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Technologie PCB
Conception de l'intégrité du signal de la carte de circuit à grande vitesse par commutation RapidIO série
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Conception de l'intégrité du signal de la carte de circuit à grande vitesse par commutation RapidIO série

Conception de l'intégrité du signal de la carte de circuit à grande vitesse par commutation RapidIO série

2021-08-24
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Author:IPCB

The signal integrity (SI) problem is becoming an issue of increasing concern for digital hardware designers. As wireless base stations, Contrôleur de réseau sans fil, wired Réseau infrastructure, Augmentation de la largeur de bande du taux de données dans les systèmes avioniques militaires, Circuits imprimés design has become increasingly complex.


À l'heure actuelle, les liaisons série à grande vitesse entre puces ont été largement utilisées pour améliorer les performances globales du débit. Les processeurs, les FPGA et les DSP peuvent transmettre de grandes quantités de données entre eux. De plus, les données peuvent devoir être envoyées à partir d'une carte de circuit et transmises par l'arrière - plan à une carte de commutation qui peut envoyer des données à d'autres cartes dans le châssis ou à d'autres cartes dans le « système ». Les commutateurs RapidIO permettent l'interconnexion entre ces différents composants et sont largement utilisés pour répondre aux exigences de bande passante en temps réel de ces applications.


Cet article traite principalement des problèmes d'intégrité des signaux liés à la conception d'interfaces à grande vitesse (les principales fonctions de commutation RapidIO supportent ces conceptions d'interfaces à grande vitesse) et d'autres questions connexes. L'optimisation de la fonction de commutation rapide vise à améliorer l'intégrité du signal dans la conception à grande vitesse.


Défis de la conception des interfaces à grande vitesse


La qualité du signal est très importante pour tous les aspects du système. Pour le RapidIO série, la qualité du signal est quantifiée par la taille de l'oculaire reçu. L'oeil récepteur est une trajectoire infiniment continue dans laquelle la forme d'onde se répète avec la trajectoire précédente. Plus l'oculaire est ouvert, meilleure est la qualité du signal.


La qualité du signal peut être influencée par de nombreux aspects: le bruit ou d'autres bruits dans le canal du signal, poor signal channel wiring, Conduction ou rayonnement d'une source externe, Et le bruit généré par le système lui - même. La combinaison de tous les facteurs ci - dessus entraînera une diminution de l'oculaire récepteur. In addition to board-level issues, signal integrity may also be affected by the source (transmitting end) and destination (receiving end) of the connection. Therefore, Les caractéristiques IC de la source et de la cible doivent être prises en compte dans l'intégrité du signal au niveau du système..


Considérations relatives à la conception des tôles


En ce qui concerne Circuits imprimés Conception, Les facteurs communs à prendre en considération sont les suivants:


1. Alimentation électrique de la carte de circuit, sortie et distribution du régulateur local

(2). Génération et distribution d'horloges

3.. Decoupling

4. Circuits imprimés basic materials

5. Connexion entre puces

6. Connexion entre les circuits imprimés et connexion au plan arrière

7. Empilage des circuits imprimés et contrôle de l'impédance

8. Connecteurs, câbles et connecteurs entre crémaillères


When the operating frequency is higher than 300MHz, La plupart des meilleures pratiques de conception pour les fréquences inférieures Circuits imprimés designs need to be modified. Facteurs produits lorsque la longueur d'onde est égale à la longueur d'onde Circuits imprimés must be considered. Cela ne s'applique pas seulement aux longueurs d'onde de la fréquence fondamentale, but also to the Fourier (frequency domain) components that make up the complete waveform.


Le matériau fr4 peut encore être utilisé avec succès comme matériau de base pour les circuits imprimés, mais à des fréquences plus élevées, il faut tenir compte non seulement de la constante diélectrique du matériau, mais aussi du facteur de perte. La conception des trous de travers devient également importante, car l'impédance de la longueur inutilisée du tube (influence négligeable à basse fréquence) ne correspond pas à l'impédance de la carte de circuit plus épaisse et de la plaque arrière. Il est préférable de terminer la simulation après la conception afin d'attirer l'attention sur le câblage qui n'est pas idéal pour l'intégrité du signal et de souligner la zone de crosstalk.


