表征高速高密度背板中的串扰效应 - CENTELLAX

CENTELLAX··[e-mail]·866.522.6888Specificationssubjecttochangewithoutnotice.Copyright©2001-2010Centellax,Inc.PrintedinUSA.Sep2010iCENTELLAXCharacterizingCrosstalk表征高速高密度背板中的串扰效应WilliamSitchCentellax,Inc.August2010AN24摘要本文概述了串扰的不利影响，对比分析了串扰测量的几种方法，并详细介绍了高密度高速背板上串扰的鉴定方法。使用了基于误码率的抖动测量方法来量化近端串扰、远端串扰以及干扰信号源的相位扫描时引入的抖动。内容串扰的定义......................................................................................................................2 串扰的仿真...................................................................................................................2 串扰的测量...................................................................................................................3 在频域测量串扰引入的信号......................................................................................3 在时域测量串扰引入的信号......................................................................................5 在时域测量被干扰通道的抖动...................................................................................6 表征AdvancedTCA背板的串扰.......................................................................................8 背板与测试环境............................................................................................................9 测试仪器(PCB12500)................................................................................................12 测量结果....................................................................................................................13 参考文献........................................................................................................................15 CENTELLAX··[e-mail]·866.522.6888Specificationssubjecttochangewithoutnotice.Copyright©2001-2010Centellax,Inc.PrintedinUSA.Sep20102CENTELLAXCharacterizingCrosstalk串扰的定义串扰是某一个数据或时钟信号的部分能量耦合到了另一电路或系统。串扰是由容性耦合或感性耦合的电磁场引起的模拟信号的干扰。在任何复杂的三维结构上高密度的高速信号布线都容易产生串扰，这会导致以下信号完整性问题：z噪声增加（降低了信噪比SNR）z增加了数据边沿的抖动（减少了器件的规范要求的余量）z无用信号的反射（减小信号检测器的灵敏度）优化设计可以减轻串扰的影响。增大信号和时钟线之间的物理间距，减小并行走线的长度，使用更多的地平面的多层板、使用差分信号都可以减小串扰。遗憾的是，当前更小的设备上有更多的数据和时钟线，这些优化设计方法的作用是有限的。要有效的减小串扰，需要结合良好的布局设计与工程实践经验，必要时，在生产线中进行相关测试，以确保制造公差导致的变化足够小。串扰的仿真最近，电路仿真工具在分析电路性能上有很大进展，但是仿真串扰的能力仍然有限。串扰影响的程度取决于器件和传输线的物理布局和电气特性，但是，很难精确的对器件和传输线建模。现实世界中，串扰通常有多种来源，进一步使串扰的仿真变得复杂。一个多通道的10Gb/s开关电路会受到许多不同组件产生串扰的影响：在ASIC或电路级设备、用于连接集成电路到封装基板的bondwire、陶瓷封装、塑料或金属封装、连接封装芯片之间的PCB、连接器和背板。对每个组件进行建模很有挑战性的，尤其是要考虑不同组件的几何尺寸和制作公差，而且从连接器到IC进行建模需要花费大量的精力，建模后的也需要大量的、长时间的计算和处理。