Ajuste de Atraso para Sinais de Alta Velocidade: O Que Você Precisa Saber

Linhas com comprimento combinado em uma PCB

Observe dois sinais em um osciloscópio, e você pode ver como desajustes de comprimento/tempo entre trilhas de sinal podem acionar incorretamente portas a jusante. A situação piora quando olhamos para o tempo de viagem de um sinal de relógio mestre e o tempo de ida e volta para dados enviados/recebidos em diferentes interfaces de computador. SDRAM resolveu isso de maneira eficaz, colocando um relógio no dispositivo escravo e enviando um sinal de relógio junto com os dados recuperados, enquanto outras interfaces (USB 3.0, SATA, etc.) extraem o sinal de relógio diretamente dos dados.

Para o resto de nós, a sintonia de atraso entre múltiplas interconexões paralelas, trilhas em um par diferencial e com um sinal de relógio garante que os dados cheguem no lugar certo na hora certa. Aplicar qualquer esquema de ajuste de comprimento requer trabalhar com tempos de atraso de sinal em diferentes padrões de sinalização/interface, não apenas um comprimento simples. Aqui está o que você precisa saber sobre projetar para a sintonia de atraso e manter os sinais sincronizados.

Sintonia de Atraso vs. Ajuste de Comprimento

O ajuste de comprimento e o ajuste de atraso basicamente referem-se à mesma ideia; o objetivo é definir os comprimentos das trilhas de sinal em um grupo combinado de redes para o mesmo valor de comprimento. A ideia é garantir que todos os sinais cheguem dentro de algum descompasso de tempo restrito. Quando duas trilhas de sinal estão desajustadas dentro de um grupo combinado, a maneira usual de sincronizar os sinais é adicionar atraso à trilha de sinal mais curta, adicionando algum meandramento. Trombone, serra e acordeão são maneiras típicas de adicionar atraso a uma trilha.

Seja aplicando ajuste de atraso entre um sinal de relógio e várias linhas de sinal, dentro de um par diferencial, ou entre vários pares diferenciais na ausência de uma linha de relógio, você precisa conhecer as tolerâncias de tempo específicas para seus sinais. Com receptores de par diferencial e componentes em canais SerDes, os fatores limitantes que determinam o descompasso de comprimento permitido entre cada sinal são o tempo de subida do sinal e o atraso de propagação em uma interconexão.

Diferentes interfaces que operam em diferentes taxas de dados e com padrões de sinalização diferentes especificarão diferentes valores permitidos para desajustes de comprimento ou de tempo. Esses valores de desajuste normalmente assumem que você está trabalhando com FR4, mas designs mais especializados em substratos com uma constante dielétrica diferente terão diferentes restrições de correspondência de comprimento. Ao planejar canais de E/S na sua placa, você deve procurar esses valores permitidos de desajuste de comprimento para a sua placa e converter esse desajuste permitido em um desajuste de tempo (veja a equação abaixo).

Trabalhando com Desajuste de Tempo

Trabalhar com um desajuste de tempo em vez de um desajuste de comprimento é a ideia central no ajuste de atraso. Se você está trabalhando com software de design de PCB que considera apenas um desajuste de comprimento, então você precisa calcular o desajuste de comprimento correto para o seu substrato específico. O desajuste de comprimento é igual ao desajuste de tempo multiplicado pela velocidade do sinal (unidades de in./ps) no seu substrato específico:

Equação da velocidade do sinal (unidades: in./ps)

Em geral, um substrato com uma constante dielétrica maior faz com que a velocidade do sinal seja menor, o que aumenta o desajuste de comprimento permitido entre dois sinais. Da mesma forma, se você estiver sobrecarregando componentes padrão, terá um tempo de subida mais curto (taxa de variação mais alta), o que também impõe restrições mais rígidas ao seu tempo. Como uma aproximação de primeira ordem, se você reduzir pela metade o tempo de subida do sinal, então a restrição de tempo permitida também deve ser reduzida pela metade.

