Điều Chỉnh Độ Trễ cho Tín Hiệu Tốc Độ Cao: Những Điều Bạn Cần Biết

Đường truyền có chiều dài khớp nhau trên PCB

Hãy nhìn vào hai tín hiệu đọc trên oscilloscope, và bạn có thể thấy cách mà sự không khớp về chiều dài/thời gian giữa các đường truyền tín hiệu có thể kích hoạt không đúng cách các cổng xuôi dòng. Tình hình trở nên tồi tệ hơn khi chúng ta xem xét thời gian di chuyển của tín hiệu đồng hồ chính và thời gian đi và về cho dữ liệu được gửi/nhận trong các giao diện máy tính khác nhau. SDRAM đã giải quyết vấn đề này một cách tốt đẹp bằng cách đặt một đồng hồ trong thiết bị nô lệ và gửi tín hiệu đồng hồ cùng với dữ liệu được truy xuất, trong khi các giao diện khác (USB 3.0, SATA, v.v.) trích xuất tín hiệu đồng hồ trực tiếp từ dữ liệu.

Đối với phần còn lại của chúng ta, việc điều chỉnh độ trễ giữa nhiều kết nối song song, các đường truyền trong một cặp vi sai, và với tín hiệu đồng hồ đảm bảo dữ liệu đến đúng nơi vào đúng thời điểm. Áp dụng bất kỳ kế hoạch điều chỉnh chiều dài nào đòi hỏi phải làm việc với thời gian độ trễ tín hiệu trong các tiêu chuẩn giao tiếp/giao diện khác nhau, không chỉ là một chiều dài đơn giản. Dưới đây là những gì bạn cần biết về thiết kế cho việc điều chỉnh độ trễ và giữ cho các tín hiệu được đồng bộ hóa.

Điều chỉnh Độ Trễ so với Điều chỉnh Chiều Dài

Việc điều chỉnh độ dài và điều chỉnh độ trễ cơ bản đề cập đến cùng một ý tưởng; mục tiêu là thiết lập độ dài của các đường dẫn tín hiệu trong một nhóm mạch kết nối được ghép nối có cùng giá trị độ dài. Ý tưởng là đảm bảo tất cả các tín hiệu đến nơi trong một khoảng thời gian không đồng nhất bị hạn chế. Khi hai đường dẫn tín hiệu không khớp nhau trong một nhóm ghép nối, cách thường được sử dụng để đồng bộ hóa tín hiệu là thêm độ trễ vào đường dẫn tín hiệu ngắn hơn bằng cách thêm một số đường vòng lượn. Trombone, răng cưa, và vòng lượn dạng accordion là những cách điển hình để thêm độ trễ vào một đường dẫn.

Dù bạn đang áp dụng điều chỉnh độ trễ giữa tín hiệu đồng hồ và nhiều đường dẫn tín hiệu, trong một cặp vi sai, hay giữa nhiều cặp vi sai trong trường hợp không có dòng tín hiệu đồng hồ, bạn cần biết các giới hạn thời gian cụ thể cho tín hiệu của mình. Với các bộ thu cặp vi sai và thành phần trong kênh SerDes, các yếu tố giới hạn quyết định sự chênh lệch độ dài cho phép giữa mỗi tín hiệu là thời gian tăng tín hiệu và độ trễ truyền trong một kết nối liên kết.

Các giao diện khác nhau hoạt động ở các tốc độ dữ liệu khác nhau và với các tiêu chuẩn tín hiệu khác nhau sẽ quy định các giá trị sai lệch chiều dài hoặc thời gian được phép khác nhau. Những giá trị sai lệch này thường giả định rằng bạn đang làm việc trên FR4, nhưng các thiết kế chuyên biệt hơn trên các chất nền có hằng số điện môi khác nhau sẽ mang lại các ràng buộc khớp chiều dài khác nhau. Khi lên kế hoạch cho các kênh I/O trên bảng mạch của bạn, bạn nên tra cứu các giá trị sai lệch chiều dài được phép này cho bảng mạch của mình và chuyển đổi sai lệch được phép này thành sai lệch thời gian (xem phương trình dưới đây).

