Réglage du retard pour les signaux à haute vitesse : Ce que vous devez savoir

Lignes à longueur ajustée dans un PCB

Observez deux relevés de signal sur un oscilloscope, et vous pouvez voir comment des discordances de longueur/temps entre les pistes de signal peuvent déclencher de manière inappropriée des portes en aval. La situation s'aggrave lorsque nous examinons le temps de parcours pour un signal d'horloge principal et le temps aller-retour pour les données envoyées/reçues dans différentes interfaces informatiques. La SDRAM a résolu cela de manière élégante en plaçant une horloge dans le dispositif esclave et en envoyant un signal d'horloge avec les données récupérées, tandis que d'autres interfaces (USB 3.0, SATA, etc.) extraient le signal d'horloge directement des données.

Pour le reste d'entre nous, l'ajustement des retards parmi de multiples interconnexions parallèles, les pistes dans une paire différentielle, et avec un signal d'horloge assure que les données arrivent au bon endroit au bon moment. Appliquer un schéma d'ajustement de longueur nécessite de travailler avec les temps de retard des signaux dans différents standards de signalisation/interface, et pas seulement une simple longueur. Voici ce que vous devez savoir sur la conception pour l'ajustement des retards et le maintien des signaux synchronisés.

Ajustement des retards vs. Ajustement de la longueur

L'ajustement de longueur et l'ajustement de délai se réfèrent essentiellement à la même idée ; l'objectif est de régler les longueurs des pistes de signal dans un groupe apparié de réseaux pour atteindre la même valeur de longueur. L'idée est de s'assurer que tous les signaux arrivent dans une certaine limite de désaccord temporel. Lorsque deux pistes de signal sont désaccordées au sein d'un groupe apparié, la manière habituelle de synchroniser les signaux est d'ajouter du délai à la piste de signal la plus courte en ajoutant un peu de méandrage. Le méandrage en trombone, en dent de scie et en accordéon sont des moyens typiques d'ajouter du délai à une piste.

Que vous appliquiez l'ajustement de délai entre un signal d'horloge et plusieurs lignes de signal, au sein d'une paire différentielle, ou entre plusieurs paires différentielles en l'absence de ligne d'horloge, vous devez connaître les tolérances de temps spécifiques pour vos signaux. Avec les récepteurs de paires différentielles et les composants dans les canaux SerDes, les facteurs limitants qui déterminent le désaccord de longueur autorisé entre chaque signal sont le temps de montée du signal et le délai de propagation dans une interconnexion.

Différentes interfaces fonctionnant à différents débits de données et avec différentes normes de signalisation spécifieront différentes tolérances admissibles de longueur ou de désynchronisation temporelle. Ces valeurs de désaccord supposent généralement que vous travaillez sur du FR4, mais des conceptions plus spécialisées sur des substrats avec une constante diélectrique différente auront des contraintes de correspondance de longueur différentes. Lors de la planification des canaux E/S sur votre carte, vous devriez rechercher ces valeurs de désaccord de longueur autorisées pour votre carte et convertir ce désaccord autorisé en un désaccord temporel (voir l'équation ci-dessous).

Travailler avec un désaccord temporel

Travailler avec un désaccord temporel au lieu d'un désaccord de longueur est l'idée centrale dans l'ajustement du délai. Si vous travaillez avec un logiciel de conception de PCB qui ne considère qu'un désaccord de longueur, alors vous devez calculer le désaccord de longueur correct pour votre substrat particulier. Le désaccord de longueur est égal au désaccord temporel multiplié par la vitesse du signal (unités en in./ps) dans votre substrat particulier :

Équation de vitesse du signal (unités : in./ps)

En général, un substrat avec une constante diélectrique plus élevée entraîne une vitesse de signal plus faible, ce qui augmente la longueur de désaccord autorisée entre deux signaux. De même, si vous surchargez des composants standards, vous aurez un temps de montée plus court (taux de variation plus élevé), ce qui impose également des contraintes plus strictes sur votre chronométrage. En première approximation, si vous divisez par deux le temps de montée du signal, alors la contrainte de chronométrage autorisée devrait également être réduite de moitié.

