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    Delay Tuning en las señales de alta velocidad: Todo lo que necesitas saber

    Zachariah Peterson
    |  September 14, 2020
    Delay Tuning en las señales de alta velocidad: Todo lo que necesitas saber

    Echa un vistazo a dos lecturas de señales en un osciloscopio, y podrás ver cómo los desajustes de longitud/tiempo entre las pistas de señales pueden disparar incorrectamente las compuertas posteriores. La situación se agrava cuando observamos el tiempo de desplazamiento de una señal de reloj master y el tiempo de desplazamiento de ida y vuelta de los datos enviados/recibidos en diferentes interfaces de ordenador. La SDRAM ha resuelto esto muy bien colocando un reloj en el dispositivo esclavo y enviando una señal de reloj junto con los datos recuperados, mientras que otras interfaces (USB 3.0, SATA, etc.) extraen la señal de reloj directamente de los datos.

    Para el resto de nosotros, demorar la sintonización entre múltiples interconexiones paralelas, pistas de un par diferencial, y con una señal de reloj asegura que los datos lleguen al lugar correcto en el tiempo adecuado. La aplicación de cualquier esquemático de sintonización de longitudes requiere trabajar con tiempos de demora de la señal en diferentes estándares de señalización/interfaz, no sólo con una simple longitud. Esto es lo que necesitas saber sobre el diseño de el Delay Tuning y el mantenimiento de las señales sincronizadas.

    Delay Tuning vs Longitud de la sintonización

    El ajuste de la longitud y el ajuste del retardo se refieren básicamente a la misma idea; el objetivo es establecer las longitudes de las pistas de la señal en un grupo de redes emparejadas con el mismo valor de longitud. La idea es asegurar que todas las señales lleguen dentro de un desajuste temporal limitado. Cuando dos pistas de señales no coinciden dentro de un grupo emparejado, la forma habitual de sincronizar las señales es añadir un retardo a la pista de la señal más corta, agregando algún serpenteo. Los serpenteos de trombón, dientes de sierra y acordeón son formas típicas de agregar demora a una pista.

    Tanto si se aplica la sintonía de retardo entre una señal de reloj y múltiples líneas de señal, dentro de un par diferencial, o entre varios pares diferenciales en ausencia de una línea de reloj, es necesario conocer las tolerancias de temporización específicas de las señales. En el caso de los receptores de par diferencial y los componentes en los canales de SerDes, los factores limitantes que determinan el desajuste de longitud permitido entre cada señal son el tiempo de subida de la señal y el retardo de propagación en una interconexión.

    Las diferentes interfaces que funcionan a velocidades de datos diferentes y con estándares de señalización distintos permiten desajustes de longitud o tiempo diferentes. Estos valores de desajuste suelen suponer que se está trabajando en FR, pero los diseños más especializados en sustratos con una constante dieléctrica diferente tendrán diferentes restricciones de coincidencia de longitudes. A la hora de planificar los canales de E/S de la placa, deberás averiguar los valores de desajuste de longitud permitidos para tu placa y convertir este desajuste permitido en un desajuste de temporización (véase la ecuación siguiente).

    El trabajo con el desajuste temporal

    Trabajar con un desajuste de tiempo en lugar de un desajuste de longitud es la idea central de el Delay Tuning. Si se trabaja con un software de diseño de PCB que sólo tiene en cuenta el desajuste de longitud, es necesario calcular el desajuste de longitud correcto para su sustrato particular. El desajuste de longitud es igual al desajuste de tiempo multiplicado por la velocidad de la señal (unidades de in./ps) de tu sustrato en particular:

    Velocidad de la señal utilizada en el ajuste del retardo
    Ecuación de la velocidad de la señal (unidades: in./ps)

     

    En general, un sustrato con una constante dieléctrica mayor hace que la velocidad de la señal sea menor, lo que aumenta el desajuste de longitud permitido entre dos señales. De manera similar, si se sobrecargan los componentes estándar, se tendrá un tiempo de subida más corto (mayor velocidad de giro), lo que también impone mayores restricciones a la sincronización. En una primera aproximación de orden, si se reduce a la mitad el tiempo de subida de la señal, también se debería reducir a la mitad la restricción de tiempo permitida.

