Schede elettroniche ad alta velocità

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Lino Palmisano
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1 Bologna 30/01/2003 Seminario Schede elettroniche ad alta velocità I.D Antone CENTRO DI ELETTRONICA ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Sezione di Bologna

2 Moore incontra Einstein impulsatore Circuito logico Pista di circuito Stampato (7 cm) u(t) 2.0V 2.0V 1.0V 1.0V 0V 0V -1.0V 0s 20ns 40ns 60ns V(C1:2) Time Risposta u(t) con un circuito logico di alcuni anni fa (tempo di salita alcuni nsec): -1.0V 0s 20ns 40ns 60ns V(C1:2) Risposta u(t) con un circuito logico attuale (tempo di salita sotto il nsec): Time frequenza clock (MHz) La velocità di elaborazione raddoppia ogni 5 anni lunghezza pista critica (cm) La velocità dell onda elettromagnetica è costante

0V 0s 20ns 40ns 60ns V(C1:2) Risposta u(t) con un circuito logico attuale (tempo di salita sotto il nsec): Time 1000 100 10 1

3 Tempo e spazio Lunghezza d onda λ = v f f λ 30 MHz 10 m 300 MHz 1 m 3 GHz 10 cm Velocità di propagazione in un mezzo: 1 v v = = 0 εµ ε µ r r ε r Teflon: v 0 Bachelite: v 0 v Un segnale si propaga in cavo ad una velocita pari a circa i 2/3 della velocita della luce, quindi in 5ns percorre 1m. Quanto è lungo un fronte di salita? l = t r v t r = tempo di salita Es: 1ns in PCB(FR4) l=18cm tempo di salita 5 ns 1ns 0.5ns lunghezza_critica (l/4) 22.5 cm 4.5 cm 2.25 cm (PCB/FR4)

46 v 0 v Un segnale si propaga in cavo ad una velocita pari a circa i 2/3 della velocita della luce, quindi in 5ns percorre

4 All aumentare della frequenza Componenti Collegamenti V C Es: AWG20 (diametro 16mil): R 100MHz = 25.9x10-3 Ohm/in L = 15nH/in Z L (100MHz) = 9.43Ω/in cioè a 100MHz impedenza induttiva >> resistenza.

5 Effetto della induttanza dei collegamenti tra componenti C j G L j R Z ω ω + + = 0 per ω sotto il GHz C j L j R Z ω ω + = 0 C j R Z ω = 0 C L Z = 0 Wire Characteristics for 26, 24, 22, and 19 Gauge Wire comportamento RC comportamento LC capacitivo Linea di trasmissione

= 0 C L Z = 0 Wire Characteristics for 26, 24, 22, and 19 Gauge

6 Errori dovuti alla induttanza dei collegamenti 5V 10cm 16bit ADC Errore introdotto dalla resistenza: ADC 16 bit con R in =5kΩ 1LSB = 5V/2 16 = 76.3µV. Pista PCB di sez. 0.25mm x 0.038mm, lunga 10cm Resistenza 0.18Ω. Caduta di tensione = 180µV, cioè un errore nel guadagno di 2LSB. Errore introdotto dalla induttanza: ADC 16 bit con R in =5kΩ, campiona a 200KHz. Pista PCB di sez. 0.25mm x 0.038mm, lunga 10cm Induttanza 180nH. Alla frequenza di campionamento la caduta di tensione dovuta alla resistenza e alla induttanza è 0.18Ω + 2π * 200KHz * 140nH= 0.356Ω Quindi un errore di 356µV, cioè più di 4LSB.

Errore introdotto dalla induttanza: ADC 16 bit con R in =5kΩ, campiona a 200KHz. Pista PCB di sez. 0.25mm x 0.038mm, lunga 10cm Induttanza 180nH.