O desajuste permitido é normalmente definido em termos de uma tolerância no período do relógio, em vez do tempo de subida. Para um dado período de relógio, o desajuste de comprimento permitido é inversamente proporcional à velocidade do sinal. Com desajustes de comprimento sendo citados com uma constante dielétrica assumida (por exemplo, FR4), você precisará converter o desajuste de comprimento usando a velocidade do sinal para o seu material de substrato específico.

Desajuste de Fase em Pares Diferenciais

O termo "descompasso de fase" é às vezes mencionado juntamente com ajuste de comprimento e ajuste de atraso, mas tem uma consequência importante ao trabalhar com pares diferenciais. Em alguns casos com roteamento de pares diferenciais, como quando um par diferencial precisa passar por vias colocadas de forma estranha, pode haver uma região curta onde cada extremidade do par está desacoplada. Isso pode surgir além do comprimento total do par estar desigual, e vários pares em um grupo combinado podem requerer ajuste de comprimento também.

O ajuste de fase requer a adição de pequenas quantidades de cobre na extremidade desigual de modo que os comprimentos das trilhas na região desacoplada sejam ajustados em comprimento. Isso é bastante importante para garantir que um par diferencial possa suprimir adequadamente o ruído de modo comum; qualquer ruído de modo comum induzido na porção desacoplada deve propagar-se pela mesma distância para garantir que permaneça combinado em ambos os pares uma vez que alcance o receptor.

Você não precisará medir manualmente os comprimentos das trilhas quando definir as tolerâncias de comprimento corretas como regras de design.

Intra-Pares vs. Inter-Pares

Normalmente, quando nos referimos ao ajuste de atraso ou ao emparelhamento de comprimento, estamos falando das duas trilhas dentro de um par que é usado para fazer uma conexão serial. No entanto, você pode precisar aplicar ajuste de atraso/emparelhamento de comprimento entre dois pares diferenciais. Um exemplo vem do DDR, onde as linhas diferencial de estrobo (DQS) e relógio diferencial precisam ter o emparelhamento de comprimento reforçado. Como exemplo, para DDR3, o desvio permitido entre esses pares diferenciais é de 5 ps de acordo com as diretrizes da Intel.

Uma vez que a fase é combinada na região não acoplada, você deve verificar se o restante do par diferencial está apropriadamente emparelhado em comprimento para que as transições de borda fiquem dentro dos limites de desvio permitidos. No entanto, o comprimento deve ser consistente em todo o par se ele foi originalmente roteado corretamente. Ao adicionar uma seção de emparelhamento de comprimento a um par diferencial como parte da compensação de desvio entre pares, a seção de emparelhamento de comprimento deve ser colocada simetricamente ao longo do par diferencial. Note que as restrições de desvio entre pares são tipicamente mais frouxas do que os valores de desvio intra-par para fornecer supressão de ruído de modo comum suficiente e extração de sinal.

Mais sobre Ajuste de Atraso: Efeito Pin-Package

Uma vez que o sinal chega a um pino/pad em um componente específico, ele ainda precisa viajar pelo condutor exposto, ao longo do fio de ligação para o interior do pacote e entrar no dado do pacote. O condutor exposto, pad/pino e a entrada para a circuitaria interna possuem alguma indutância e capacitância parasitas, e o sinal viaja a uma velocidade diferente à medida que atravessa o fio de ligação comparado a viajar em um traço de sinal. Os fios de ligação também têm algumas geometrias ligeiramente diferentes, o que adiciona diferentes níveis de atraso aos sinais em diferentes pinos.

Todos os fabricantes de dispositivos devem ser capazes de informar o atraso pin-pacote, para um componente específico. Isso é especificado ou como um atraso em picosegundos, ou como um comprimento (geralmente mm ou micrômetros). Você deve ser capaz de recuperar este valor de atraso da documentação IBIS 6 para o componente específico. Este comprimento deve ser incluído ao realizar qualquer tipo de ajuste de atraso/comprimento com sinais em um par diferencial ou para múltiplos sinais diferencias/mono-terminados sincronizados.

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