Ritardo di sincronizzazione per segnali ad alta velocità: Cosa c'è da sapere

Zachariah Peterson
|  September 14, 2020
Ritardo di sincronizzazione per segnali ad alta velocità: Cosa c'è da sapere

Osservando due letture di segnale su un oscilloscopio, noterai come il disallineamento di lunghezza/sincronizzazione tra le tracce di segnale possa innescare erroneamente gli intervalli di download. La situazione peggiora quando osserviamo il tempo di percorrenza per un segnale master clock e il Round Trip Time (RTT) per i dati inviati/ricevuti in diverse interfacce del computer. La SDRAM ha risolto il problema, inserendo un clock nel dispositivo slave e inviando un segnale di clock assieme ai dati recuperati, mentre altre interfacce (USB 3.0, SATA, ecc.) prelevano il segnale di clock direttamente dai dati.

Per il resto di noi, il ritardo di sincronizzazione fra più interconnessioni parallele, fra tracce in una coppia differenziale e con un segnale di clock, assicura che i dati arrivino correttamente a destinazione nello stesso istante. L'applicazione di qualsiasi schema di regolazione della lunghezza richiede l'impiego di periodi di ritardo del segnale nei diversi standard di segnalazione/interfaccia e non solamente di una semplice lunghezza. Ecco quello che devi sapere sulla progettazione per la sincronizzazione del ritardo e dei segnali.

Confronto fra Ritardo di sincronizzazione (Delay Tuning) e Regolazione della lunghezza (Length Tuning)

La regolazione della lunghezza e il ritardo di sincronizzazione si riferiscono fondamentalmente allo stesso concetto. L'obiettivo è quello di impostare la lunghezza delle tracce di segnale in un gruppo di reti abbinate, rispetto allo stesso valore di lunghezza. Il concetto è quello di garantire che tutti i segnali arrivino a destinazione entro un certo disallineamento di sincronizzazione vincolato. Quando due tracce di segnale sono disallineate all'interno di un gruppo corrispondente, il classico metodo per sincronizzare i segnali è quello di aggiungere del ritardo alla traccia di segnale più breve, posizionando qualche serpentina. I modelli Trombone, a Dente di sega e Fisarmonica a serpentina, sono applicazioni tipiche per aggiungere del ritardo a una traccia.

Sia che tu applichi il ritardo di sincronizzazione tra un segnale di clock e i cavi di alimentazione di segnale multipli, all'interno di una coppia differenziale oppure tra coppie differenziali multiple in assenza di un filo elettrico di clock, dovrai conoscere le tolleranze specifiche di sincronizzazione per i tuoi segnali. Con i ricevitori a coppia differenziale e i componenti nei canali SerDes, i fattori limitanti che determinano il disallineamento della lunghezza consentita tra ciascun segnale sono il tempo di risalita del segnale e il ritardo di propagazione in un collegamento.

Le diverse interfacce che funzionano a differenti velocità di trasmissione dati e con differenti standard di segnalazione specificheranno diverse lunghezze ammissibili o disallineamenti di sincronizzazione. Questi valori di disallineamento in genere presuppongono che tu stia lavorando su un FR4, ma progetti più specializzati su substrati con una costante dielettrica diversa avranno diversi vincoli di corrispondenza della lunghezza. Quando progetti i canali I/O nella tua scheda, dovresti individuare questi valori consentiti di disallineamento della lunghezza per la tua scheda e convertire questo disallineamento consentito in un disallineamento di sincronizzazione (vedi l'equazione riportata di seguito).

Lavorare con il disallineamento di sincronizzazione (Timing Mismatch)

Lavorare con un disallineamento di sincronizzazione invece che con un disallineamento di lunghezza è il concetto fondamentale nel ritardo di sincronizzazione. Se lavori con un software di progettazione PCB che considera solamente un disallineamento di lunghezza, dovrai calcolare il corretto disallineamento di lunghezza per il tuo substrato specifico. Il disallineamento di lunghezza è uguale al disallineamento di sincronizzazione moltiplicato per la velocità di segnale (unità di misura mm/ps) nel tuo specifico substrato:

 

Velocità di segnale utilizzata nella corrispondenza del ritardo
Equazione della velocità di segnale (unità di misura: mm/ps)

 

In generale, un substrato con una maggiore costante dielettrica fa sì che la velocità di segnale sia inferiore, il che aumenta il disallineamento di lunghezza consentito tra due segnali. Allo stesso modo, se stai sovraccaricando i componenti standard, avrai un tempo di risalita più breve (velocità di variazione più elevata), che pone inoltre vincoli più ristretti sulla tua sincronizzazione. Come prima approssimazione, se dimezzi il tempo di risalita del segnale, allora anche il vincolo di sincronizzazione consentito dovrebbe essere dimezzato.

