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綦醒贰苏
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1 TDR 阻抗测试和高速串行链路分析泰克应用工程师李志斌

2 目录高速串行数据链路挑战高速串行数据链路时域分析 TDR 高速串行数据链路频域分析参数 :IConnect 泰克 TDR 与参数解决方案结束 2

3 Physical 物理层 Layer 高速串行数据挑战 Design Verification Compliance Test ystem 系统集成 Integration Digital Validation & Debug Data 数据链路分析 Link Analysis Digital validation & Debug Transaction 传输层 Layer Data Link 数据链路层 Layer Logical 逻辑子层 ubblock imulation 仿真 ignal 发送端测试 Integrity Eye and Jitter Analysis Characterization & Validation Receiver 接收端测试 Test Direct ynthesis Compliance 一致性测试 Testing Electrical 电器子层 ubblock erial 信号互联测试和链路分析 Data Network & Link Analysis Tx + + path + + Rx 3

4 PreEmphasis Equalizer 市场动态更快的高速差分总线正在研发中更快的速度更低的信号电平理解链路对信号高频衰减是至关重要的 tandard ATA Gen III UB3.0 PCI Express 2.0 PCI Express 3.0 DisplayPort 1.2 HDMI 1.4 FC 1, 2, 4 Gb/s FBDIMM II FibreChannel 10GE Ethernet Data Rate 6 Gb/s 5 Gb/s 5 Gb/s 8 Gb/s 5.6 Gb/s 2.9 Gb/s 1 Gb/s to 4.25 Gb/s Gb/s Gb/s Gb/s

5 高速串行数据链路分析从 1Gbps 到 10Gbps 甚至以上, 对于不同的互连要求进行时域和频域的分析通常时域测试阻抗传输延时 Intrapair skew Interpair skew 其他频域测试差分回波损耗差分插入损耗串扰近端串扰远端串扰 5

6 目录高速串行数据链路挑战高速串行数据链路时域分析 TDR 高速串行数据链路频域分析参数 :IConnect 泰克 TDR 与参数解决方案结束 6

7 TDR 应用 TDR:Time Domain Reflector, 时域反射计 ; 测量特性阻抗最简明的方式 PCB 线路电缆多芯片模块发现和测量阻抗不连续点或变化在连接器中 PCB 上的拐角和过孔从连接器转到电路板, 或从电路板转到 IC 封装 7

8 TDR 原理及其它差分 TDR DA8200 示波器 { 假设平衡阶跃和电缆入射阶跃脉冲 dd Z Z Z dd ( 2 ) 反射反射入射 80E04 TDR 模块通道 1 和通道 2 8

combinations of solder joints, circuit board vias, and connectors: these all can have

9 Voltage TDR 在信号完整性 I(ignal Integrity) 中的应用 Reflection( 反射 ) TDR Module Tx Rcv Ma sk tes t ampling cope display of two TDR waveforms Time Transition points involve combinations of solder joints, circuit board vias, and connectors: these all can have substantial effect on the total link performance. TDR also is capable of producing parameters 9

10 TDR 原理及其它更加复杂的走线电容不连续电感不连续 Z 0 Z 0 Z 0 Z 1 Z Z [ 欧姆 ] 50 t 1 =2t D z1 t 2 Z 1 Z 2 入射 0 时间 10

11 TDR 上升沿时间和分辨率解析两段不连续的主要规则 : t separate a 1 a 2 To resolve a 1 and a 2 as separate discontinuities: t separate > t TDR_risetime /2 80E04 TDR 上升沿时间 : 测量夹具, 探头, 电缆末端典型值为 3040ps 1/2t rise 分辨率 : 1520ps in FR4 11

12 高带宽 TDR 模块 80E10 / 80E08 主模块 2 米延长线远程采样头 12

13 分辨率 TDR 的分辨率 : TDR Response Resolution (Rr) per tep Rise Time R 0.5T C 1 r r E r Tr (ps) C Er TDR Resolution (mm) 80E E ~2.1 80E E ~1.5 80E E ~1.1 Er: relative dielectric constant of the dielectric material. 4.5 is a nominal value for FR4. 14

14 IPC TM650,TDR 分辨率 80E10 80E08 80E04 15

15 80E10 实测分辨率 15ps 反射上升时间, 2.5mm 间隔 15ps 反射上升时间, 1.25mm 间隔 80E10 高带宽 TDR 模块所见,15ps 上升沿, 50G 带宽 16