Les problèmes spécifiques d'intégrité du signal sur la carte de circuit sont causés par l'existence d'un bus de processeur à grande vitesse et d'une interface mémoire à grande vitesse, la génération d'horloges et le bruit d'horloge, ainsi que diverses sources de bruit sur la carte de circuit, y compris: bus parallèle à une extrémité, distribution d'énergie, correspondance d'impédance, rebond au sol, Crosstalk et génération d'horloges.


Commutateur rapide série


Serial RapidIO interconnect can be used to deal with some of the signal integrity problems discussed above. RapidIO est une norme mature et ouverte d'interconnexion entre puces, circuit Conseil d'administration, Et châssis. It is designed by leading manufacturers in the field of embedded computing to meet the needs of equipment in the wireless infrastructure, network, storage, Scientifique, military, Et les marchés industriels. Reliability, Rentabilité, performance and scalability requirements.


RapidIO est un protocole d'interconnexion de commutation de paquets point à point conçu pour répondre aux besoins des applications embarquées actuelles et futures. La spécification RapidIO Physical Layer 1x / 4x Link Serial peut répondre aux exigences du support de couche physique pour les appareils connectés en série électronique. Cette spécification définit une interface de couche physique série duplex complète (lien) entre les dispositifs utilisant la signalisation différentielle unidirectionnelle. De plus, il permet la combinaison de quatre liens série pour les applications qui nécessitent des performances de liaison plus élevées. Il définit également les protocoles de gestion des liens et de transmission des paquets par liaison.


L'architecture du système RapidIO se compose d'un composant terminal et d'une structure de commutation reliant les terminaux. Supposons que le paramètre soit le point de départ du système de courrier et que le commutateur intercepte le colis et l'envoie au Bureau de poste de destination. L'architecture d'interconnexion RapidIO est divisée en architecture hiérarchique selon les spécifications, y compris la couche logique, la couche de transport public et la couche physique. La couche physique du Protocole RapidIO est gérée par le sérialisateur de puces (Serdes). Les caractéristiques de serde ont une certaine influence sur les problèmes d'intégrité du signal auxquels sont confrontés les concepteurs de matériel lors de la conception des circuits imprimés. De nombreux autres aspects de la conception des commutateurs peuvent également affecter l'intégrité du signal.


Les caractéristiques du commutateur RapidIO simplifient la conception de la carte de circuit et permettent une grande intégrité du signal


Génération d'horloges


Pour le démarreur, le commutateur srio doit avoir un signal d'horloge sans bruit qui permet un faible Jitter. Le signal de faible Jitter présente essentiellement les caractéristiques d'un faible bruit de phase. Si un signal d'horloge d'entrée est ajouté pour obtenir un signal de sortie à une fréquence plus élevée, le circuit de la puce doit être optimisé pour produire un bruit de phase minimal. Les commutateurs RapidIO de la série tsi57x de Tundra produisent des signaux de sortie allant jusqu'à 3125ghz en utilisant des horloges de 125mhz et 155mhz et un PLL intégré d'amplification à faible bruit. De nombreux produits utilisent des circuits indépendants pour réaliser ces fonctions, de sorte qu'ils ne peuvent pas obtenir un faible Jitter comme les puces de commutation toundra. Le signal de sortie n'est pas aussi clair que lorsque la puce de commutation toundra est utilisée, ce qui rend la conception de la carte de circuit difficile à tolérer les autres problèmes d'intégrité du signal au niveau de la carte décrits ci - dessus.


Prépondérance Programmable de la transmission et égalisation du récepteur


In the design of high-speed circuitConseil d'administration, since the signal is transmitted from the chip to the chip through the Circuits imprimés Ou à travers le plan arrière, L'atténuation du signal doit être prise en compte. In short, Lorsque le point final est atteint, l'intensité réelle du signal diminue, Et un décalage de phase peut se produire. En gros, Dans tous les médias, higher frequency harmonics have a greater proportion of lower frequency harmonics attenuation. Il ne suffit pas d'améliorer le signal global, because it enlarges the noise floor and does not solve the phase shift problem. Serial RapidIO switches and endpoints (like all other high-speed designs such as GbE and 10GbE) utilize technology to avoid this problem and maintain the integrity of the original signal.