如果考虑相邻的干扰源（aggressorchannel）产生不相关的信号，则指数级的增大了电磁场建模的复杂度，进一步增加了对整个系统的串扰进行建模的复杂性。串扰的模型的特点是多个相互独立的靠近victimchannel的发送端或接收端的干扰源，几乎不能被任何商用仿真软件有效的仿真。测量串扰是制作高速高性能设备的关键步骤，测试到设备的最差性能，可以确保产品的设计能支持足够的通道和密度，是产品开发中必须的过程。CENTELLAX··[e-mail]·866.522.6888Specificationssubjecttochangewithoutnotice.Copyright©2001-2010Centellax,Inc.PrintedinUSA.Sep20103CENTELLAXCharacterizingCrosstalk串扰的测量可以使用不同的方法测量串扰，每一种方法使用不同的仪器，测量的结果也是不一样的。图1总结了各种串扰测量方法。测量参数时域/频域n优点缺点S参数(多通道VNA)频域可测量到封装的谐振频率点；适合量化模拟和射频电路中的串扰串扰的激励是扫频的正弦波，而不是由连续的矩形波激励产生的；很难仿真多个干扰源；测量结果与串行数据的常用参数不大相关电压(脉冲发生器和示波器)时域可定位串扰的耦合位置；可仿真多个aggressor的串扰不能仿真aggressor和victim的相位差变化时的串扰变化；测量结果与实际的高速串行数据链路只有少部分的参考性总体抖动(误码仪BERT)时域测量aggressor对victimchannel的串扰引入的抖动，可以实测多个agressors产生的串扰；可以改变aggressor和victim的相位关系不能确定串扰耦合的位置图1：串扰的测量方法汇总在频域测量串扰引入的信号频域测量是一种经典的测量串扰的方法，在aggressor通道上输入可调频率的正弦波作为激励，提取另一通道的S参数。这种测试使用矢量网络分析仪（VectorNetworkAnalyzer，简称VNA）；测量得到的S参数表示了在不同频点从aggressor通道耦合到victim通道的能量（详见参考文献viii）。这种测量方法主要的缺点就是使用S参数来测量串扰。串行数据系统是由多个高速数据链路组成，而不是多个链路上扫频的正弦波。串扰效应不是连续的正弦波引起的现象，而是高速信号在比特翻转时victim和aggressor通道间的耦合效应。串扰效应可以用快速的上升下降沿来放大，这是扫频的正弦波无法实现的。CENTELLAX··[e-mail]·866.522.6888Specificationssubjecttochangewithoutnotice.Copyright©2001-2010Centellax,Inc.PrintedinUSA.Sep20104CENTELLAXCharacterizingCrosstalkPort3Port1Port2Port4VictimChannelAggressorChannelPort3Port1Port2Port4Port3Port1Port2Port4VictimChannelAggressorChannel图1–S-parametermeasurementsetup图2–12-portVNAsystemviii在图2中，使用了一个4端口VNA系统来测量一个aggressor的串扰。产生多个aggressor通道的激励源时，需要增加VNA的端口数量是aggressor的两倍，而且，每个aggressor通道只能独自扫频测量（详见参考文献viii）。使用S参数测量来量化串扰的第二个缺点是很难把测量结果与串扰效应关联。图4显示了某个多端口VNA的测量结果。测试数据显示了静态的正弦波，在某个频段内，从一个aggressor耦合到victim通道的能量在-70dB到-30dB，但是这个结果很难说明：眼图是否闭合、误码率是否增大、或者串行数据系统中其他参数发生变化。由OIFCEI开发的开源软件StatEye，可以输入S参数，估算出victim通道上的串扰，但是，这个结果是计算出来的，不是实测的，其准确性主要由StatEye软件的设置决定的。因此，Centellax强烈推荐把仿真计算的结果与实测结果进行对比。图3–S-parametermeasurementresultsviiCENTELLAX··[e-mail]·866.522.6888Specificationssubjecttochangewithoutnotice.Copyright©2001-2010Centellax,Inc.PrintedinUSA.Sep20105CENTELLAXCharacterizingCrosstalk在时域测量串扰引入的信号第二种测量串扰的方法是用脉冲发生器作为aggressor通道的激励，使用示波器测量耦合到victim通道上的波形，如图5所示。PulseGeneratorVictimChannelAggressorChannelOscilloscopeMatchingPad*MatchingPad**ImpedancematchingnetworksareusedifAgressororVictimchannelsarenot50ΩPulseGeneratorVictimChannelAggressorChannelOscilloscopeMatchingPad*MatchingPad*MatchingPad*MatchingPad**ImpedancematchingnetworksareusedifAgressororVictimchannelsarenot50Ω图4–Time-domaininducedsignalmeasurementsetup示波器通过捕获aggressor通道耦合到v