Lecture des profils d'impédance des fonds de panier haute vitesse dit backplanes haute-vitesse

Jason J. Ellison
|  Created: September 10, 2019  |  Updated: December 10, 2020

L'impédance reste un sujet de confusion dans le secteur de l'intégrité des signaux. Par définition, l'impédance est le rapport entre la tension et le courant. Mais on ne peut pas dire que cette définition soit très parlante. Pour être plus précis, le terme d'impédance peut signifier plusieurs choses. 

  • Réponse échelonnée du coefficient de réflexion de la bande large en ohms
  • Réponse impulsionnelle du coefficient de réflexion de la bande large en ohms
  • Paramètres Z du domaine temporel
  • Paramètres Z du domaine fréquentiel

Pour les ingénieurs spécialisés dans l'intégrité des signaux, elle a le sens de la première définition ci-dessus. Par conséquent, dans le contexte de l'intégrité du signal, l'impédance permet de quantifier et de localiser les réflexions. Elle est également le résultat direct d'un réflectomètre temporel (TDR) et vous donne des informations précieuses, lorsqu’elles peuvent être lues. Alors comment apprendre à lire les valeurs TDR si vous n’avez pas un TDR ? 

Si vous utilisez des paramètres S, vous avez accès aux informations nécessaires pour calculer les valeurs de sortie d'un TDR au lieu de les mesurer. À une fréquence donnée, les paramètres S forment une matrice carrée, et les valeurs de réflexion sont les éléments diagonaux de la matrice. Le processus de conversion des paramètres S de réflexion en valeurs d’impédance est expliqué ci-dessous.

  1. Extrapoler le point CC
  2. Interpoler les paramètres S afin que 🛆 f et le premier point non CC soient identiques
  3. Filtrer les paramètres S, si nécessaire
  4. Calculer toutes les composantes des fréquences négatives
  5. Calculer la réponse impulsionnelle dans le domaine temporel en prenant la transformée inverse de Fourier des paramètres S symétriques
  6. Décalez le vecteur du domaine temporel pour que t = 0 soit le point central.
  7. Convertir la réponse impulsionnelle en une réponse progressive
  8. Calculer l'impédance à partir du coefficient de réflexion

L'utilisation de langages de programmation comme MATLAB, Octave ou Python rend ces étapes relativement faciles. Cependant, elle n’est pas réellement nécessaire. Vous pouvez simplement télécharger Signal Integrity Studio de Teledyne LeCroy et l'utiliser pour calculer le profil d'impédance ! Mais vous avez besoin des paramètres S pour le faire.

Des paramètres S de haute qualité sont disponibles et peuvent être téléchargés gratuitement. L'IEEE 802.3 demande aux participants des groupes de travail standard de fournir les paramètres S des canaux pertinents. Ils publient ces canaux sur leur site web. Nous ajoutons ci-dessous plusieurs référentiels de paramètres S disponibles sur le site web de l'IEEE 802.3.

10GBASE: http://www.ieee802.org/3/ba/public/channel.html

25GBASE: http://www.ieee802.org/3/100GCU/public/channel.html

50GBASE: http://www.ieee802.org/3/cd/public/channel/index.html

100GBASE: http://www.ieee802.org/3/ck/public/tools/index.html

Des suffixes correspondent à chacune de ces chaînes. CR4 et KR4 sont les plus courants. Un CR désigne un assemblage de câbles. Un KR désigne un fond de panier traditionnel ou orthogonal. Vous pouvez les comparer à une chaîne que vous êtes en train de concevoir ou simplement pour vérifier l’évolution des niveaux de performance. Je vais les utiliser pour vous donner un exemple de profil d'impédance et comment l'interpréter.

Pour la première chaîne, je prendrai comme exemple une mesure de fond de panier donnée par TE Connectivity. Vous pouvez y accéder ici.