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Pour en savoir plus sur les effets de la pré - pondération de la transmission et de l'égalisation du récepteur, consultez l'oculaire. L'objectif est d'ouvrir les yeux. Si vous n'utilisez pas ces techniques, le diagramme oculaire commence à « fermer ».


La technique de pré - pondération de la transmission peut augmenter la haute fréquence du signal de transmission et résoudre le problème de l'atténuation du signal et du déplacement de phase entre les points d'extrémité. Par conséquent, au lieu d'amplifier simplement toutes les fréquences (ce qui augmente également la consommation d'énergie globale de la puce de commutation), la prépondérance de la transmission améliore efficacement la forme d'onde de sortie par la fonction de transmission, augmente la haute fréquence de la forme d'onde de sortie et la contrôle à l'aide d'éléments virtuels. Effectuer un déplacement de phase pour résoudre le déplacement de phase causé par le support de transmission. Cette méthode est très efficace pour maintenir l'intégrité du signal et l'oculaire.


Bien que le précontraint de transmission soit généralement utilisé dans de nombreux circuits intégrés à grande vitesse pour optimiser l'intégrité du signal à l'échelle du système, Le précontraint de transmission du côté émetteur doit être utilisé avec l'égalisation du récepteur du côté récepteur.. The receiver equalization uses the enhancer transmission function to compensate for the high-frequency transmission loss and phase shift caused by the Circuits imprimés Et Backplane. Since these transmission losses occur before the signal reaches the destination IC (in this article, the serial RapidIO switch), usually the switch must take measures before the signal is sent to the next transmission part (another switch) or endpoint in the system Compensate for these losses. L'effet d'égalisation du récepteur est similaire à l'effet de pré - pondération de la transmission, which can improve the overall signal-to-noise ratio. Note: chaque liaison à la puce de commutation peut avoir des caractéristiques différentes.


De même,, the receiver equalization needs of each link will be different and need to be programmed before it can be used. Cette fonctionnalité est disponible sur tous les commutateurs Tundra RapidIO tsi57x, En termes d'intégrité du signal, this feature will greatly simplify system-level design.


Conception de commutateurs synchrones et asynchrones


La norme Serial RapidIO prend en charge trois vitesses de liaison différentes: 1.25G baud, 2.5G baud and 3.125g Baud. Exchanges can be divided into two categories: synchronous and asynchronous.

Un échange synchrone est un échange dans lequel tous les ports doivent fonctionner à la même vitesse.

La commutation asynchrone signifie que chaque port peut fonctionner à la fréquence requise par les exigences opérationnelles d'un lien particulier..


Dans la plupart des applications, la meilleure solution est la commutation asynchrone, qui a non seulement l'avantage de répondre aux besoins de communication, mais aussi une consommation d'énergie globale plus faible et un impact moindre sur l'intégrité du signal.


Emballage et interconnexion


Les problèmes d'intégrité du signal peuvent être fortement influencés par la conception de l'emballage et des matériaux de base.. Par exemple:, high-performance flip-chip and wire bond packaging can improve power transmission and reduce return loss. Pour les commutateurs RapidIO, it is important to improve impedance matching to maintain 100 ohm differential impedance and low variation. L'emballage à puce inversée aide à améliorer la situation.


Cartographie sphérique efficace


Silicon chip suppliers may choose spherical mapping to simplify the signal transmission from the chip to the ball grid, Mais son rôle ne se limite pas à. In an ideal situation, La mise en œuvre globale au niveau du système sera prise en compte lors de la conception des cartes sphériques.. For example, Lors de la conception d'une carte sphérique, remember to link the peripheral IC to the switch chip. La conception doit être optimisée afin de réduire au minimum le nombre de couches et la surface requise., Cela améliore l'intégrité du signal dans la conception finale. An IC equipped with a fairly dense spherical mapping requires many layers on the Circuits imprimés Signal de l'IC, leading to a high-cost system-level design. Un autre problème est le crosstalk entre les canaux de signal, Ceci est mentionné ci - dessus lors de la discussion de la différence entre les échanges rapides synchrones et asynchrones. A problem closely related to crosstalk between signal channels and efficient spherical mapping is the spacing between the power and ground pins. Si vous insérez trop de ports RapidIO série dans un petit paquet, Il peut causer des problèmes d'intégrité du signal en raison d'échanges, which can lead to "closed eyes" when the signal is transmitted from the switch to the endpoint.


