Ajustement du délai pour les signaux haute vitesse : ce que vous devez savoir

En regardant deux signaux sur un oscilloscope, vous pouvez voir comment les différences de longueur / décalages temporels entre les pistes de signaux peuvent déclencher de manière erronée des portes logique en aval. La situation est pire lorsque l'on examine le temps parcouru pour le signal d'une horloge maître et la durée de l'aller-retour pour les données envoyées/reçues dans différentes interfaces informatiques. La SDRAM a résolu ce problème en plaçant une horloge dans le dispositif esclave et en envoyant un signal d'horloge avec les données récupérées, tandis que d'autres interfaces (USB 3.0, SATA, etc.) extraient le signal d'horloge directement à partir des données.

Pour le reste d'entre nous, l'ajustement du délai sur de multiples interconnexions parallèles, pistes d'une paire différentielle, et l'utilisation d'un signal d'horloge assure que les données arrivent au bon endroit au bon moment. L'application de tout schéma de réglage en fonction de la longueur nécessite un travail sur les temps de retard des signaux dans différentes normes de transmission / d'interfaces, et pas uniquement avec une seule longueur. Voici ce que vous devez savoir sur la conception en vue de l'ajustement du délai et de la synchronisation des signaux.

Ajustement du délai et réglage des longueurs

Le réglage des longueurs et l'ajustement du délai renvoient fondamentalement à la même idée ; le but est de régler les longueurs des pistes de signaux d'un groupe de signaux appariés sur la même valeur de longueur. L'idée est de s'assurer que tous les signaux arrivent avec un décalage temporel limité. Lorsque deux pistes de signaux sont désappariées dans un groupe apparié, la façon habituelle de synchroniser les signaux est d'ajouter un délai à la piste de signal la plus courte en la faisant serpenter. Les serpentins en forme de trombone, en dents de scie et en accordéon sont des moyens typiques d'ajouter un délai à une piste.

Que vous appliquiez un ajustement du délai entre un signal d'horloge et plusieurs lignes de signaux, au sein d'une paire différentielle, ou entre plusieurs paires différentielles en l'absence de ligne d'horloge, vous devez connaître les tolérances de synchronisation spécifiques à vos signaux. Avec les récepteurs à paires différentielles et les composants des canaux SerDes, les facteurs limitatifs qui déterminent la disparité de longueur autorisée entre chaque signal sont le temps de montée du signal et le délai de propagation dans une interconnexion.

Différentes interfaces, qui fonctionnent à différents débits et utilisent différentes normes de transmission, spécifient des longueurs autorisées ou des décalages temporels différents. Ces valeurs de disparité supposent généralement que vous travaillez sur FR4, mais des conceptions plus spécialisées sur les substrats avec une constante diélectrique différente entraîneront des contraintes différentes de correspondance des longueurs. Lorsque vous planifiez des ports d'E/S sur votre carte, vous devez rechercher ces valeurs de disparité des longueurs autorisées pour votre carte et convertir cette disparité autorisée en un décalage temporel (voir l'équation ci-dessous).

Travail avec le décalage temporel

Dans l'ajustement du délai, l'idée principale est de travailler avec le décalage temporel au lieu de la disparité de longueur. Si vous travaillez avec un logiciel de conception de circuits imprimés qui prend en compte uniquement la disparité de longueur, vous devez dans ce cas calculer la disparité de longueur correcte de votre substrat particulier. La disparité de longueur est égale au décalage temporel multiplié par la vitesse du signal (unités en po./ps) dans votre substrat particulier :

 

 

En général, un substrat avec une constante diélectrique plus grande entraîne une diminution de la vitesse du signal, ce qui augmente la disparité de longueur autorisé entre deux signaux. De même, si vous surchargez les composants standard, vous aurez un temps de montée plus court (vitesse de balayage plus élevée), ce qui ajoute également des contraintes plus strictes à votre emploi du temps. Pour effectuer une première approximation, si vous réduisez de moitié le temps de montée du signal, la contrainte de temps autorisé devrait également être réduite de moitié.

La disparité autorisée est normalement définie en termes de tolérance sur la période d'horloge plutôt que sur le temps de montée. Pour une période d'horloge donnée, la disparité de longueur autorisée est inversement proportionnelle à la vitesse du signal. Lorsque les disparités de longueur sont indiquées et qu'une constante diélectrique est supposée (par exemple, FR4), vous devez convertir la disparité de longueur à l'aide de la vitesse du signal pour votre matériel de substrat particulier.

Déphasage dans les paires différentielles

Le terme « déphasage » est parfois utilisé dans le même sens que celui de réglage de la longueur et ajustement du délai, mais il entraîne une conséquence importante lorsqu'on travaille avec des paires différentielles. Dans certains cas de routage des paires différentielles, par exemple lorsque l'on doit procéder au routage d'une paire différente dans des vias placés bizarrement, on peut voir une petite zone où chaque extrémité de la paire est découplée. Cela s'ajoute à la longueur totale de la paire qui est déphasée, et plusieurs paires d'un groupe apparié peuvent également nécessiter un réglage de la longueur.

Le phasage nécessite l'ajout de petites quantités de cuivre au niveau de l'extrémité déphasée, de sorte que les longueurs des pistes de la région non couplée correspondent en longueur. Ceci est assez important pour permettre à une paire différentielle de supprimer correctement le bruit en mode commun ; dans la partie déphasée, tout bruit en mode commun induit doit se propager sur la même distance pour garantir qu'il reste phasé dans les deux paires une fois qu'il a atteint le récepteur.

Une fois que le phasage est terminé dans la région non couplée, vous devez vérifier que reste de la paire différentielle correspond en longueur, bien que la longueur doive être constante toute au long de la paire si son routage initial a été effectué correctement. Lorsque l'on ajoute une section de correspondance en longueur à la paire différentielle pour compenser l'inclinaison entre les paires, la section de correspondance en longueur doit être placée symétriquement sur toute la paire différentielle. Notez que les contraintes de différence de temps de propagation (skew) entre paires sont généralement plus faibles que les valeurs de différence de temps de propagation intra-paires, et ce afin d'assurer une suppression du bruit en mode commun et une extraction du signal suffisantes.

Plus d'informations sur l'ajustement des délais : l'effet « boîtier de broches »

Une fois que le signal atteint une broche/pastille sur un composant particulier, il doit encore parcourir un long chemin à travers le conducteur exposé, le long du fil de liaison à l'intérieur du boîtier, et dans la puce de montage. Le conducteur exposé, la broche/pastille et l'entrée du circuit interne ont une inductance et une capacitance parasites, et le signal se déplace à une vitesse différente lorsqu'il traverse le fil de liaison par rapport à son déplacement sur une piste de signal. Les fils de liaison ont également des géométries légèrement différentes, ce qui ajoute différents niveaux de retard aux signaux des différentes broches.

Tous les fabricants d'appareils doivent être en mesure de vous indiquer les retards liés aux broches d'un composant particulier. Ce retard est indiqué en jours ou en picosecondes, soit en longueur (généralement en mm ou en microns). Vous devriez pouvoir retrouver cette valeur de délai dans la documentation IBIS 6 pour le composant en question Lors de tout type de réglage de la longueur ou d'ajustement du délai avec des signaux dans une paire différentielle ou pour des signaux différentiels/uniformes multiples synchronisés.

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