Leggere i profili di impedenza dei backplane ad alta velocità

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

L'impedenza continua a generare confusione nella comunità dell'integrità del segnale. L'impedenza è per definizione il rapporto della tensione rispetto alla corrente. Questo non offre un quadro chiaro di ciò che è davvero l'impedenza a nessuno. Se entriamo più nello specifico, il termine impedenza può significare tante cose. 

  • Risposta al gradino del coefficiente di riflessione della banda larga in ohm
  • Risposta all'impulso del coefficiente di riflessione della banda larga in ohm
  • Parametri Z del dominio temporale
  • Parametri Z del dominio della frequenza

Gli ingegneri dell'integrità del segnale parlano solitamente del primo punto dell'elenco quando ci riferiamo all'impedenza. Pertanto, l'impedenza nel quadro dell'integrità del segnale consiste nella quantificazione e nella localizzazione delle riflessioni. È anche il risultato diretto di un Riflettometro del dominio temporale (TDR) e qualcosa che contiene informazioni preziose quando si è in grado di leggerla. Come potete imparare a leggere i TDR senza avere un TDR? 

Se avete i parametri S, avete le informazioni necessarie per calcolare il risultato di un TDR invece che misurarlo. I parametri S a una determinata frequenza sono una matrice quadrata, e i termini di riflessione sono gli elementi diagonali della matrice. Di seguito è spiegato il processo di conversione dei parametri S di riflessione nell'impedenza.

  1. Estrapolare il punto CC
  2. Interpolare i parametri S in modo tale che 🛆f e il primo punto non CC siano uguali
  3. Filtrare i parametri S se desiderato
  4. Calcolare tutti i componenti a frequenza negativa
  5. Calcolare la risposta all'impulso del dominio temporale prendendo l'inversa della trasformata di Fourier dei parametri S simmetrici
  6. Spostare il vettore del dominio temporale in modo che t sia pari a 0 nel punto centrale
  7. Convertire la risposta all'impulso nella risposta al gradino
  8. Calcolare l'impedenza dal coefficiente di riflessione

L'uso di linguaggi di programmazione come MATLAB, Octave o Python semplifica relativamente questi passaggi. Tuttavia, non è necessario. Potete semplicemente scaricare Signal Integrity Studio di Teledyne LeCroy e usarlo per calcolare il profilo di impedenza. Tutto questo presupponendo che abbiate i parametri S.

Ci risulta che sia possibile scaricare gratuitamente parametri S di alta qualità. Lo standard IEEE 802.3 chiede ai partecipanti dei suoi gruppi di lavoro standard di fornire i parametri S dei canali pertinenti e pubblica questi canali sul suo sito Web. Qui sotto sono elencati diversi repository di parametri S reperibili sul sito Web dello standard 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

Come vedete ognuno di questi canali è accompagnato da suffissi. CR4 e KR4 sono i più comuni. CR indica un assemblaggio cablato, mentre KR indica un backplane tradizionale o un backplane ortogonale. Potete confrontarli con un canale che state progettando o semplicemente scoprire come si sono evoluti i livelli prestazionali. Io li utilizzerò per mostrare un esempio di un profilo di impedenza e per spiegare come interpretarlo.

Il primo canale che voglio mostrarvi è la misura di un backplane donata da TE Connectivity. La trovate qui.

Mostrerò la procedura per caricare i parametri S in SI Studio e misurare l'impedenza. Per caricare i parametri S nello strumento, fate clic sulla piccola icona della cartella a sinistra del pannello di controllo della GUI. Vi verrà richiesto di selezionare un file touchstone. I file touchstone contengono parametri S e hanno estensioni del file che iniziano con S, terminano con P e presentano un numero tra le due lettere. Quel numero è il conteggio delle porte nel file touchstone. Potete pensare a una porta come a un luogo in cui potete posizionare un misuratore di potenza della banda larga immaginario se esistesse. Il file touchstone che sto usando è TEC_Whisper27in_THRU_G14G15.s4p. Questo sistema è differenziale, e i parametri S devono essere convertiti da single-ended a differenziali per visualizzare l'impedenza differenziale. Per farlo in SI Studio, fate clic sul pulsante "convert" (converti) a destra dell'icona della cartella al centro del pannello di controllo della GUI. Si aprirà una finestra a comparsa che chiede di immettere la mappa della porta del file. In questo file, la porta 1 collega alla porta 2 e la porta 3 collega alla porta 4. Per tradurre queste informazioni nella finestra a comparsa, mettete i numeri verso sinistra 1, 3, 2 e 4 dall'alto verso il basso. Quindi fate clic su "apply" (applica) e chiudete la finestra a comparsa. I parametri S di riflessione vengono mostrati come "SD1D1". Deselezionate tutte le altre caselle e trasformate i parametri S di riflessione in impedenza cliccando su "dB" e selezionando "Z". Fatto!

Per vedere in maniera ottimale l'impedenza del canale, selezionate "single grid" (griglia singola) dal menu a discesa della schermata nella barra degli strumenti, impostate il centro orizzontale su 3ns, la scala orizzontale su 0,6ns, il centro verticale su 100ᘯ e la scala verticale su 5ᘯ. Il risultato finale è mostrato qui sotto con riferimenti a tutti gli elementi di cui abbiamo parlato. 

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

Figura 1. Profilo dell'impedenza differenziale del backplane PCB di TE Connectivity.

Ora che avete davanti a voi l'impedenza, cosa vi sta mostrando? 

