Przesłuchy w układach cyfrowych – uwaga na marginesy
| TechnikaZasada działania układów cyfrowych jest prosta. Mamy do czynienia tylko z dwoma istotnymi stanami napięciowymi – niskim i wysokim. Są one reprezentowane przez odpowiednie zakresy napięciowe. Napięcie niższe od UL jest interpretowane jako stan niski, zaś napięcie wyższe od UH to stan wysoki. A co się stanie, jeśli z jakichś powodów napięcie znajdzie się w przedziale między UL i UH?
Teoretycznie cyfrowy układ elektroniczny powinien być zaprojektowany tak, aby na jego wyjściu nie pojawiały się napięcia spoza zakresów zdefiniowanych dla poziomu niskiego i wysokiego. W pewnych okolicznościach sytuacja taka może jednak wystąpić. Na przykład, jeśli wyjście układu cyfrowego obciążymy zbyt mocno, może okazać się, że na skutek ograniczonej wydajności źródła sygnału układ nie będzie zdolny do wytworzenia napięcia o zdefiniowanych poziomach. W efekcie napięcie wyjściowe znajdzie się pomiędzy zdefiniowanymi wartościami granicznymi. Taka sytuacja świadczy o błędzie konstrukcyjnym i w prawidłowo zaprojektowanym układzie nie powinna wystąpić.
Jak wiadomo, moc jest definiowana jako iloczyn napięcia i prądu. Całkowita moc pobierana z zasilania przez każdy układ elektroniczny jest zależna m.in. od napięcia zasilającego. Z tego powodu rozwój technologii układów cyfrowych podążał w kierunku zmniejszania napięć zasilających. Taka strategia ma jednak swoje konsekwencje – zmniejszanie się przedziału między poziomami UH i UL. Ale czy może to prowadzić do jakiegoś zagrożenia? Wystarczy przecież tylko przeprojektować progi komparacji i wszystko powinno działać bez zarzutu. To prawda, przeprojektować układy trzeba, ale jednego efektu niestety nie da się wyeliminować. Chodzi o szum. Jego poziom pozostanie taki sam, niezależnie od napięć zasilających. Istnieje więc niebezpieczeństwo, że przy niższym zasilaniu nawet napięcia wyjściowe, mieszczące się statycznie w prawidłowym zakresie, mogą na skutek szumu przejść do obszaru zabronionego, a to może generować przekłamania. Zauważmy, że podczas gdy układy dawnej techniki TTL były zasilane napięciem 5 V, współczesne układy są zasilane napięciami 3,3 V, 1,8 V, 1,5 V, a rdzenie procesorów nawet niższym. Ekstremalnie niskie napięcia spotykamy szczególnie w bardzo szybkich układach cyfrowych. Zagadnienie marginesu szumów staje się w tym przypadku niezwykle istotne. Projektanci układów cyfrowych musieli podjąć wyzwanie polegające na opracowywaniu środków łagodzących wpływ przesłuchów.
Przesłuch to efekt spowodowany sprzężeniem pól elektromagnetycznych wytwarzanych w położonych blisko siebie ścieżkach. Sprzężenie mające charakter pojemnościowy powoduje powstanie w ścieżkach gwałtownego wzrostu prądu skutkującego odbiciami na liniach transmisyjnych. Występują ponadto sprzężenia indukcyjne generowane przez pola magnetyczne. Skutkują one przede wszystkim szumem na liniach zasilających. Przesłuch maleje wraz z kwadratem odległości, a stopień oddziaływania jest proporcjonalny do napięcia "agresora" i powierzchni płytki, a więc pośrednio również od odległości między ścieżkami. Przesłuch występuje na dalekim końcu (far-end), przesłuch zdalny (forward crostalk – FEXT) lub na bliskim końcu (near-end), przesłuch zbliżny (reverse crosstalk – NEXT) (rys. 1).
Do równoległego przesyłania danych stosowane są magistrale synchroniczne. Charakteryzuje je bardzo dobra odporność na przesłuchy. Mogą one występować tylko w chwili zmiany stanu, i to wąskim oknie czasowym. Przesłuch musi być określany w oknie między czasem tS (setup time) i tH (hold time). W tym przedziale czasu napięcie przesłuchu nie może być takie, by sygnał mógł być błędnie odczytany. Przesłuch nie ma wpływu na jakość sygnału, jeśli tylko odbiornik wystarczająco długo czeka na jego ustabilizowanie się przed próbkowaniem magistrali. Jeśli przesłuch pojawia się podczas zmiany stanu sygnału, to jedynym jego skutkiem jest jitter (rys. 2). Dotyczy to jednak tylko sygnałów z tej samej grupy. Sygnały asynchroniczne i niepowiązane z daną grupą są wrażliwe na przesłuchy przez cały czas.
Niestety, ze względu na stale rosnące szybkości sygnałów cyfrowych coraz częściej nie można sobie pozwolić na zbyt długie czekanie na próbkowanie magistral. Jeśli do tego napięcie zasilania zostanie zmniejszone np. z 3,3 V do 1,5 V, dopuszczalny margines błędów wzrośnie o ponad połowę, przez co wszelkie decyzje projektanta związane z przesłuchami nabiorą jeszcze większego znaczenia. Przesłuch może być na tyle mały, że praktycznie nie wpłynie na działanie urządzenia, ale może być wystarczający do tego, by całkowicie uniemożliwić poprawną pracę.
