Tektronix高速信号互连测试和验证解决方案

Tektronix2011-5-3TektronixConfidential1Tektronix高速信号互连测试和验证解决方案泰克科技（中国）有限公司2011年3月2011-5-3TektronixInnovationForum20092日程安排在高速串行数据技术的推动下，性能指标日新月异TDR高速串行互连测试和验证–TDR的原理和应用–TDR在信号完整性SI(SignalIntegrity)中的应用泰克公司TDR测试解决方案泰克串行数据链路测试解决方案Tektronix2011-5-3TektronixConfidential22011-5-3TektronixInnovationForum20093当前的高速串行技术发展趋势持续增长的性能持续增长的性能10Gb10Gb1Gb1Gb100Mb100Mb10Mb10MbEthernet1066MHz1066MHz533MHz533MHz266MHz266MHz66MHz66MHzDRAM不断出现的新技术、新标准不断出现的新技术、新标准2011-5-3TektronixInnovationForum20094•接口从低速并行技术转向高速串行技术•数据速率继续提高：361012Gb/s•行业标准化，实现即插即用互连•消费电子成为更大的推动因素新数字世界推动因素–性能指标日新月异高速串行技术趋势和影响•千兆位数据速率需要性能更高的产品•行业标准提出了严格的测量和分析要求•测试整个系统，包括发射机、接收机和传输路径或电缆•要求广泛的产品系列及提高一致性测试的自动化程度•测试测量在标准机构中发挥着关键作用对测试测量的影响行业/技术/市场趋势GbETektronix2011-5-3TektronixConfidential32011-5-3TektronixInnovationForum20095Gb/s12345678910PCIExpressPCIeI(2.5Gb/s)PCIeIII(8Gb/s)PCIeII(5Gb/s)SATASATAII(3Gb/s)SATAIII(6Gb/s)XAUIXAUI(3.125Gb/s)2xXAUI/CEI(6.25Gb/s)光纤通道FiberChanel4.25Gb/sFBDFBD(4.8Gb/s)前端总线(FSB)FSB(6.4Gb/s)FSB(8Gb/s)转向第二代和第三代性能2011-5-3TektronixInnovationForum20096串行数据工程设计挑战准确建模、仿真和全面分析高速串行链路，包括I/O、封装、电路板、过孔、连接器和电缆。“必需对所有这些元件建立准确的模型，并能够对流程、电压、温度、PRBS激励码型等执行全方位的解决方案分析，以自动提取波形质量和眼图特点。大多数受访者都提到信号完整性问题，包括串扰、EMI、抖动、反射、封装噪声、时滞和静电。揭开各种信号完整性问题表面的面纱，可以看到底层问题在于仿真建模、检验和测试。“涉及的速度和布局技术使设计人员几乎不可能进行调试。“我们遇到的昀大问题是电路板上的信号轨迹布局。如果阻抗不匹配，或者元件没有正确布局，那么高速I/O线路会由于阻抗不匹配造成反射而发生问题。Source:EETimessurveyTektronix2011-5-3TektronixConfidential42011-5-3TektronixInnovationForum20097设计流程概览每一步都很重要，将会对以后的步骤产生深远的影响2011-5-3TektronixInnovationForum20098日程安排在高速串行数据技术的推动下，性能指标日新月异TDR高速串行互连测试和验证–TDR的原理和应用–TDR在信号完整性SI(SignalIntegrity)中的应用泰克公司TDR测试方案泰克串行数据链路测试解决方案Tektronix2011-5-3TektronixConfidential52011-5-3TektronixInnovationForum20099阻抗和信号完整性问题计算机、通信系统、视频系统和网络系统等领域的数字系统开发人员正面临着越来越快的时钟频率和数据速率，随之，信号完整性变得越来越重要。在当前的高工作速率下，影响信号上升时间、脉宽、时序、抖动或噪声内容的任何事物都会影响整个系统的性能和可靠性。为保证信号完整性，必须了解和控制信号经过的传输环境的阻抗。阻抗不匹配和不连续会导致反射，增加系统噪声和抖动，在整体上降低信号的质量。阻抗控制是当前许多数字系统、元器件规范的一部分，如USB2.0，Firewire（IEEE1394），PCIExpress，Infiniband，SerialATA，XAUI等规范。业内已经普遍使用仿真工具设计高速电路，仿真加快了设计周期，昀大限度地减少了错误数量。但是仿真之后，必须进行工程验证来检验仿真设计，这其中就包括阻抗测量。2011-5-3TektronixInnovationForum200910IPC规范了阻抗、差分阻抗的测试方法测试PCB、Cable、Connector等互连环境的特性阻抗的昀常用的方法是使用时域反射计TDR。TDR规范由IPC.org制订，可以在网站上免费下载：，下面就基于TDR规范介绍阻抗、差分阻抗测试方法，精确测量的校准方法，TDR的应用等内容。Tektronix2011-5-3TektronixConfidential62011-5-3TektronixInnovationForum200911PCB验证仿真布线是关键实测也必不可少–简单的短路测试–阻抗验证–接插件选择–串扰情况–……测试PCB、Cable、Connector等传输线特性阻抗的昀常用方法是TDR方法。