Il disallineamento consentito è normalmente definito in termini di una tolleranza sul periodo di clock piuttosto che sul tempo di risalita. Per un dato periodo di clock, il disallineamento della lunghezza consentito è inversamente proporzionale alla velocità di segnale. Con i disallineamenti di lunghezza citati, assieme ad una presunta costante dielettrica (ad esempio, FR4), dovrai convertire il disallineamento di lunghezza utilizzando la velocità di segnale per il tuo specifico materiale del substrato.

Disallineamento di fase nelle coppie differenziali

Il termine "disallineamento di fase" è talvolta utilizzato nello stesso contesto relativo alla regolazione della lunghezza e al ritardo di sincronizzazione, ma ha una conseguenza importante quando si lavora con le coppie differenziali. In alcuni casi, con il routing delle coppie differenziali, ad esempio quando una coppia differente deve essere tracciata attraverso vias posizionate in modo anomalo, potrebbe esserci un'area ristretta in cui ciascuna estremità della coppia è disaccoppiata. Ciò può verificarsi in aggiunta alla lunghezza complessiva della coppia disallineata, e coppie multiple in un gruppo accoppiato possono inoltre esigere la corrispondenza di lunghezza.

La corrispondenza di fase richiede l'aggiunta di alcune piccole quantità di rame all'estremità disallineata, in modo tale che le lunghezze delle tracce nell'area disaccoppiata siano accoppiate rispetto alla lunghezza. Questo è piuttosto importante per garantire che una coppia differenziale possa eliminare correttamente il rumore nelle modalità comuni. Qualsiasi rumore indotto nella parte disaccoppiata, riferito alle modalità comuni, dovrebbe propagarsi lungo la stessa distanza, così da garantire il suo accoppiamento in entrambe le coppie una volta raggiunto il ricevitore.

Ritardo di sincronizzazione per segnali ad alta velocità
Non devi misurare manualmente le lunghezze di traccia nel definire le corrette tolleranze di lunghezza come regole di progettazione.

Una volta che la fase è stata accoppiata nell'area disaccoppiata, dovresti verificare che il resto delle coppie differenziali siano allineate rispetto alla lunghezza, anche se la lunghezza dovrebbe essere coerente in tutta la coppia se è stata originariamente tracciata in maniera corretta. Quando aggiungi una sezione di corrispondenza della lunghezza alla coppia differenziale, per compensare la distorsione di propagazione intra-coppia, la sezione di corrispondenza della lunghezza dovrebbe essere posizionata simmetricamente lungo tutta la coppia differenziale. Notare che i vincoli di distorsione di propagazione intra-coppia sono in genere più flessibili rispetto ai valori di distorsione di propagazione intra-coppia, al fine di fornire una sufficiente eliminazione del rumore nelle modalità comuni e l'estrazione del segnale.

Ulteriori informazioni sul ritardo di sincronizzazione: Effetto Pin-Package

Una volta che il segnale raggiunge un pin o una piazzola di un particolare componente deve comunque passare attraverso il conduttore esposto, lungo il filo di collegamento all'interno del pacchetto e del package die. Il conduttore esposto, la piazzola, il pin e l'ingresso al circuito interno, possiedono induttanze parassitarie e capacità, e il segnale viaggia a una diversa velocità mentre attraversa il filo di collegamento, rispetto a viaggiare su una traccia di segnale. I fili di collegamento hanno inoltre alcune geometrie leggermente diverse, che aggiungono diversi livelli di ritardo ai segnali su diversi pin.

Tutti i produttori di dispositivi dovrebbero essere in grado di indicare il ritardo del pacchetto-pin per uno specifico componente. Questo è specificato come ritardo (in picosecondi), oppure come lunghezza (solitamente in mm o in micron). Dovresti ricavare questo valore di ritardo dalla documentazione IBIS 6 riferita al componente specifico. Questa lunghezza deve essere inclusa quando si esegue qualsiasi tipo di regolazione della lunghezza/ritardo di sincronizzazione con segnali in una coppia differenziale, oppure per segnali multipli differenziali/single-ended sincronizzati.

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Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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