Analiza przesłuchów na magistrali pamięci DDR3
Rozpatrzmy dla przykładu pamięci DDR3. Według specyfikacji JEDEC79-3E: maksymalny przesłuch jest różnicą pomiędzy oczekiwanym napięciem na odbiorniku a jego napięciem progowym. W tym przypadku maksymalny przesłuch wynosi 350 mV (rys. 3). Dotyczy to sygnału asymetrycznego i nie obowiązuje dla sygnału różnicowego. Wynika to z tłumienia sygnału wspólnego, czyli zdolności do eliminacji szumu występującego jednocześnie na obu liniach wejściowych odbiornika. Mimo że technika różnicowa lepiej tłumi szum, to jednak nie stanowi pełnego zabezpieczenia. Nadmierny szum nadal może stwarzać poważne problemy.
Przesłuchy zależą również od obciążenia. Pamiętajmy, że może ono znacznie zmieniać się podczas pracy z kilkoma bankami pamięci. Całkowity przesłuch występujący na każdej ścieżce jakiejś ofiary jest ponadto sumą przesłuchów generowanych przez wszystkich agresorów. Na rysunku 4 zostały pokazane przesłuchy near-end i far-end dla ścieżek ofiary sąsiadujących ze ścieżkami agresorów (1,5 V @ 1 GHz). W tym przypadku ścieżki mają szerokość 4 milsów, impedancję 40 mΩ i odstęp 4 milsów. W miarę zwiększania odległości między ścieżkami agresora i ścieżkami ofiary przesłuchy maleją.
Na rysunku 5 zostały pokazane przesłuchy near-end i far-end dla ścieżek o szerokości 4 milsy i impedancji 40 mΩ rozmieszczonych z odstępem 8 milsów. Jak widać, im separacja jest większa, tym przesłuch jest mniejszy. Pamiętamy jednak, że całkowity przesłuch w ścieżce ofiary jest sumą skumulowanego szumu ze wszystkich pobliskich źródeł. Całkowity szum może być więc znacznie większy.
Dla linii mikropaskowej wzajemne sprzężenie pojemnościowe między sąsiednimi ścieżkami jest ogólnie słabsze niż sprzężenie indukcyjne, dlatego współczynnik FEXT osiąga wartości ujemne. Widać to na załączonych wynikach symulacji. W linii paskowej nie występuje przesłuch zdalny. Wynika to z bardzo dokładnego zrównoważenia przesłuchu indukcyjnego i pojemnościowego.
Przedstawione przykłady dotyczyły linii mikropaskowych utworzonych na warstwie zewnętrznej. Warto też zbadać, jak będą wyglądały przesłuchy na linii paskowej zbudowanej na warstwie wewnętrznej. Na rysunku 6 zostały przedstawione przesłuchy w takiej linii paskowej ze ścieżkami o szerokości 4 milsów, impedancji 40 mΩ i odstępie między ścieżkami 4 milsy. Należy zwrócić uwagę na brak składnika FEXT w szumie. Także międzyszczytowa amplituda przesłuchu uległa znacznej redukcji. Ponieważ wszystkie inne czynniki są równe, można wyciągnąć wniosek, że magistrale szybkich sygnałów powinny być umieszczane na ścieżkach wewnętrznych wielowarstwowych obwodów drukowanych.
Nie można jeszcze pominąć jednego zagadnienia, jakim jest przenikanie sygnału z warstwy 1 na warstwę 3. Wszelkie zakłócenia występujące na ścieżkach zasilających trafiają do ścieżek magistral pamięci. Jeśli elementy odprzęgające sieci dystrybucji zasilania (PDN – Power Distribution Network) nie zapewnią odpowiedniej skuteczności, mogą występować znaczne przesłuchy. Jest to więc ważny pretekst do starannej analizy i optymalizacji PDN.
Analiza komputerowa przesłuchów
Jednym z najbardziej zaawansowanych programów przeznaczonych do komputerowej analizy przesłuchów jest Mentor Graphics HyperLynx. W programie zawarto domyślne parametry dla analizy przesłuchów i zaburzeń EMC dla urządzeń klasy B (urządzenia cyfrowe powszechnego użytku używane w środowisku mieszkalnym lub domowym – komputery, kalkulatory itp.) zdefiniowanych przez organizację FCC (Federal Communications Commission). Symulacja w trybie wsadowym pozwala na automatyczne skanowanie wielu sieci na całej płytce drukowanej, sygnalizując integralność sygnału, przesłuchy i gorące punkty EMC. Zgłoszone naruszenia przesłuchów można następnie oceniać dokładniej za pomocą symulacji interaktywnej. Symulator analizuje przesłuchy o maksymalnym napięciu 150 mV. Może wydawać się to wartością zbyt małą, ale dzięki temu możliwe jest wychwycenie każdego szkodliwego sprzężenia kumulowanego. Warto przyjmować takie ograniczenie podczas analizy magistral synchronicznych pod kątem identyfikacji całkowitego przesłuchu wszystkich agresorów. Symulacja jest metodą o wiele łatwiejszą i bardziej opłacalną niż działania podejmowane w dalszej części procesu produkcyjnego. Zarówno przesłuch zdalny, jak i bliski można zmniejszać, oddzielając ścieżki "agresorów" od "ofiar" lub zmieniając wysokość dielektryka nad/pod płaszczyznami. W drugim przypadku konieczne jest ponadto zmniejszenie szerokości ścieżek w celu zachowania impedancji. Trzeba jednak pamiętać, że koszty produkcji PCB znacząco rosną, gdy ścieżki mają szerokość mniejszą od 4 milsów. W przypadku gęstych projektów związanych z szybkimi układami dobrym polem manewru jest dobieranie wysokości dielektryka. Niestety, niezależnie od podejmowanych środków całkowita eliminacja szumów nie jest możliwa, a działania konstruktora muszą koncentrować się na ich minimalizacji.
Jarosław Doliński, EP