    El desajuste permitido se define normalmente como una tolerancia en el período del reloj más que en el tiempo de subida. Para un período de reloj determinado, el desajuste de longitud permitido es inversamente proporcional a la velocidad de la señal. Con los desajustes de longitud que se citan con una supuesta constante dieléctrica (por ejemplo, FR4), necesitarás convertir el desajuste de longitud utilizando la velocidad de la señal en función del material del sustrato con el que trabajas.

    Desajuste de las fases de pares diferenciales

    El término "desajuste de fase" se utiliza a veces en el mismo sentido que el ajuste de longitud y el ajuste de retardo, si bien tiene una consecuencia importante cuando se trabaja con pares diferenciales. En algunos casos con el enrutamiento de pares diferenciales, como cuando un par diferente necesita enrutarse a través de vias ubicadas en lugares extraños, puede haber una región corta en la que cada extremo del par está desacoplado. Esto puede ocurrir independientemente de que la longitud total del par esté desparejada, y varios pares de un grupo emparejado pueden requerir asimismo el emparejamiento de la longitud.

    El emparejamiento de fases requiere agregar algunas pequeñas cantidades de cobre en el extremo no emparejado, de manera que las longitudes de las pistas de la región no emparejada tengan la misma longitud. Esto es fundamental para asegurar que un par diferencial pueda suprimir adecuadamente el ruido de modo común; cualquier ruido de modo común inducido en la porción desacoplada debe propagarse a la misma distancia para asegurar que permanezca emparejado en ambos pares una vez que llegue al receptor.

    Delay Tuning en las señales de alta velocidad
    No será necesario medir manualmente las longitud de las pistas cuando se definan tolerancias de longitud correctas como reglas de diseño.

     

    Una vez que la fase se empareje en la región desacoplada, se debe comprobar que el resto del par diferencial se empareje en longitud, aunque la longitud debe ser consistente en todo el par si estaba originalmente enrutado correctamente. Cuando se añade una sección de correspondencia de longitudes al par diferencial para compensar la desviación entre pares, la sección de correspondencia de longitudes debe colocarse de forma simétrica en todo el par diferencial. Obsérvese que las restricciones de inclinación entre pares suelen ser más sueltas que los valores de inclinación dentro de un mismo par, a fin de proporcionar suficiente supresión de ruido en modo común y extracción de señales.

    Más sobre la sintonía demorada: Efecto Pin-Package

    Una vez que la señal llega al pin o al pad de un componente en particular, todavía tiene que viajar a través del conductor expuesto, a lo largo del cable de unión hacia el interior del paquete, y hacia el troquel del paquete. El conductor expuesto, el pad/pin y la entrada al circuito interno tienen cierta inductancia y capacitancia parásita, y la señal viaja a una velocidad diferente a medida que atraviesa el cable de enlace en comparación con el viaje en un enrutado de la señal. Los cables de enlace también tienen algunas geometrías ligeramente diferentes, lo que añade diferentes niveles de retardo a las señales en pines diferentes.

    El fabricante de los dispositivos te podrá informar sobre el retardo del paquete de pines para un componente en particular. Esto se especifica como un retraso en picosegundos, o como una longitud (generalmente en mm o micrones). Este valor de retraso podrás consultarlo en la documentación del IBIS 6 para el componente en particular. Es necesario incluir esta longitud al llevar a cabo cualquier tipo de sintonía de retardo/longitud con señales de un par diferencial o para varias señales diferenciales/simples sincronizadas.

    Las potentes herramientas de enrutamiento interactivo y de análisis post diseño de Altium Designer® te brindan un paquete completo construido a partir de un motor de diseño unificado basado en reglas, que te permite implementar el ajuste del retardo para señales de alta velocidad y simulaciones importantes de integridad de la señal. Asimismo, te aseguran un completo conjunto de herramientas para construir esquemáticos, gestionar componentes y preparar las entregas para tu fabricante.

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    Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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