Techniques de conception


Maintenant., let’s review another aspect of signal integrity, C'est une question de conception au niveau du Conseil.. Designers can take many design guidelines to control the effects of noise. Generally, good design practices can help Circuits imprimés Bruit du signal généré par la communication au niveau du panneau de commande du concepteur, including limiting external noise sources and solving the noise of the device itself.


Tout d'abord, toutes les conceptions doivent utiliser la largeur, l'espacement et la topologie corrects des traces pour s'assurer que l'impédance de chaque trace correspond à son équipement de transmission. L'inadéquation de l'impédance peut affecter la qualité des bords d'attaque et de fuite, le délai de réglage, les échanges et l'EMI.


Il faut s'assurer qu'il y a suffisamment d'espacement des canaux entre les groupes de signaux synchrones, que la longueur des canaux est limitée et que le décalage entre les signaux de paires différentielles est réduit au minimum. Lors du câblage, le nombre de transitions de la couche de câblage doit être réduit au minimum afin de limiter les effets parasites. Le coût de l'utilisation de trous de travers dans des inducteurs inutiles et des condensateurs errants est très élevé et devrait être réduit au minimum. À l'exception des Pads BGA, un maximum de deux passes par canal est généralement autorisé.


Une vérification approfondie de l'intégrité du signal est essentielle. À l'aide des effets parasitaires estimés, l'analyse pré - conception peut fournir les données nécessaires pour comprendre le rendement de la conception, mais des effets parasitaires post - conception précis peuvent fournir les détails nécessaires pour détecter les problèmes potentiels d'intégrité du signal. En utilisant cette méthode, vous pouvez créer une liste de circuits pour la simulation et enregistrer les résultats.


Une bonne intégrité du signal peut être obtenue si les canaux et les canaux de signal sont aussi courts que possible, criblés par des couches au sol ou physiquement séparés les uns des autres, en prenant soin d'éviter tout décalage d'impédance ou toute configuration entraînant une résonance.


Sélectionnez la puce de commutation RapidIO série pour une plus grande intégrité du signal


Comment le concepteur sélectionne le commutateur RapidIO série? Just as good design practices can help circuit board Bruit généré par le signal de commande du concepteur Circuits imprimés-level communications, Les concepteurs de matériel doivent réfléchir activement aux caractéristiques de la génération d'horloges, transmission pre-emphasis and receiver equalization, Optimiser les techniques d'emballage, effective spherical mapping, Le commutateur RapidIO série conçu asynchrone assure une grande intégrité du signal pour la conception au niveau du système. Obviously, Lors de la sélection de l'interface série, the chip chosen by the designer must not only have the appropriate functions, Il s'agit également d'une puce de commutation pour résoudre le problème du signal à grande vitesse..


À l'heure actuelle, Tundra Semiconductor Corporation offre une gamme de trois générations de commutateurs rapides avec les caractéristiques ci - dessus. La gamme de produits TSI 57x comprend tsi574, tsi576 et tsi578. Le nombre de ports varie de 4 à 16 et la vitesse de fonctionnement varie de 1,25g à 3125g. Chaque port supporte des canaux X1 et X4 optionnels avec une consommation d'énergie de 120 à 200 MW par port. La gamme de produits tsi57x offre toutes les fonctions d'intégrité du signal décrites dans le présent document, y compris la pré - pondération de la transmission et l'égalisation du récepteur. Par rapport à la gamme de produits tsi56x précédente, le produit a ajouté un certain nombre de nouvelles fonctionnalités, y compris la multidiffusion et la surveillance de la performance de la matrice. En outre, de nombreuses fonctions avancées de gestion des communications ont été optimisées pour répondre aux exigences de haute performance des applications telles que les stations de base sans fil, les contrôleurs de réseau sans fil, l'infrastructure de réseau câblé et les systèmes avioniques militaires.


Aperçu du présent document


L'analyse ci - dessus permet de constater que, si vous connaissez bien les règles de conception de base, tout problème traditionnel lié à une mauvaise intégrité du signal, comme le bruit, les effets transitoires, les échanges ou les secousses, peut être évité lors de l'utilisation d'interconnexions à haute fréquence dans un système, comme le RapidIO série.