Je vais passer en revue la procédure de chargement des paramètres S dans SI Studio et le traçage de l'impédance. Pour charger les paramètres S dans l'outil, cliquez sur l'icône du petit dossier sur le côté gauche du panneau de commande de l'interface graphique. L’outil vous demandera de sélectionner un fichier de référence. Les fichiers Touchstone contiennent des paramètres S. Leurs extensions commencent par S, se terminent par P, avec un nombre entre les deux. Ce chiffre correspond au nombre de ports dans le fichier Touchstone. Vous pouvez considérer un port comme un espace où vous pouvez placer un compteur électrique imaginaire à large bande s'il en existait un. J’utilise le fichier Touchstone : TEC_Whisper27in_THRU_G14G15.s4p. Ce système est différentiel. Les paramètres S doivent être convertis de simple à différentiel pour visualiser l'impédance différentielle. Dans SI Studio, cliquez sur le bouton "Convertir" à droite de l'icône du dossier au milieu du panneau de commande de l'interface graphique. Une fenêtre pop-up s’ouvre et demande le fichier de la carte des ports. Dans ce fichier, le port 1 se connecte au port 2 et le port 3 se connecte au port 4. Pour traduire ces informations dans la fenêtre pop-up, inscrivez les chiffres de gauche 1, 3, 2 et 4 de haut en bas. Cliquez ensuite sur "Appliquer" et fermez la fenêtre. Les paramètres S de réflexion sont affichés comme "SD1D1". Décochez toutes les autres cases, et remplacez l’option Paramètres S de réflexion par l’option Impédance en cliquant sur "dB" et en sélectionnant "Z". Vous avez terminé.

Pour obtenir la meilleure vue sur l'impédance de la chaîne, sélectionnez "grille unique" dans la liste déroulante de la barre d'outils. Réglez le centre horizontal sur 3ns, l'échelle horizontale sur 0,6ns, le centre vertical sur 100ᘯ, et l’échelle verticale sur 5ᘯ. Le résultat final est présenté ci-dessous, incluant des références à tous les points abordés ci-dessus. 

Teledyne LeCroy Signal Integrity Studio interface with TE Connectivity’s backplane loaded and important controls highlighted

Figure 1. Profil d'impédance différentielle du backplane haute-vitesse de TE Connectivity

Maintenant que l'impédance est connue, que pouvez-vous en conclure ? 

Une impédance sans aucune réflexion aura une valeur de 100 ohms sur toute la durée disponible. Tout changement dans le profil d'impédance est une réflexion. Vous voyez à plusieurs endroits, que des réflexions importantes correspondent à des baisses de l'impédance. Des segments entre ces creux semblent remonter en douceur. 

Les creux correspondent à des médias de transition. En partant de la gauche, le premier creux est le connecteur coaxial. Le second est un connecteur accouplé. Le troisième est un autre connecteur accouplé. Les médias de transition, comme les connecteurs ou les vias, sont presque toujours des creux dans le profil d'impédance. Donc, vous pouvez conclure que chaque creux correspond probablement à un via ou un connecteur. 

Une idée fausse très répandue est de conclure automatiquement que la faible impédance d'un via est causée par le diamètre du foret. Cependant, les creux des vias sont généralement causés par les pastilles de vias. Les pastilles sont un mal nécessaire pour un ingénieur en intégrité des signaux, puisqu’elles provoquent toujours une discontinuité d'impédance. Il est possible que l'impédance du via soit élevée. L'impédance augmente lorsque le via est conçu avec le plus petit foret du marché en fonction de l'épaisseur du PCB au lieu d'optimiser séparément le via et la pastille. Consultez votre ingénieur en intégrité des signaux le plus proche pour obtenir plus de détails. 

La faible impédance du connecteur n'est pas aussi facile à expliquer. Les connecteurs sont des structures complexes qui présentent de nombreuses petites discontinuités et quelques grandes. En général, lorsqu’elles sont liées aux connecteurs, les discontinuités d'impédance sont faibles. Il peut s'agir de résidus de soudure sur des pastilles SMT ou de l'interface d'accouplement. Cependant, si le connecteur n'est pas complètement engagé (accouplé), vous verrez une impédance élevée au milieu de l'impédance du connecteur. 

