aux longueurs d'onde de la fréquence fondamentale, mais aussi aux composantes de Fourier (Domaine fréquentiel) qui constituent la forme d'onde complète.

Le matériau fr4 peut encore être utilisé avec succès comme matériau de base pour les cartes, mais à des fréquences plus élevées, il est nécessaire de tenir compte non seulement de la constante diélectrique du matériau, mais également du facteur de perte. La conception des trous de passage devient également très importante, car l'impédance des longueurs de tube inutilisées (avec un effet négligeable à des fréquences plus basses) ne correspondra pas à celle des cartes de circuit imprimé et des plaques de fond plus épaisses. Il est préférable de terminer la simulation post - conception pour attirer l'attention sur le câblage où l'intégrité du signal n'est pas idéale et indiquer la zone de diaphonie.

Les problèmes spécifiques d'intégrité du signal sur une carte sont causés par la présence d'un bus de processeur rapide et d'interfaces de mémoire rapide, la génération d'horloge et le bruit d'horloge, ainsi que par diverses sources de bruit de carte, comprenant généralement: un bus parallèle à extrémité unique, la distribution de puissance, l'adaptation d'impédance, le rebond de masse, la diaphonie et la génération d'horloge.

Commutateurs série RapidIO

Les interconnexions Serial RapidIO peuvent être utilisées pour traiter certains des problèmes d'intégrité du signal discutés ci - dessus. RapidIO est un standard ouvert éprouvé pour l'interconnexion entre les puces, les cartes et les châssis. Il a été conçu par les principaux fabricants de l'informatique embarquée pour répondre aux besoins en équipement des marchés de l'infrastructure sans fil, des réseaux, du stockage, de la science, de l'armée et de l'industrie. Exigences en matière de fiabilité, de rentabilité, de performance et d'évolutivité.

RapidIO est un protocole d'interconnexion à commutation de paquets point à point conçu pour répondre aux besoins des applications embarquées actuelles et futures. La spécification RapidIO Physical Layer 1x / 4x Link Serial peut répondre aux exigences de support de couche physique des appareils utilisant une connexion série électronique. Cette spécification définit une interface de couche physique série Full Duplex (lien) entre les dispositifs utilisant la signalisation différentielle unidirectionnelle. En outre, il permet également de combiner quatre liens série pour les applications nécessitant des performances de liaison plus élevées. Il définit également des protocoles pour la gestion des liens et la transmission de paquets de données sur les liens.

L'architecture du système RapidIO se compose de composants de point de terminaison et d'une structure de commutation reliant les points de terminaison. Imaginez un point de terminaison comme point de départ dans un système de courrier et un commutateur comme intercepter un colis et l'envoyer au Bureau de poste de votre destination. L'architecture d'interconnexion RapidIO est divisée en architectures hiérarchiques selon les spécifications, comprenant une couche logique, une couche de transport commune et une couche physique. La couche physique du Protocole RapidIO est gérée par un sérialiseur - désérialiseur de puces (Serdes). Les caractéristiques de Serdes ont un certain impact sur les problèmes d'intégrité du signal rencontrés par les concepteurs de matériel lors de la conception de leurs cartes. De nombreux autres aspects de la conception du commutateur affecteront également l'intégrité du signal.

Les caractéristiques du commutateur RapidIO simplifient la conception de la carte pour une intégrité de signal élevée

Génération d'horloge

En ce qui concerne l'initiateur, le commutateur srio doit avoir un signal d'horloge non bruité permettant une faible gigue. Le signal à faible gigue a essentiellement la propriété d'un faible bruit de phase. Si l'on augmente le signal d'horloge d'entrée pour obtenir un signal de sortie de fréquence plus élevée, le circuit à puce doit être optimisé pour générer un bruit de phase minimal. Le tundraâ tsi57x Serial RapidIO Switch produit un signal de sortie jusqu'à 3125 GHz en utilisant des horloges 125mhz et 155mhz et un PLL intégré amplifié à faible bruit. De nombreux produits utilisent des circuits indépendants pour réaliser les fonctions ci - dessus et ne peuvent donc pas atteindre une faible gigue comme les puces Tundra Switch. La clarté du signal de sortie n'est pas aussi bonne que lorsque vous utilisez une puce de commutation Tundra, ce qui rend la conception de la carte difficile à tolérer les autres problèmes d'intégrité du signal au niveau de la carte discutés ci - dessus.

Pré - accentuation de transmission programmable et égalisation du récepteur

Dans la conception d'une carte de circuit à grande vitesse, l'atténuation du signal doit être prise en compte car le signal est transmis de la puce à la puce via la carte ou le fond de panier. En bref, lorsque le signal réel atteint la fin, son intensité diminue et un déphasage peut se produire. En général, dans tous les milieux, les harmoniques de fréquence supérieure ont une plus grande proportion d'atténuation des harmoniques de fréquence inférieure. Il ne suffit pas d'amplifier le signal global car il amplifie le bruit de fond et ne résout pas le problème du déphasage. Les commutateurs et les terminaux Serial RapidIO (comme tous les autres modèles haute vitesse tels que GBE et 10gbe) utilisent la technologie pour éviter ce problème et préserver l'intégrité du signal d'origine.