Le désaccord autorisé est normalement défini en termes de tolérance sur la période d'horloge plutôt que sur le temps de montée. Pour une période d'horloge donnée, le désaccord de longueur autorisé est inversement proportionnel à la vitesse du signal. Avec des désaccords de longueur cités avec une constante diélectrique supposée (par exemple, FR4), vous devrez convertir le désaccord de longueur en utilisant la vitesse du signal pour votre matériau de substrat particulier.

Désaccord de Phase dans les Paires Différentielles

Le terme de « désaccord de phase » est parfois utilisé dans le même contexte que l'ajustement de longueur et l'ajustement de délai, mais il a une conséquence importante lorsqu'on travaille avec des paires différentielles. Dans certains cas de routage de paires différentielles, comme lorsqu'une paire doit passer par des vias placés de manière inhabituelle, il peut y avoir une courte région où chaque extrémité de la paire est découplée. Cela peut survenir en plus du fait que la longueur totale de la paire soit désaccordée, et plusieurs paires dans un groupe apparié peuvent nécessiter un ajustement de longueur également.

L'ajustement de phase nécessite l'ajout de petites quantités de cuivre à l'extrémité désaccordée de sorte que les longueurs des pistes dans la région découplée soient ajustées en longueur. Cela est plutôt important pour garantir qu'une paire différentielle puisse correctement supprimer le bruit de mode commun ; tout bruit de mode commun induit dans la portion découplée devrait se propager sur la même distance pour s'assurer qu'il reste apparié dans les deux paires une fois qu'il atteint le récepteur.

Vous n'aurez pas besoin de mesurer manuellement les longueurs des pistes lorsque vous définissez les bonnes tolérances de longueur comme règles de conception.

Intra-Paire vs. Inter-Paire

Normalement, lorsque l'on parle de réglage du retard ou d'ajustement de la longueur, nous faisons référence aux deux traces au sein d'une paire utilisée pour réaliser une connexion série. Cependant, il peut être nécessaire d'appliquer un réglage du retard / ajustement de la longueur entre deux paires différentielles. Un exemple provient de la DDR, où les lignes différentielles de strobe (DQS) et d'horloge différentielle doivent respecter un ajustement de longueur. Par exemple, pour DDR3, le décalage autorisé entre ces paires différentielles est de 5 ps selon les directives d'Intel.

Une fois la phase accordée dans la région non couplée, vous devriez vérifier que le reste de la paire différentielle est correctement ajusté en longueur afin que les transitions de bord se situent dans les limites de décalage autorisées. Cependant, la longueur devrait être constante sur toute la paire si elle a été initialement routée correctement. Lors de l'ajout d'une section d'ajustement de longueur à une paire différentielle dans le cadre de la compensation du décalage entre paires, la section d'ajustement de longueur doit être placée de manière symétrique sur toute la paire différentielle. Notez que les contraintes de décalage entre paires sont généralement moins strictes que les valeurs de décalage intra-paire afin de fournir une suppression suffisante du bruit en mode commun et une extraction du signal.

Plus sur le Réglage du Retard : Effet Pin-Package

Une fois que le signal atteint une broche/pad sur un composant particulier, il doit encore voyager à travers le conducteur exposé, le long du fil de connexion jusqu'à l'intérieur du boîtier, et dans la puce du boîtier. Le conducteur exposé, la broche/pad et l'entrée vers le circuit interne présentent une certaine inductance et capacitance parasites, et le signal se déplace à une vitesse différente lorsqu'il traverse le fil de connexion par rapport à un déplacement sur une trace de signal. Les fils de connexion ont également des géométries légèrement différentes, ce qui ajoute différents niveaux de retard aux signaux sur différentes broches.

Tous les fabricants de dispositifs devraient être en mesure de vous indiquer le retard broche-boîtier, pour un composant particulier. Ceci est spécifié soit comme un retard en picosecondes, soit comme une longueur (généralement en mm ou microns). Vous devriez être en mesure de récupérer cette valeur de retard à partir de la documentation IBIS 6 pour le composant particulier. Cette longueur devrait être incluse lors de la réalisation de tout type d'ajustement de retard/longueur avec des signaux dans une paire différentielle ou pour plusieurs signaux différentiels/à terminaison unique synchronisés.

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