Làm Việc Với Sai Lệch Thời Gian

Làm việc với sai lệch thời gian thay vì sai lệch chiều dài là ý tưởng trung tâm trong việc điều chỉnh độ trễ. Nếu bạn đang làm việc với phần mềm thiết kế PCB chỉ xem xét sai lệch chiều dài, thì bạn cần tính toán sai lệch chiều dài chính xác cho chất nền cụ thể của mình. Sai lệch chiều dài bằng với sai lệch thời gian nhân với vận tốc tín hiệu (đơn vị in./ps) trong chất nền cụ thể của bạn:

Phương trình vận tốc tín hiệu (đơn vị: in./ps)

Nói chung, một chất nền có hằng số điện môi lớn hơn sẽ khiến tốc độ tín hiệu thấp hơn, điều này làm tăng độ chênh lệch chiều dài cho phép giữa hai tín hiệu. Tương tự, nếu bạn đang tăng cường các thành phần tiêu chuẩn, bạn sẽ có thời gian tăng nhanh hơn (tốc độ thay đổi cao hơn), điều này cũng đặt ra những hạn chế chặt chẽ hơn về thời gian của bạn. Theo một ước lượng đầu tiên, nếu bạn giảm một nửa thời gian tăng của tín hiệu, thì ràng buộc thời gian cho phép cũng nên được cắt giảm một nửa.

Độ chênh lệch cho phép thường được định nghĩa theo thuật ngữ của dung sai trên chu kỳ đồng hồ hơn là thời gian tăng. Đối với một chu kỳ đồng hồ nhất định, độ chênh lệch chiều dài cho phép tỷ lệ nghịch với tốc độ tín hiệu. Với việc độ chênh lệch chiều dài được trích dẫn với một hằng số điện môi giả định (ví dụ, FR4), bạn sẽ cần chuyển đổi độ chênh lệch chiều dài sử dụng tốc độ tín hiệu cho chất liệu chất nền cụ thể của bạn.

Sự Chênh Lệch Pha trong Cặp Điện Áp Đối Xứng

Thuật ngữ "sự không khớp pha" đôi khi được nhắc đến cùng với việc điều chỉnh chiều dài và điều chỉnh độ trễ, nhưng nó có một hậu quả quan trọng khi làm việc với cặp dây đối xứng. Trong một số trường hợp với việc định tuyến cặp dây đối xứng, chẳng hạn khi một cặp dây cần được định tuyến qua các vias đặt ở vị trí kỳ lạ, có thể có một khu vực ngắn nơi mỗi đầu của cặp dây không được ghép nối. Điều này có thể xuất hiện bổ sung cho việc tổng chiều dài của cặp dây không khớp, và nhiều cặp trong một nhóm khớp với nhau có thể yêu cầu việc khớp chiều dài cũng như vậy.

Việc khớp pha yêu cầu thêm một lượng nhỏ đồng tại đầu không khớp sao cho chiều dài của các đường dẫn trong khu vực không ghép nối được khớp chiều dài. Điều này khá quan trọng để đảm bảo một cặp dây đối xứng có thể hạn chế tiếng ồn chế độ chung một cách hiệu quả; bất kỳ tiếng ồn chế độ chung nào được gây ra trong phần không ghép nối nên lan truyền qua cùng một khoảng cách để đảm bảo nó được khớp ở cả hai cặp khi nó đến bộ thu.

Bạn sẽ không cần phải đo chiều dài của các đường dẫn một cách thủ công khi bạn định nghĩa các khoảng chênh lệch chiều dài phù hợp như là các quy tắc thiết kế.