Pour comprendre les effets de la préaccenturation de transmission et de l'égalisation du récepteur, vous pouvez consulter le diagramme de l'œil. L’objectif est d’atteindre une « grande ouverture des yeux ». Si vous n'utilisez pas ces techniques, le diagramme de l'œil commencera à « s'éteindre».

La technique de préaccenturation de transmission permet d'ajouter des fréquences élevées au signal de transmission pour résoudre les problèmes d'atténuation du signal et de déphasage entre les points d'extrémité. Ainsi, au lieu de simplement amplifier toutes les fréquences (cette approche augmente également la consommation électrique globale de la puce de commutation), la préaccenture de transmission permet d'améliorer efficacement la forme d'onde de sortie par une fonction de transmission, d'augmenter les hautes fréquences de la forme d'onde de sortie et de la contrôler à l'aide d'un composant virtuel; un déphasage est effectué pour résoudre le déphasage induit par le milieu de transmission. Cette méthode est très efficace pour maintenir l'intégrité du signal et maintenir le diagramme de l'œil.

Bien que la préaccenturation de transmission soit généralement appliquée dans de nombreux circuits intégrés à haut débit afin d'optimiser l'intégrité globale du signal au niveau du système, la préaccenturation de transmission "côté émission" doit être utilisée en combinaison avec l'égalisation du récepteur "côté réception". L'égalisation du récepteur utilise la fonction de transmission Enhancer pour compenser les pertes de transmission haute fréquence et les déphasages causés par la carte et le fond de panier. Étant donné que ces pertes de transmission se produisent avant que le signal n'atteigne l'IC de destination (commutateur Serial RapidIO dans cet article), les commutateurs doivent généralement prendre des mesures pour compenser ces pertes avant que le signal ne soit envoyé à la partie de transmission suivante (un autre commutateur) ou au point de terminaison du système. L'effet de l'égalisation du récepteur est similaire à celui de la préaccenturation de la transmission, ce qui permet d'améliorer le rapport signal sur bruit global. Remarque: chaque lien connecté à la puce du commutateur peut avoir des caractéristiques différentes.

De même, les besoins d'égalisation des récepteurs seront différents pour chaque liaison et devront être programmés avant utilisation. Tous les commutateurs Tundra RapidIO tsi57x disposent de cette fonctionnalité qui simplifiera considérablement la conception au niveau du système en termes d'intégrité du signal.

Conception de commutateurs synchrones et asynchrones

Serial RapidIO standard prend en charge trois taux de liaison différents: bauds 1,25g, bauds 2,5g et bauds 3125g. Les commutateurs peuvent être divisés en deux catégories: synchrone et asynchrone.

Un échange synchrone est un échange dans lequel tous les ports doivent fonctionner à la même vitesse.

Un échange asynchrone est un échange dans lequel chaque port peut fonctionner à la fréquence requise pour les besoins de Traffic d'un lien particulier.

Dans la plupart des applications, la meilleure solution est la commutation asynchrone, qui a non seulement l'avantage de répondre aux besoins de communication avec une consommation d'énergie globale du système inférieure, mais a également moins d'impact sur la diaphonie en termes d'intégrité du signal.

Emballage et interconnexion

Les problèmes d'intégrité du signal peuvent être largement influencés par la conception de l'emballage et des matériaux de base. Par exemple, une puce inversée haute performance et un boîtier de liaison par fil peuvent améliorer la transmission de puissance et réduire les pertes de retour. Pour les commutateurs RapidIO, il est important d'améliorer l'adaptation d'impédance pour maintenir une impédance différentielle de 100 ohms et une faible variation. Flip Chip Packaging peut aider à améliorer la situation ci - dessus.

Cartographie sphérique efficace

Les fournisseurs de silicium peuvent choisir la cartographie sphérique pour simplifier la transmission du signal de la puce à la grille à billes, mais son rôle ne se limite pas à cela. Idéalement, la mise en œuvre globale au niveau du système sera prise en compte lors de la conception du diagramme sphérique. Par exemple, lors de la conception d'un diagramme sphérique, n'oubliez pas de connecter l'IC périphérique à la puce de commutation. La conception doit être optimisée pour minimiser le nombre de couches et la surface requise, ce qui peut améliorer l'intégrité du signal de la conception finale. Un IC équipé d'une cartographie sphérique assez dense nécessite de nombreuses couches sur la carte pour envoyer le signal hors de l'IC, ce qui conduit à une conception de niveau système coûteuse. Un autre problème est la diaphonie entre les canaux de signal, qui a été mentionné ci - dessus lors de la discussion des différences entre les commutateurs RapidIO synchrones et asynchrones. Le problème étroitement lié à la diaphonie entre les canaux de signal et à une cartographie sphérique efficace est l'espacement entre les broches d'alimentation et les broches de terre. Si vous insérez trop de ports Serial RapidIO dans un petit boîtier, cela peut entraîner des problèmes d'intégrité du signal en raison de la diaphonie, ce qui peut entraîner des « yeux fermés» lorsque le signal est transmis du commutateur au point de terminaison.

