Ingegneria dell Informazione C7: Integrità di segnale ELETTRONICA APPLICATA E MISURE Dante DEL CORSO C7 Integrità di segnale» Diafonia» Tecniche per limitare la diafonia» Rumore di commutazione» Condensatori di bypass AA 2014-15 Diafonia (crosstalk) Accoppiamenti capacitivi e induttivi Diafonia diretta e inversa Tecniche per limitare la diafonia Rumore di commutazione Distribuzione di massa e alimentazione Tecniche per limitare il rumore di commutazione Condensatori di bypass Riferimenti nel testo D. Del Corso: Elettronica per Telecom.: cap. 5.2.10 04/11/2014-1 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-2 ElapC7-2014 DDC Diafonia e Crosstalk Accoppiamento tra conduttori Crosstalk o diafonia: Passaggio di segnale tra due canali (separati nello spazio, nel tempo, nelle codifiche, ) 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 code nei simboli Interferenza intersimbolica (ISI) Tra conduttori vicini sono presenti accoppiamenti induttivi (induttanza mutua L M ) accoppiamenti capacitivi (capacità mutua C M ) L M e C M sono distribuiti su tutta la lunghezza del conduttore 04/11/2014-3 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-4 ElapC7-2014 DDC 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 C M Accoppiamenti Lm e Cm Linea disturbata (vittima) Estremo remoto (receiver, terminazione) Linea disturbante (A) Linea disturbata (B) Estremo vicino (driver) Onda incidente (diretta, forward) Terminazioni adattate Onda riflessa (backward) Segnale disturbante ( ): forma trapezoidale (dv/dt finito) t r V 04/11/2014-5 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-6 ElapC7-2014 DDC 2014 DDC 1
Parametri di accoppiamento Modello accoppiamento capacitivo Il segnale Vs si propaga lungo la linea superiore Accoppiamenti induttivi (Lm) e capacitivi (Cm) generano disturbi nella linea inferiore I disturbi sono legati a: pendenza del fronte disturbante (dvs/dt, dis/dt) Induttanza mutua Lm, Capacità mutua Cm Gli accoppiamenti capacitivi determinano una iniezione di corrente (I CM ), che origina una variazione di tensione proporzionale a dv/dt V XC = Z /2 I CM = Z /2 C M dvs/dt (V B costante) Z A B C M Z V XC A B I CM C M Z /2 04/11/2014-7 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-8 ElapC7-2014 DDC Effetto dell accoppiamento capacitivo Effetto complessivo Cm e Lm V XC ha lo stesso segno del segnale disturbante, e si propaga con la stessa polarità nelle due direzioni Larghezza dell impulso V XC pari al tempo di salita di B C V XC C M F C Accoppiamento induttivo (Lm): V XL analogo a V XC Termine progressivo verso la terminazione ( ): V P = V XC -V XL /2 Termine regressivo verso il driver ( ): V R = V XC + 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 04/11/2014-9 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-10 ElapC7-2014 DDC Somma dei disturbi Analogia meccanica Stessa velocità del segnale disturbante, quindi Disturbi che si propagano verso la terminazione Diafonia diretta : Somma dei disturbi via generati all avanzare del gradino (disturbo e sorgente si spostano alla stessa velocità) Disturbo totale di durata costante (Tr), ampiezza variabile a seconda della posizione lungo la linea Disturbi che si propagano verso il driver Diafonia inversa : I disturbi via via generati si affiancano nel tempo (le ampiezze non si sommano) Disturbo totale di ampiezza costante, durata variabile a seconda della posizione lungo la linea (max 2 Tp). Tramoggia e nastro trasportatore (Diafonia inversa) (Diafonia diretta) 04/11/2014-11 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-12 ElapC7-2014 DDC 2014 DDC 2
Segnali osservabili Tenere sotto controllo il crosstalk Diafonia diretta Nastro e tramoggia si spostano nella stessa direzione» Cumulo a cono: altezza via via crescente Durata costante (Tr), Ampiezza variabile con la posizione: max a estremo remoto Diafonia inversa Nastro e tramoggia si spostano in direzioni opposte» Cumulo a striscia: altezza costante, lunghezza crescente Ampiezza costante Durata variabile con la posizione: max (2 Tp) al driver Sulla linea compare sempre la somma dei due Il crosstalk è legato a Velocità dei fronti del segnale disturbante (dv/dt) Accoppiamenti L e C Margine di rumore del receiver Per ridurre il crosstalk