So sánh Cặp Trong và Cặp Ngoài

Thông thường, khi nói đến việc điều chỉnh độ trễ hoặc khớp chiều dài, chúng ta đang nói về hai đường truyền trong một cặp được sử dụng để tạo ra một kết nối nối tiếp. Tuy nhiên, bạn có thể cần áp dụng điều chỉnh độ trễ/khớp chiều dài giữa hai cặp vi sai. Một ví dụ đến từ DDR, nơi mà dòng strobe vi sai (DQS) và dòng clock vi sai cần phải được thực hiện khớp chiều dài. Ví dụ, đối với DDR3, độ lệch cho phép giữa các cặp vi sai này là 5 ps theo hướng dẫn của Intel.

Một khi pha đã được khớp trong khu vực không ghép nối, bạn nên kiểm tra phần còn lại của cặp vi sai được khớp chiều dài một cách thích hợp sao cho các chuyển đổi cạnh nằm trong giới hạn độ lệch cho phép. Tuy nhiên, chiều dài nên được giữ nhất quán trên toàn bộ cặp nếu nó được định tuyến đúng cách từ ban đầu. Khi thêm một phần khớp chiều dài vào một cặp vi sai như một phần khi bù đắp độ lệch giữa các cặp là cần thiết, phần khớp chiều dài nên được đặt một cách đối xứng trên toàn bộ cặp vi sai. Lưu ý rằng các ràng buộc độ lệch giữa các cặp thường lỏng lẻo hơn so với giá trị độ lệch trong cặp nhằm cung cấp đủ khả năng giảm tiếng ồn chế độ chung và trích xuất tín hiệu.

Thêm về Điều Chỉnh Độ Trễ: Hiệu Ứng Pin-Gói

Khi tín hiệu đạt đến một chân/pad trên một linh kiện cụ thể, nó vẫn cần phải di chuyển qua dẫn điện lộ thiên, dọc theo dây bond vào bên trong gói linh kiện, và vào die của gói. Dẫn điện lộ thiên, pad/chân và đầu vào của mạch nội bộ có một số độ cảm và dung kháng nhiễu, và tín hiệu di chuyển với tốc độ khác nhau khi nó đi qua dây bond so với khi di chuyển trên một đường dẫn tín hiệu. Dây bond cũng có một số hình dạng hơi khác nhau, điều này thêm vào các mức độ trễ khác nhau cho tín hiệu trên các chân khác nhau.

Tất cả các nhà sản xuất thiết bị đều nên có thể cho bạn biết độ trễ chân-gói, cho một linh kiện cụ thể. Điều này được chỉ định hoặc là một độ trễ tính bằng picogiây, hoặc là một chiều dài (thường là mm hoặc micromet). Bạn nên có thể lấy được giá trị độ trễ này từ tài liệu IBIS 6 cho linh kiện cụ thể đó. Chiều dài này nên được bao gồm khi thực hiện bất kỳ loại điều chỉnh độ trễ/chiều dài nào với tín hiệu trong một cặp vi sai hoặc cho nhiều tín hiệu vi sai/đơn cuối đồng bộ hóa.

Với các công cụ định tuyến tương tác mạnh mẽ và công cụ phân tích sau bố trí trong Altium Designer^®, bạn sẽ có một gói đầy đủ được xây dựng trên nền tảng của một động cơ thiết kế tuân theo quy tắc thống nhất, cho phép bạn thực hiện điều chỉnh độ trễ cho các tín hiệu tốc độ cao và các mô phỏng tính toán tín hiệu quan trọng. Bạn cũng sẽ có một bộ công cụ đầy đủ để xây dựng sơ đồ, quản lý linh kiện, và chuẩn bị các tài liệu giao hàng cho nhà sản xuất của bạn.

Giờ đây bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ bố trí, mô phỏng, và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.

Bắt đầu hành trình chuyển đổi sang Altium Designer ngay hôm nay.