2011-5-3TektronixInnovationForum200912典型应用：印刷电路板的特性阻抗测量高速互连：背板，转接头，插座等特性分析线缆，尤其是高速差分接口线的特性测量典型测试：单端与差分阻抗，齐模与偶模阻抗电感与电容测量串扰，传输延迟，衰减，眼图，回波损耗等测量频域S-参数测量典型的TDR应用Tektronix2011-5-3TektronixConfidential72011-5-3TektronixInnovationForum200913TDR概述及原理什么是TDR?TDR是时域反射计英文(TimeDomainReflectometry)的第一字母缩写–可以直观显示和测量电路反射的电能(PCB,电缆,IC封装,…).原理：当传输路径中发生阻抗变化,部分能量会被反射,剩余的能量会继续传输。只要知道发射波的幅度及测量反射波的幅度，就可以计算阻抗的变化。同时只要测量由发射到反射波再到达发射点的时间差就可以计算阻抗变化的位置。与雷达类似(是固定的,而不是旋转的),但它探测的是电路，而不是空中;观察到的阻抗不匹配不是飞机，而是坏连接器、分层PCB等等今天,基本TDR的多项扩展非常重要:–差分TDR–TDT–发送测量，而不是反射测量–串扰(差分,单端)2011-5-3TektronixInnovationForum200914TDR概述及原理——典型系统入射阶跃脉冲50ΩTDR阶跃脉冲发生器反射DSA8200示波器50Ω被测设备探头结果是入射值和反射值之和:入射反射采样电路TDR模块通道1.Tektronix2011-5-3TektronixConfidential82011-5-3TektronixInnovationForum200915TDR概述及原理——TDR单位:Rho单位;Z(非线性)11refZZLrefLrefZZZZreflectedincidentVV1foraShort1foranOpen00atZZ测得的计算的测得的Z幅度Open(Z=)(Z=50)时间Reflected+10-1t0t1Incident2011-5-3TektronixInnovationForum200916其中ρ是反射系数，Z0是参考阻抗（一般为50ohm，由测试系统决定），Z是待测阻抗。由此仪器可以计算显示出传输线各个点的阻抗，从而可以在仪器的屏幕上显示一条TDR曲线，曲线的每一点对应传输线上的每一点的反射系数或特征阻抗。TDR原理：TDR曲线映射着传输线的各点Tektronix2011-5-3TektronixConfidential92011-5-3TektronixInnovationForum200917TDR原理：TDR波形变化处反映寄生参数当传输线上存在寄生电容、电感（如过孔）时，在TDR曲线上可以反映出寄生参数引起的阻抗不连续，而且这些阻抗不连续曲线可以等效为电容、电感或其组合的模型，因而TDR也可以用来进行互连建模。TDA公司的IConnect软件就是一个典型的基于TDR的建模软件，可以直接装在DSA8200中调用TDR/TDT参数进行互连的建模仿真。2011-5-3TektronixInnovationForum200918TDR原理：TDR分辨率多种因素影响着TDR系统分辨间隔紧密的不连续点的能力。如果TDR系统的分辨率不足，间隔小或间隔紧密的不连续点可以平滑成波形中的一个畸变。这种效应不仅会隐藏某些不连续性，还可能会导致阻抗读数不准确。TDR测量时发出的阶跃脉冲的上升时间是影响TDR分辨率的昀关键因素：Tektronix2011-5-3TektronixConfidential102011-5-3TektronixInnovationForum200919分辨率要求基本分辨率,采用trise/2规则:让我们看一下实际分辨率Risetime,psResolutioninair,mmResolutioninFR4,buriedrun(v=0.446*Clight),mmTektronixproducts101.500.67152.251.0080E10203.001.3480E08284.201.8780E04406.002.6880E0415022.5010.0480E042011-5-3TektronixInnovationForum200920实际分辨率(演示电路板,微带)15ps反射上升时间,2.5mm间隔15ps反射上升时间,1.25mm间隔在1.25mm以下时会发生什么情况?不连续点没有消失，而是变成一个不连续点可以明显看出，能够使用15ps和80E10实现单个不连续点的亚毫米分辨率Tektronix2011-5-3TektronixConfidential112011-5-3TektronixInnovationForum200921差分TDR测量：越来越多的设计采用串行总线来传输高速信号差分结构：由于共模抑制，能够更好地抗干扰差分结构：由于抵消场，降低辐射噪声（EMI）差分结构：实现了更加精确的时序控制差分结构：由于抗干扰能力及降低辐射能量，减少了串扰差分结构：减少了由于电流瞬变导致的电源噪声由于信号完整性问题，越来越多的采用差分线来传输信号：2011-5-3TektronixInnovationForum200922TDR原理及其它：差分TDR入射阶跃脉冲反射TDS8200B示波器80E04TDR模块通道1和通道2SS假设平衡阶跃和电缆12ddZZZ{2)(21ddTektronix2011-5-3TektronixConfidential122011-5-3TektronixInnovationForum200923TDR的原理及其它：差分阻抗测量示意图差分阻抗测量示意图M1=C3+C42011-5-3TektronixInnovationForum200924TDR在信号完整性SI(SignalIntegrity)中的应用—