Compétences en Conventions de conception

Passons maintenant en revue un autre aspect de l'intégrité du signal, à savoir les problèmes de conception au niveau de la carte. Les concepteurs peuvent adopter de nombreuses directives de conception pour contrôler les effets du bruit. Généralement, de bonnes pratiques de conception peuvent aider les concepteurs de cartes à contrôler le bruit de signal généré par les communications au niveau de la carte, y compris la limitation des sources de bruit externes et la résolution du bruit du dispositif lui - même.

Tout d'abord, toutes les conceptions doivent utiliser la largeur de piste, l'espacement et la topologie appropriés pour s'assurer que l'impédance de chaque piste correspond à son périphérique de transmission. La désadaptation d'impédance peut affecter la qualité des bords d'attaque et de fuite, le temps de retard stable, la diaphonie et l'EMI.

Il faut s'assurer qu'il existe un espacement suffisant des canaux entre les groupes de signaux de synchronisation, limiter la longueur des canaux et minimiser le décalage entre les signaux de la paire différentielle. Lors du câblage, le nombre de transitions de couche de câblage doit être minimisé afin de limiter les effets parasites. Le coût des porosités excessives dans les inductances inutiles et les capacités parasites est très élevé et doit être minimisé. En plus des plots BGA, chaque canal permet généralement jusqu'à deux perçages.

Une vérification approfondie de l'intégrité du signal est essentielle. À l'aide d'effets parasites estimés, l'analyse pré - conception peut fournir les données nécessaires pour comprendre les performances de la conception, mais des effets parasites précis post - conception peuvent fournir les détails nécessaires pour détecter les problèmes potentiels d'intégrité du signal. Avec cette méthode, vous pouvez créer une table de réseau de circuits pour la simulation et enregistrer les résultats.

Une bonne intégrité du signal peut être obtenue si le canal et le canal de signal sont aussi courts que possible, masqués par la couche de masse ou physiquement séparés l'un de l'autre, et en prenant soin d'éviter les désadaptations d'impédance ou toute configuration conduisant à la résonance.

Choisissez la puce de commutation Serial RapidIO pour une plus grande intégrité du signal

Comment choisir un commutateur Serial RapidIO? Tout comme les bonnes pratiques de conception peuvent aider les concepteurs de cartes à contrôler le bruit de signal généré par les communications au niveau de la carte, les concepteurs de matériel doivent également considérer de manière proactive que la génération d'horloge, la pré - accentuation de la transmission et l'égalisation de la réception, les technologies d'encapsulation optimisées, la cartographie sphérique efficace et les commutateurs Serial RapidIO conçus de manière asynchrone peuvent assurer une intégrité de signal élevée pour les conceptions au niveau du système. Il est clair que, lors du choix d'une interface série, la puce choisie par le concepteur doit non seulement avoir une fonction appropriée, mais aussi être une puce de commutation conçue pour résoudre le problème du signal à grande vitesse.

Actuellement, Tundra Semiconductor peut offrir trois générations de produits de commutation série RapidIO avec les caractéristiques ci - dessus. La gamme de produits tsi57x comprend tsi574, tsi576 et tsi578. Le nombre de ports varie de 4 à 16 et la vitesse de fonctionnement de 1,25g à 3125g. Chaque port prend en charge les canaux X1 et X4 au choix, avec une consommation de 120 à 200 MW par port. La gamme de produits tsi57x présente toutes les caractéristiques d'intégrité du signal décrites ici, y compris la préaccenturation de la transmission et l'égalisation du récepteur. Par rapport à la précédente gamme de produits tsi56x, le produit ajoute plusieurs nouvelles fonctionnalités, notamment des fonctions de multidiffusion et de surveillance des performances matricielles. En outre, de nombreuses fonctions avancées de gestion des communications sont optimisées pour répondre aux exigences de haute performance des applications telles que les stations de base sans fil, les contrôleurs de réseau sans fil, les infrastructures de réseau câblé et les systèmes avioniques militaires.

Résumé de cet article

L'analyse ci - dessus montre que si vous connaissez les règles de conception de base, tout problème traditionnel lié à une mauvaise intégrité du signal, comme le bruit, les effets transitoires, la diaphonie ou la gigue, peut être évité lorsque des interconnexions haute fréquence telles que Serial RapidIO sont utilisées dans le système.