16 更高的 TDR 分辨率, 更精确的验证 80E04 80E08 80E10 17

17 高带宽 TDR 模块 80E10 / 80E08 如果需要进行毫米级别阻抗波动的验证, 如果需要进行元器件内部布线的验证, 如芯片内如果 PCB 板上有 8Gbps 以上的信号, 如果需要进行高带宽高动态范围的参数测试小巧而高品质的前端采样头 1.85/2.92mm 高带宽 MA 口接入 18

18 TDR Modules:80E10 / 80E08 高达 15 ps TDR 反射上升时间 ~ 12ps 入射上升时间高达 50 GHz 带宽真实的一对差分 TDR 输出, 精细量测差分器件, 隔离故障 2 米的远程采样头, 方便灵活超低的噪底, 卓越的信号保真度未雨绸缪, 满足未来更高速信号等的前瞻性设计需求 eptember 2008 v. 1.01

19 小结分辨率要求 : 80E10 提供了 IPC TM 规定的 1mm 分辨率对单个不连续点可以实现亚毫米分辨率上升时间要求 : 泰克 TDR 模块为串行数据应用提供了明确的上升时间选择策略动态范围和带宽要求 : 泰克 TDR 模块为串行数据网络参数测量提供了适当的性能 20

20 除了阻抗测试外,TDR 还可以上升下降时间传输时延 TDT 发送测量, 而不是反射测量时域串扰 ( 差分, 单端 ) 频域串扰 (FEXT, NEXT) 参数测量 21

21 线长测试 : 断点识别 22

22 TDR 在信号完整性 I(ignal Integrity) 中的应用信号完整性的定义信号完整性 I(ignal Integrity): 信号在信号传输线上的质量, 在要求的时间内, 信号能不失真地从源端传送到接收端, 我们就称该信号是完整的 I 解决的是信号传输过程中的质量问题, 尤其是在高速领域, 数字信号的传输不能只考虑逻辑上的实现, 物理实现中数字器件开关行为的模拟效果往往成为设计成败的关键 TextBook View of Digital ignals Logic ignal +5 Volt upply Ground Real View of Digital ignals (analog) Logic ignal +5 Volt upply Ground 23

23 多条通路导致串扰串行数据可以是一路差分信号 Tx + + 传输线路 + + Rcv 但一般来说, 会有多路串行数据并排运行 ; 它们会相互产生串扰 Tx + Tx + Tx + Tx Rcv + + Rcv + Rcv Rcv 25

24 TDR 在信号完整性 I(ignal Integrity) 中的应用 Effect of CrossTalk 会产生何种后果视如下因素 : 前向还是后向源端阻抗终端阻抗匹配可能产生的后果 : 产生意料之外的毛刺和尖冲信号边沿产生失真和抖动噪声电平增大如果没有正确端接将产生来回反射 26

25 串扰测试 DA8200 取样器 /TDR 模块 80E04/08/10 串扰源取样器 /TDR 模块取样器 /TDR 模块取样器 /TDR 模块 8 条通道, 可以全面检定受到差分串扰源影响的 TDR/TDT/ 差分器件真正的差分同步 TDR 脉冲, 即使在存在非线性度时仍提供了精确的结果 ( 部分材料, 封装中的保护二极管, ) 被干扰 NEXT ( 近端串扰 ) 27

26 串扰测试 DA8200 取样器 /TDR 模块串扰源 80E04/08/10 取样器 /TDR 模块取样器 /TDR 模块取样器 /TDR 模块 8 条通道, 可以全面检定受到差分串扰源影响的 TDR/TDT/ 差分器件真正的差分同步 TDR 脉冲, 即使在存在非线性度时仍提供了精确的结果 ( 部分材料, 封装中的保护二极管, ) 被干扰 FEXT ( 远端串扰 ) 28

27 目录高速串行数据链路挑战高速串行数据链路时域分析 TDR 高速串行数据链路频域分析参数 :IConnect 泰克 TDR 与参数解决方案结束 29

28 串行数据网络中的挑战在从发送端启动时干净张开的逻辑 1 和 0 在长互连末尾可能很难区分逻辑 1 和 0; ( 这通常称闭合的眼图 ) 在通过主流计算机主板传送时, 快速串行数据信号可能会发生高频损耗电路板 / 背板 Tx + + path + + Rcv 在发送端启动时快速急剧的边沿在长互连末尾模糊的边沿 Tx + + 传输线路传输线路 + + Rcv 传输线路电路板和双绞线差分电缆 30

