Page 1. ElapC9 09/11/ DDC 1 ELETTRONICA APPLICATA E MISURE

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1 Ingegneria dell Informazione 9: Basic Signal Integrity ELETTRONIA APPLIATA E MISURE Dante DEL ORSO AA Integrità di segnale» Diafonia» Rumore di commutazione» Distribuzione dell alimentazione» ondensatori di bypass Diafonia Accoppiamenti capacitivi e induttivi Tecniche per limitare la diafonia Rumore di commutazione Distribuzione dell alimentazione ondensatori di bypass Accorgimenti di layout Riferimenti nel testo Diafonia Accoppiamento su maglie comuni 5.S2 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Diafonia e rosstalk Accoppiamento tra conduttori rosstalk o diafonia: passaggio di segnale tra due conduttori Tra conduttori diversi: accoppiamenti di tipo induttivo e capacitivo (raramente R) Sullo stesso conduttore (tra segnali diversi) accoppiamento per maglie comuni correnti impulsive in uscita e sull alimentazione Nel dominio del tempo Banda limitata crea code nei simboli Interferenza intersimbolica (ISI) Tra conduttori vicini sono presenti accoppiamenti induttivi (induttanza mutua L M ) accoppiamenti capacitivi (capacità mutua M ) L M e M sono distribuiti su tutta la lunghezza del conduttore 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Terminologia Modello di sistema e segnali segnale disturbante Linea disturbante (aggressore) Modello a linee: Due linee adattate al driver e alla terminazione, con induttanza mutua L M e capacità mutua M Accoppiamenti Lm e m Linea disturbata (vittima) Estremo remoto (receiver, terminazione) Estremo vicino (driver) Onda incidente (diretta, forward) Terminazioni adattate Onda riflessa (backward) Segnale disturbante (V S ): forma trapezoidale (dv/dt finito) V S t r V 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Page DD 1

2 Parametri di accoppiamento Modello accoppiamento capacitivo Il segnale Vs si propaga lungo la linea superiore Accoppiamenti induttivi (Lm) e capacitivi (m) generano disturbi nella linea inferiore Gli accoppiamenti capacitivi determinano una iniezione di corrente (I M ), che origina una variazione di tensione V X = Z /2 I M = Z /2 M dvs/dt I disturbi sono legati a: pendenza del fronte disturbante (dvs/dt, dis/dt) M V S I M M Induttanza mutua Lm, apacità mutua m Z Z V X Z /2 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Effetto dell accoppiamento capacitivo Effetto complessivo V X ha lo stesso segno del segnale disturbante, e si propaga con la stessa polarità nelle due direzioni Larghezza dell impulso V X pari al tempo di salita di V S B V S V X M F Termine progressivo verso la terminazione ( ): V X -V XL /2 Termine regressivo verso il driver ( ): V X + V XL /2 Segni opposti nel termine progressivo i due contributi possono compensarsi a vicenda Uguale velocità di spostamento pari alla velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche in quel conduttore 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Somma dei disturbi Analogia meccanica Stessa velocità, quindi i disturbi propagati verso la terminazione (diafonia diretta) si sommano con i nuovi disturbi disturbo totale di durata costante (Tr), ampiezza variabile a seconda della posizione lungo la linea i disturbi propagati verso il driver (diafonia inversa) si affiancano ai nuovi disturbi disturbototaledi ampiezza costante, durata variabile a seconda della posizione lungo la linea (max 2 Tp). Tramoggia e nastro trasportatore 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Page DD 2

3 Segnali osservabili Diafonia diretta Diafonia diretta Nastro e tramoggia si spostano nella stessa direzione» umulo a cono: altezza via via crescente Durata costante (Tr), Ampiezza variabile a seconda della posizione Massima all estremo remoto Diafonia inversa Nastro e tramoggia si spostano in direzioni opposte» umulo a striscia: altezza costante, lunghezza crescente Ampiezza costante Durata variabile a seconda della posizione Massima (2 Tp) al driver A B 0 tp 2tP 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Diafonia inversa Segnali osservabili Diafonia diretta durata costante (Tr), ampiezza variabile a seconda della posizione massima all estremo remoto A B 0 tp 2tP Diafonia inversa ampiezza costante durata variabile a seconda della posizione massima (2 Tp) al driver Sulla linea compare sempre la somma dei due 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Disturbo totale Tenere sotto controllo il crosstalk Near End Far End Il crosstalk è legato a velocità dei fronti (segnale disturbante) accoppiamenti L e margine di rumore (receiver) A B 0 tp 2tP Per ridurre il crosstalk rallentare i fronti dei driver della linea disturbante ridurre m e Lm, usare segnali differenziali Per ridurre gli effetti del crosstalk filtrare i receiver della linea disturbata Tecniche ED 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Page DD 3

4 Ridurre la velocità dei fronti Ridurre gli accoppiamenti induttivi Velocità = dv/dt = V/ t Ridurre V famiglia transceiver a bassa escursione» segnali differenziali (LVDS) V Aumentare t usare la famiglia logica più lenta (compatibile) criterio sempre valido: riduce anche il consumo e i disturbi t t V Segnale e corrente di ritorno percorrono una spira V AL L induttanza Lm tra due spire dipende da distanza, area concatenata, materiali,... Per ridurre Lm evitare spire ampie e concatenate Tenere pista di segnale e ritorno (massa) vicini 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Return current path Accoppiamenti induttivi The current tries to minimize loop area Less work spent to build the electro-magnetic field Ground plane current flows close to signal wire, if The ground plan does not have slots (must be continuos) Si formano spire concatenate anche quando le masse sono distanti dal segnale e in comune usare molte masse indipendenti OK NO OK 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Differential signalling Single-ended vs differential voltages Benefits Immune to common mode noise» Make feasible a reduced voltage excursion» Reduced ΔV reduced power consumption and EMI A differential pair carries constant total current» urrent is steered from one wire to the other» onstant current from power supply» Reduced EMI Drawbacks 2 tracks/pins for each logic signal Needs analog technology 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Page DD 4