Un'impedenza senza alcuna riflessione sarà 100 ohm per l'intera lunghezza temporale disponibile. Qualsiasi variazione del profilo dell'impedenza è una riflessione. Potete vedere che ci sono molti punti in cui sono presenti riflessioni significative in cui l'impedenza cala. Ci sono anche segmenti tra queste flessioni che mostrano aumenti continui. 

Le flessioni sono i media transizionali. Partendo da sinistra, la prima flessione è il connettore coassiale. La seconda è un connettore accoppiato. La terza è un altro connettore accoppiato. I media transizionali come i connettori o le vie sono quasi sempre flessioni nel profilo dell'impedenza. Se vedete delle flessioni, quindi, state probabilmente vedendo una via o un connettore. 

Un errore comune è pensare automaticamente che l'impedenza bassa di una via sia causata dal diametro del foro. Tuttavia, le flessioni delle vie sono di norma causate dai cuscinetti. I cuscinetti sono un male necessario per un ingegnere dell'integrità del sistema, e causeranno sempre una discontinuità nell'impedenza. È possibile che l'impedenza delle via sia alta. Ciò avviene quando la via è progettata con la dimensione di foratura più piccola possibile in base allo spessore del PCB invece che ottimizzando la via e il cuscinetto separatamente. Per maggiori informazioni rivolgetevi all'ingegnere dell'integrità del segnale più vicino. 

La spiegazione dell'impedenza bassa del connettore non è altrettanto semplice. I connettori sono strutture complesse caratterizzate da numerose piccole discontinuità e da alcune discontinuità più grandi. Di norma, le discontinuità dell'impedenza correlate ai connettori sono impedenze basse. Ciò potrebbe essere riconducibile a grumi di lega per saldatura sui cuscinetti SMT o all'interfaccia di accoppiamento. Tuttavia, se il connettore non è completamente innescato (accoppiato), sarà presente un'impedenza elevata al centro dell'impedenza del connettore. 

I segmenti continui sono le tracce. Le tracce presentano piccole perturbazioni dovute alla trama della fibra e al metallo circostante come le vie attaccate, ma sono piuttosto piatte. La pendenza in aumento delle tracce è causata dalla dipendenza della frequenza dell'impedenza. Ciò segnala che i parametri S si comportano correttamente. 

L'ultimo parametro S che vorrei esaminare è un backplane donato da Intel per l'ultimo standard Ethernet dell'IEEE che definisce 100 Gb/s. Scaricatelo qui.

Questo backplane è completamente simulato e contiene un breakout del BGA (o almeno quella che sembra essere una via). Un breakout del BGA è il punto in cui l'opera PCB passa dall'impronta del componente del BGA alle tracce del PCB. Questo avviene in uno di due modi. 

  1. Via-In-Pad
  2. Dog-bone

Via-in-pad è facile. Avviene quando la via del segnale è posizionata nel centro del cuscinetto del segnale del BGA. Molti designer sono contrari all'uso del via-in-pad perché ritengono che il BGA non si attaccherà alla scheda se la via non viene elaborato correttamente. Un via-in-pad ha bisogno che il foro della via sia in qualche modo sigillato. Ciò viene di norma fatto tappando o riempiendo la via e quindi placcandola. Ovviamente, questo ha un costo: un altro motivo per cui alcuni preferiscono evitarlo. Ciò nonostante, questa è l'opzione migliore per l'integrità del segnale.

I dog-bone sono una traccia corta che va dal cuscinetto del segnale del BGA a un altro cuscinetto. Ciò forma la cosiddetta forma a osso di cane. La via è posizionata sul secondo cuscinetto, lontano dalla sfera saldata del BGA. In questo modo si elimina la necessità di tappare o riempire le vie riducendo i costi. Questa opzione è più complessa per gli ingegneri. La transizione dal cuscinetto del BGA al cuscinetto della via crea un'impedenza elevata. Questa impedenza è palesemente elevata nella maggior parte degli scenari poiché un piano di riferimento non si trova di norma direttamente sotto la traccia. 

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

Figura 2. Esempio di un breakout via-in-pad o dog-bone che è possibile trovare in un backplane PCB.

Esaminando il modello di Intel (Cable_BKP_24dB_0p995m_more_isi_thru1.s4p), si nota un'impedenza elevata all'inizio, nel punto in cui dovrebbe essere presente il breakout del BGA. Poiché un breakout del BGA ha dimensioni molto ridotte, è pressoché impossibile dire se ciò sia dovuto al diametro del via o a un dog-bone. Tuttavia, si tratta probabilmente di una di queste due geometrie. 

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

Figura 3. Un esempio dei profili di impedenza differenziale del backplane di Intel.

Ora avete un modo per vedere l'impedenza e alcuni funzioni da tenere sotto controllo. Nello specifico:

  • Le impedenze basse possono essere connettori, transizioni delle vie dai cuscinetti delle vie o grumi di lega per saldatura sfuggiti ai controlli sui cuscinetti SMT.
  • Le impedenze elevate possono essere dovute a forature troppo piccole, connettori parzialmente accoppiati o breakout del BGA dog-bone.
  • Le sezioni piatte con una crescita lenta nel tempo sono tracce del OCB, e la crescita di queste tracce è un fenomeno fisico che deve verificarsi.

Mi auguro che riusciate a leggere il vostro prossimo profilo dell'impedenza con maggiore sicurezza.

Scoprite di più sugli strumenti dell'integrità del segnale per i designer di PCB in Altium Designer®. Avete altre domande? Telefonate a un esperto di 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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