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高速背板互连信号完整性高级测量技术


  来源: 21IC中国电子网 时间:2018-11-05 编辑:思杨
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如今的电信系统、数据通信系统、复杂计算机系统等都依赖于高速串行数据传输,而前沿数字设计师们往往将系统能够达到的性能极限施压于铜材。随着超过1Gbps的串行链路的增多,信号完整性问题开始暴露出来,针对这类高速通道的物理层进行信号完整性优化,会收到惊人的效果。如果采用合适的设计工具和设计方法,我们就能清楚地了解信号传输的基本原理。为了打破兆兆位的界限,网络交换机和路由器中采用了一种先进的背板技术。这一成就部分得益于物理层元件中复杂的设计技术。设计过程的大部分时间都用在建模、仿真和测量验证上,利用既具备时域分析能力也具备频域分析能力的设计工具,我们可以将反射、串扰、阻抗失配和损耗这些复杂的现象均直观地显示出来。
  如今,业界已经开发一个10Gbps以太网的背板标准,作为802.3ap标准的一部分。其目的是利用普通的铜背板,不依靠光介质,在线路卡间传送10Gbps的以太网信号。为了达到高速数据传输目的,新的10Gbps串行信令方案的开发有了令人激动的进展,但最终的串行数据传输率上限很有可能受到物理层背板的信号完整性问题的限制。要想在整个背板上的芯片到芯片通道上全部实现一个阻抗受控的环境,需要设计人员十分小心谨慎,在这样的通道中,背板连接器则起着十分重要的作用。
  图1是典型的高速背板互连系统,一个单板上的芯片驱动串行信号通过单板,连接器,背板,连接器和另一个单板,到达接收端芯片。这个高速信号路径是典型的背板互连系统,现在业界通常的速率达到6.25Gbps,采样10Gbps以太网的背板速度高达10.3125Gbps,仿真,设计和验证都是非常复杂。

 

图1 典型的高速背板互连系统


  高速背板互连测试概述
  数字通信系统在较低的信号速率时,这些互连的电长度很短,驱动器和接收机一般是导致信号完整性问题的最主要因素。但随着时钟速率、总线速率及链路速率突破每秒千兆大关,物理层特性测试正变得日益关键。时域分析一般用来描述这些物理层结构的特征,但通常情况下,设计人员在测试时往往只考虑器件工作在其被期望的工作模式上时的情况。为了获得一个完整的时域信息,必须要测试反射和传输(TDR和TDT)中的阶跃和脉冲相应。为了全面描述物理层结构的特征,还必须进行频域分析。S参数模型说明了这些数字电路结构所展示出来的模拟特点包括:不连续点反射、频率相关损耗、串扰和EMI等性能。为使设备性能符合标准,眼图增加了重要的统计分析功能。为利用全面特性检定技术改善仿真能力,可以采用基于测试结果的S参数或RLCG模型提取技术。
  随着在多种工作模式下进行数字和模拟综合分析(时域和频域)变得越来越重要,要完成这些测试功能,通常需要使用多种测试仪表,同时操作多种仪表正变得越来越困难。物理层测试系统PLTS是为了解决这种困难而设计的。它使用已获专利的变换算法,自动地在频域和时域里表示在所有可能的工作模式(单端、差分、共模和模式转换)下所得到的前向和后向、传输和反射的测试数据。强大的虚拟码型发生器功能可以把用户定义的二进制序列应用到被测的数据上,形成仿真的眼图,也可进行模板测试。同时,可以提取高精度的RLCG模型,用来提高建模的仿真的精度。
  为了表征高速背板的实际信号传输性能,还需要进行背板的有源测试和分析。测试时在背板的输入端加载串行数据(分别加载理想的,带抖动的,带预加重的,可以调节信号速率),在背板的输出端用示波器测试串行数据经过背板传输后的结果,从而可以分析出背板对信号的影响,也可以测试出被测背板最高可以传输多高信号速率的串行数据。当进行背板的有源测试时,需要一台能够产生不同速率串行数据的码型发生器或误码仪,除了速率可调外,要能够产生小抖动、快上升时间的理想码型,要能够产生带各种抖动成分的抖动码型,要能够产生带预加重的预加重码型等。


  高速背板无源测试和分析:时域分析和频域分析
  高速背板无源测试和分析的连接图示如图2所示。对于3.125Gbps以上的高速背板测试,建议使用矢量网络分析仪VNA代替时域反射计TDR。矢量网络分析仪具有更高的测试精度(VNA动态范围可达:80dB以上,而TDR一般只有:40dB),更快的测试速度(校准速度:VNA支持电子校准件,校准速度快,精度高,TDR不能支持电子校准件,校准速度非常慢;测试速度:VNA一次测量即可,不用做平均,TDR需要多次测量做平均以改善低噪声)。VNA测试后需要转换成时域参数(TDR参数),TDR测量后需要转换成频域参数(S参数),以从多个角度测量高速背板。

 

关键词:信号系统 测试 芯片    浏览量:3739

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