Rallentare i fronti dei driver della linea disturbante Ridurre Cm e Lm Usare segnali differenziali Per ridurre gli effetti del crosstalk Filtrare i receiver della linea disturbata Tecniche EDC 04/11/2014-13 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-14 ElapC7-2014 DDC Ridurre la pendenza dei fronti Percorsi delle correnti di ritorno Pendenza = dv/dt = V/ t Ridurre V V Famiglia transceiver a bassa escursione» segnali differenziali (LVDS) t t Aumentare t Usare la famiglia logica più lenta (compatibile) Criterio sempre valido; riduce anche il consumo e i disturbi V Le correnti seguono percorsi ad area minima Minor energia spesa per creare campo magnetico La corrente circola vicino al segnale Piano di massa non deve avere tagli (continuo) OK NO OK 04/11/2014-15 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-16 ElapC7-2014 DDC Accoppiamenti induttivi Ridurre gli accoppiamenti induttivi Segnale e corrente di ritorno percorrono una spira Si formano spire concatenate anche quando le masse hanno percorsi in comune Per evitare accoppiamenti induttivi collegamenti di massa separati per ogni segnale V AL Lm La mutua 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 NO OK 04/11/2014-17 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-18 ElapC7-2014 DDC 2014 DDC 3
Segnali differenziali C7: Distribuzione dell alimentazione Vantaggi Immunità al rumore di modo comune» Rende possibile una riduzione dell escursione di tensione» Ridotto V riduzione di consumo e interferenze (EMI) La corrente totale in una coppia differenziale è costante» La corrente viene commutata da un conduttore all altro» Assorbimento costante dall alimentazione» Riduzione delle interferenze (EMI) Svantaggi 2 piste/piedini per ciascun segnale Richiede tecniche analogiche (stadi differenziali, ) Diafonia (crosstalk) Accoppiamenti capacitivi e induttivi Diafonia diretta e inversa Tecniche per limitare la diafonia Rumore di commutazione Distribuzione di massa e alimentazione Tecniche per limitare il rumore di commutazione Condensatori di bypass 04/11/2014-19 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-20 ElapC7-2014 DDC Accoppiamenti per maglie comuni Rumore di commutazione Le correnti di alimentazione relative a parti diverse del circuito possono avere percorsi comuni Caduta di tensione statica (I costante): V = R I; Caduta di tensione dinamica causata dalle variazioni di corrente durante le commutazioni: V = L di/dt. Rimbalzo di massa (ground bounce) Le correnti impulsive causano spostamenti del riferimento V = L di/dt; I = C dv/dt; V = L C d 2 V/dt 2 Commutazione simultanea di più uscite Rumore di commutazione simultanea (simultaneous switching noise) Ground bounce e rumore di commutazione legati a: Pendenza delle transizioni (dv/dt) Quantità di cariche da spostare (capacità del carico C L ) Induttanza dei collegamenti di GND e alimentazione (L G, L S ) Effetto: variazioni di tensione su GND e alimentazioni Riguardano i dispositivi con massa e alimentazione comune» Altre porte logiche dello stesso componente» Altri componenti vicini (stessa massa e alimentazione) Determinano variazioni nelle» Tensioni di ingresso effettive» Tensioni di uscita Possono determinare oscillazioni 04/11/2014-21 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-22 ElapC7-2014 DDC Correnti impulsive: Vcc - GND Effetti di ground bounce e Vcc sag La corrente di scarica di C L scorre nel conduttore GND, e determina una caduta V G : Rimbalzo di massa (Ground Bounce) Il ground bounce dipende da: Capacità di carico C L Pendenza dv/dt della V B L G del collegamento GND Per transizioni L-H, stesso effetto su Vcc Vcc Sag (power bounce) Il picco di corrente determina una caduta di tensione su Lg Ground bounce (rimbalzo di massa) Può trasformare uno 0 logico in 1 Power bounce (rimbalzo di alimentazione) Effetti analoghi: trasforma 1 in 0 Entrambi causano peggioramento dei margini di tensione Alimentazione Massa 04/11/2014-23 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-24 ElapC7-2014 DDC 2014 DDC 4