5 9: Basic Signal Integrity ommon mesh crosstalk Diafonia Accoppiamenti capacitivi Accoppiamenti induttivi Tecniche per limitare la diafonia Rumore di commutazione Distribuzione dell alimentazione ondensatori di bypass Accorgimenti di layout urrents flowing in common paths in the supply and GND connections of different circuits: Static voltage drop (constant I): ΔV = R I; Dynamic voltage drop caused by current changes due to logic state transitions: ΔV = L di/dt. Ground bounce hange in the GND caused by supply current spikes V = L di/dt; I = dv/dt; V = L d 2 V/dt 2 Simultaneous switching of several outputs Simultaneous switching noise 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Ground bounce and switching noise Totem pole current spike Ground bounce and switching noise depends from Edge slope Amount of charges to be moved (load capacitance) Inductance of supply and GND connections V DD LS VS Effect: change the ground and supply voltage levels Affect devices with common GND and supply, such as» other gates of the same package» other Is in nearby PB position ause changes in» actual input voltage» output levels an cause self-oscillations V IN I D LG ID VG A ID VG, VS 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Output current pulses Pulsed current: Val - GND VOUT The capacitor discharge current flows in the GND wire, causing a drop V G : Ground Bounce O VOUT O IH IL O O The amount of ground bounce depends on: Load capacitance L Slope dv/dt of the output voltage L G of GND connection On L-H, same effect on Vcc Vcc Sag 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Page DD 5

6 Ground bounce and Vcc sag effects Ground bounce e switching noise Il rumore di commutazione è proporzionale al numero di uscite che cambiano stato; per ogni uscita: V = L di/dt; I = dv/dt; V = L d 2 V/dt 2 Legato a velocità dei fronti, capacità di carico induttanza di Val e GND Il Ground bounce sposta massa e alimentazione Effetti su altre porte dello stesso package masse e alimentazione in comune sposta la tensione effettiva di ingresso sposta i livelli di uscita 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Decoupling capacitors ondensatori di bypass Goal: keep current pulses away from high inductance paths Provide the high current peaks required for switching from a charge storage close to the device Decoupling capacitors (bypass)» Placed close to load-driving Is (or any high current element)» Pulsed currents go through short, low-l tracks The charge storage (capacitor) is recharged over longer periods, without current peaks. Needs low ESR/ESL devices, and proper layout Better: controlled ESR/ESL Le correnti provengono dall alimentatore, e determinano cadute di tensione sulle induttanze; 1 e 2 si disturbano a vicenda: V 1 (I 2 ), V 2 (I 1 ) ALIMENTATORE V AL GND Percorso comune I 2 I 1 V2 2 1 V1 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Bypass capacitors Valore dei condensatori di bypass Pulsed currents flow through the independent, low-z tracks from to the active device. is slowly recharged from the main supply V2 2 Limitare ondulazione sul alimentazione e GND Q = carica immagazzinata nel condensatore V = Tensione ai capi del condensatore V= variazione di tensione ammessa t = durata dell intervento del condensatore POWER SUPPLY V SU GND 1 Q = x V; i = Q/ t =x V/ t (+ totem pole current spike) = i x ( t/ V) onsiderando ESR : = i x t/( V- ESR x i) Se ESR troppo alta: Piùcondensatori in parallelo 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Page DD 6

7 alcolo capacità di bypass Punti critici per progetto del layout Stack_ up PB (sequenza dei layer)» Impedenza controllata, diafonia Posizione dei componenti» Limitare rumore di commutazione Routing delle piste» Impedenza, diafonia Routing dei clock/ strobes» Minimo skew Routing dei bus» diafonia Routing dei piani di potenza» Rumore di commutazione (Routing per minimizzare EMI) 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Ripple clock distribution Distribution with clock drivers Multipoint connection causes high skew Transmission delay is different for each register Specific devices to drive several clock lines Delays known and matched Near end matching: R S = Z 0 R O Reflection at far end RWS (reflected wave switching) Maximum transmission time (at driver) = 2 t P lock Driver RS RS t P BAD! locked registers or FSM lock Driver I RS BEST 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Delay equalization Lesson 9: final test To achieve the same transmission time, all clock tracks must have the same electrical length Meander tracks R S R S Electrical lenght equalization with meander track Spiegare il termine diafonia. Quali sono gli effetti degli accoppiamenti induttivi e capacitivi tra le piste di un circuito stampato? on quale meccanismo i percorsi comuni creano diafonia? Per ridurre la diafonia, conviene usare una famiglia logica lenta o veloce? osa sono il rumore di commutazione simultanea e il ground bounce? Quali criteri di layout possono ridurre la diafonia? A cosa servono i condensatori di bypass sull alimentazione? Quale è la topologia consigliabile per la distribuzione del clock? 09/11/ Elap DD 09/11/ Elap DD Page DD 7