7 Accoppiamento tramite impedenza di modo comune Sistemi di massa a punto comune : serie (interferenza di modo comune) Il circuito digitale disturba il circuito analogico parallelo (interferenza per diafonia tra i fili di ritorno) per sistemi a frequenza non elevata Sistema di massa a punti multipli: (griglia di massa, piano di massa) DC minima resistenza Alta freq. minima induttanza

(interferenza per diafonia tra i fili di ritorno) per sistemi a frequenza non elevata Sistema

8 Effetto della induttanza delle connessioni a massa (Rimbalzi di massa: Ground Bounce) Esempio: C L =20pF, V=3V, t r =5ns I=C dv/dt=12ma, con t r =1ns circa Lunghezza del conduttore di ritorno = 10cm, per cui L=100nH circa, quindi V GB =L di/dt = 1.2V OPS!!! Rimedi: Minimizzare le variazioni di corrente (Output Edge Control logic) Ridurre il numero de lle uscite che commutano contemporaneamente Ridurre il caricamento capacitivo Ridurre l induttanza (usare package con pin ridotti)

9 Package ad alta densità Grande induttanza Piccola induttanza

10 Effetto della induttanza delle piste di alimentazione e massa V CC Noise = L * max(di/dt) = 100nH * 100 ma/ns = 10V OPS!!! Rimedi: Piano di massa: riduce l induttanza del percorso di ritorno Condensatori di disaccoppiamento: Si riduce l area della spira tra l alimentatore e i circuiti integrati, quindi si riduce l induttanza. Questi condensatori agiscono come delle sorgenti locali di carica. La corrente viene prelevata momentaneamente da questi condensatori. L impedenza di questo elemento alla variazione di corrente deve essere più bassa della impedenza dell alimentazione: Non usare valori di capacità più grandi del necessario. La frequenza di risonanza f 0 2π 1 = del condensatore si riduce con grandi valori di C: L term Ridurre L term : collegare il condensatore il più vicino possibile al chip C 5nH > 0.5nH

induttanza. Questi condensatori agiscono come delle sorgenti locali di carica. La corrente viene prelevata momentaneamente da questi condensatori.

11 Emissioni irradiate I D I D Correnti di modo differenziale (spire di corrente ad alta freq.) + EDmax E 1.3 = I d A 2 E D=0 ( µ V / m ) D MHz 2 cm f I C Correnti di modo comune I C + + ECmax E Cmax E ( µ V / m ) = I d C f Hz l m

12 Crosstalk capacitivo e induttivo L aria (o il materiale della scheda su un layer interno) formano un dielettrico mutua capacità C m C m V A V B B R A R B m B V A V = jωc R Una pista taglia le linee di campo magnetico generato dalla corrente nell altra pista mutua induttanza L m R A Lm V A RB V B V V B A = jω L R m A V V B A IND +20 CAP f circuiti con carichi a bassa impede nza VB V A CAP +20 IND f circuiti con carichi ad alta impedenza

magnetico generato dalla corrente nell altra pista mutua induttanza L m R A Lm V A RB V B V V B A = jω L R m

13 Trasmissione dati differenziale aggressore vittima L intreccio riduce l accoppiamento induttivo. L area del loop che raccoglie il rumore magneticamente è quella di una spira del cavo intrecciato. Trasmissione bilanciata (differenziale) Low Voltage Differential System: LVDS Low voltage swing:350mv Maximum data rate:400mbit/s Single supply voltage:3.3v Relatively slow edge rates, dv/dt=0.3v/0.3ns=1v/ns Differential mode operation.

Trasmissione bilanciata (differenziale) Low Voltage Differential System: LVDS Low voltage swing:350mv

14 Ieri Oggi ieri chip di ieri oggi chip di oggi pin di ieri pin di oggi PCB di ieri PCB di oggi (multilayer) Alimentazione di ieri Alimentazione di oggi

15 Previsioni Caratteristiche gate Lunghezza gate (mm) Ritardo gate (ns) Dimesioni chip Pin per chip Lato chip (mm)

16 Conclusione *Maggiore velocità dei segnali *Minore tempo di salita *Maggiore contenuto spettrale *Maggiori effetti induttivi *Riduzione dei loop di corrente *Minore lunghezza dei collegamenti *Piani di massa *Condensatori di disaccoppiamento *Linee a bassa impedenza *Package DIL SMD BGA *Trasmissione bilanciata su twisted pair

*Minore lunghezza dei collegamenti *Piani di massa *Condensatori di

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