Les segments réguliers correspondent aux pistes. Les pistes se caractérisent par de petites perturbations dues au tissage des fibres et au métal environnant, comme les trous de brochage, mais elles sont assez plates. La pente ascendante des pistes est due à la dépendance de l'impédance aux fréquences. Cela confirme la qualité et le comportement des paramètres S. 

Le dernier paramètre S que j'aimerais examiner est un fond de panier donné par Intel pour la dernière norme Ethernet IEEE qui définit le 100Gb/s ! Vous pouvez le télécharger ici.

Ce fond de panier est entièrement simulé et contient une  sortie BGA (ou du moins ce qui ressemble être un via). Une sortie BGA est un point où le dessin du PCB passe de l'empreinte du composant BGA à la piste du PCB. Cette transition peut s’appuyer sur deux méthodes 

  1. Via sur pastille (Via-In-Pad)
  2. Os de chien (Dog-bone)

Le Via-in-pad est simple. C'est à cet endroit que le signal est placé au centre de la pastille du signal BGA. De nombreux concepteurs conseillent de ne pas utiliser les via-in-pad. La raison donnée est que le BGA n’adhérera pas à la carte si le via n'est pas traité correctement. Le trou du via-in-pad doit être scellé d'une manière ou d'une autre. Cela se fait généralement en bouchant ou en remplissant le via puis en le plaquant. Il est évident que cette méthode est plus coûteuse, ce qui explique pourquoi elle est souvent évitée. C'est néanmoins la meilleure option pour l'intégrité du signal.

Le « dog-bone » (os de chien) est une piste courte qui relie la pastille signal BGA à une autre pastille. Sa forme ressemble à un os de chien. Le via est placé sur la deuxième pastille, à l'écart de la boule BGA soudée. Cela élimine la nécessité de boucher et de remplir les vias et constitue l'option la moins coûteuse. Cette option est plus difficile à réaliser garantir l'intégrité du signal. La transition entre la pastille BGA et le via-pad crée une impédance élevée. Cette impédance est notablement élevée dans la plupart des scénarios car un plan de référence n'est pas situé directement sous la piste, en général. 

A BGA footprint illustrating both via-in-pad connections and dog-bone connections

Figure 2. Exemple de sortie Via-In-Pad et de Dog-Bone.

Avec le modèle thru d'Intel (Cable_BKP_24dB_0p995m_more_isi_thru1.s4p), vous voyez une forte impédance au début, où l'on s'attend à trouver la sortie BGA. Comme une sortie BGA est très petite, il est presque impossible de dire si elle vient du diamètre du via ou d’un dog-bone. Cependant, il est probable qu'elle soit issue de l'une de ces deux géométries. 

Teledyne LeCroy Signal Integrity Studio interface with Intel’s backplane loaded, showing an impedance dip where the dog-bone connection is present

Figure 3. Profil d'impédance différentielle du backplane haute-vitesse d'Intel.

Voilà, vous savez tout. Une méthode pour mesurer l'impédance et des caractéristiques très utiles. En particulier :

  • Les basses impédances pourraient être des connecteurs, des transitions de vias vers des pastilles vias, ou des résidus de soudure hors contrôle sur des pastilles SMT.
  • Les hautes impédances peuvent provenir de forets trop petits, de connecteurs partiellement accouplés ou de sorties BGA avec un dog-bone.
  • Les sections plates avec une montée lente dans le temps sont des pistes de PCB. La montée de ces pistes est un phénomène physique qui devrait être présent.

Nous espérons que vous pourrez regarder votre prochain profil d'impédance en toute confiance !

Pour en savoir plus sur les outils d'intégrité du signal pour les concepteurs de PCB, consultez Altium Designer®. Avez-vous d’autres questions ? Appelez un expert Altium.

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Jason J Ellison received his Masters of Science in Electrical Engineering from Penn State University in December 2017.
He is employed as a signal integrity engineer and develops high-speed interconnects, lab automation technology, and calibration technology. His interests are signal integrity, power integrity and embedded system design. He also writes technical publications for journals such as “The Signal Integrity Journal”.
Mr. Ellison is an active IEEE member and a DesignCon technical program committee member.

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