Ground bounce e switching noise Ridurre il rumore di commutazione Rumore di commutazione (switching noise); legato a: Numero di uscite che cambiano stato; per ogni uscita: V = L di/dt; I = C dv/dt; V = L C d 2 V/dt 2 Velocità dei fronti, Capacità di carico Induttanza di Val e GND Il rumore di commutazione sposta massa e alimentazione Ha effetti su altre porte dello stesso package Masse e alimentazione in comune Sposta la tensione effettiva di ingresso Sposta i livelli di uscita Obbiettivi: Creare percorsi a bassa impedenza per le correnti impulsive I picchi di corrente sono forniti da serbatoi di cariche collocati in prossimità degli utilizzatori. Condensatori di disaccoppiamento (bypass) Collocati vicino a IC che pilotano carichi a bassa impedenza Creare percorsi a bassa induttanza per le correnti impulsive Ricaricati in tempi lunghi, senza impulsi di corrente Necessari: Condensatori a basso ESR/ESL (R e L serie) Utilizzare opportuni criteri di layout 04/11/2014-25 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-26 ElapC7-2014 DDC Percorso delle correnti Condensatori di bypass Le correnti provengono dall alimentatore, e determinano cadute di tensione sulle induttanze; 1 e 2 si disturbano a vicenda: I 2 V1(I2), V2(I1) V2 2 Le correnti impulsivee vengono forniti dai condensatori C, e percorrono solo le piste (a bassa impedenza) tra C e il componente attivo. C viene ricaricato (lentamente) dall alimentazione principale V2 2 C V AL I 1 U ALIMENTATORE GND Percorso comune 1 V1 ALIMENTATORE GND 1 C 04/11/2014-27 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-28 ElapC7-2014 DDC Valore dei condensatori di bypass Esempio: Rumore di commutazione Scopo: limitare ondulazione su 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 Q = C x V; i = Q/ t = C x V/ t (+ totem pole current spike) C = i x ( t/ V) Considerando la resistenza equivalente serie di C (ESR): C = i x t/( V- ESR x i) Se ESR alta più condensatori in parallelo C di bypass multipli, di diverso valore Il rumore di commutazione dipende dal picco di corrente e dall induttanza del collegamento di alimentazione (R serie alimentazione ESR = 0) Picco di corrente: I = 0,2 A, triangolare, durata 2 ns: di/dt = 0,2/2 10^9 = 0,1 10^9 A/s Induttanza del collegamento Vdd: La = 10 nh: ΔVdd = La di/dt = 0,1 10^9 x 10 10^-9 = 1 V Condensatore di bypass per avere ΔVdd = 0,1 V: Senza ESR: C = I x (Δt/ ΔV) = 0,2 x 10^-9/0,1 = 2 nf Con ESR = 3 ohm: caduta su ESR = 0,6 V > ΔVdd = 0,1 V impossibile! necessario usare più C in parallelo per ridurre ESR 04/11/2014-29 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-30 ElapC7-2014 DDC 2014 DDC 5
Calcolo capacità di bypass Distribuzione dei clock http://www.ultracad.com/esr_calc.htm Connessione a catena multipunto elevato skew Il clock arriva ai vari registri in tempi diversi Clock Driver Da non usare! Registri o FSM 04/11/2014-31 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-32 ElapC7-2014 DDC Distribuzione con clock driver Equalizzazione dei ritardi Dispositivi specifici per pilotare clock multipli Ritardi noti e controllati Adattamento lato driver (near end): R S = Z 0 R O Riflessione alla terminazione (RWS,reflected wave switching) Tempo di trasmissione massimo (al driver) t TXMAX = 2 t P Dispositivi specifici per pilotare clock multipli Ritardi noti e controllati, adattamento lato driver (near end): Reflected Wave Switching: t TXMAX = 2 t P Stessa lunghezza per tutti i percorsi (usi di meandri) R S RS RS t P R S Clock Driver IC RS QUASI OTTIMALE Adattamento lato driver con R serie Equalizzazione dei tempi di trasmissione con pista a meandro 04/11/2014-33 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-34 ElapC7-2014 DDC Esempi su PCB (memoria) Lezione C7: quesiti finali Pista a meandro per segnali differenziali (2 conduttori) Resistenze di terminazione serie (4) Pista a meandro per equalizzare i tempi di trasmissione Spiegare il termine diafonia. Quali sono gli effetti degli accoppiamenti induttivi e capacitivi tra le piste di un circuito stampato? Con quale meccanismo i percorsi comuni creano diafonia? Per ridurre i disturbi dovuti alla diafonia, conviene usare una famiglia logica lenta o una veloce? Quale è la topologia consigliabile per la distribuzione del clock? Cosa sono il rumore di commutazione simultanea e il ground bounce? A cosa servono i condensatori di bypass sull alimentazione? 04/11/2014-35 ElapC7-2014 DDC 04/11/2014-36 ElapC7-2014 DDC 2014 DDC 6