29 Port 1 Port 2 高速串行链路频域特性 : Parameters 在频域中检定网络的反射与损耗定量分析探究信号完整性问题的根源 Tx + + transmissions path reflections + + Rcv 常用参数测试项差分回波损耗差分插入损耗串扰数据采集与输出单端测试差分与多端口的测试参数文件输出 31

30 串行数据网络分析各种标准规定了要求要求的频域测量不管是在设计中还是在制造中, 互连测试要求都是由标准推动的标准数据速率 TDR 差分回波损耗差分插入损耗差分串扰 ATA II 3 Gb/s PCI Express Gb/s PCI Express II 5 Gb/s 许多标准要求在一致性测试中进行参数测量 HDMI Gb/s 2.25 Gb/s FC 1, 2, 4 Gb/s 1 Gb/s 4.25 Gb/s 测试的设备类型 : PCBs 电缆组件连接器插座和其它小型设备 Tx/Rx 输入 FBDIMM II 4.25 Gb/s Infiniband 2.5 Gb/s XUAI Gb/s 32

简单准确的 parameter 和 Eye diagram 测量广泛用于电气规范一致性测试更准确的阻抗测量有效的故障隔离和失效分析

31 什么是 IConnect? IConnect TDR and VNA software 针对 Gigabit 级数字高速链路 : 为信号完整性分析提供快速 PICE 建模和分析简单准确的 parameter 和 Eye diagram 测量广泛用于电气规范一致性测试更准确的阻抗测量有效的故障隔离和失效分析 MeasureXtractor 自动将 TDR/T 测量结果或 parameter 数据转化为精确的频率相关模型易于确保 PICE / IBI 仿真准确度 Efficient, easytouse and costeffective! Works with DA8300 TDR scope

32 IConnect 软件架构 IConnect Measurements Modeling Zline parameters Eye Diagram Topological Behavioral IConnect parameters MeasureXtractor 34

33 IConnect 软件的选件以及功能 IConnect 80PAR ZLine 真实阻抗测试 ; 参数测试 IConnect 80ICON ZLine 真实阻抗测试 ; 参数测试 ; 眼图测试 IConnect 80ICMX ZLine 真实阻抗测试 ; 参数测试 ; 眼图测试 ; 电路模型提取 35

34 TDR 原理及其它 Multi Reflection 问题 : 在 DUT 内部由于信号再反射阻抗测量准确性受到极大困扰 Z 0 Z 1 Z 2 Z 3 Z 4 V transmitted1 V reflected1 V reflected2 t 0 Time Direction of propagation 36

35 阻抗准确度 IConnect 软件 Zline 算法 Zline 可以做什么? 修正在 DUT 中的由于多重反射造成的阻抗测量错误对 TDR 没有限制, 在频域 VNA 中也没有限制 IConnect 可以消除多重反射确保在多阻抗值 DUT 中阻抗测量的准确性直接准确的读出阻抗 (Z), 延时 (t d ), L, C 相对直接从示波器读取阻抗值有所不同也更加准确应用 : 提高 PCB 阻抗测量准确度包括 PCB 生产制造和研发提高故障隔离和失效分析的分辨率封装, 电路板, 连接器直接从修正阻抗线读出阻抗 (Z), 延时 ( td), 电感和电容 37

36 38 Measurement Tools: Zline Computation of the True Impedance Profile n incident incident incident incident n n n reflectedn reflected reflected reflected V V V V k k k k k k k k k k V V V V ) ( incident incident incident reflected incident incident reflected incident reflected V V t V t t t V V V t V V V

37 阻抗准确性典型电路板走线 IConnect Zline TDR 波形里的多重反射示波器在这里显示读数为 44 Ohm 而不是 50 Ohm 39

38 阻抗准确性典型电路板走线 IConnect Zline 准确的阻抗线 in IConnect 40

39 阻抗准确性典型封装走线 IConnect Zline 原始 TDR: 多重反射混淆阻抗线 in IConnect : 准确的失效定位, 提高分辨率 41

40 频率相关 parameters IConnect parameter 计算 IConnect parameters 可以做什么? 针对数字互连的最容易的 parameter 测量差分, 混合模式和单端测量简便的反嵌 (deembed) 夹具效应基本的校准能力应用 : 测量插入损耗, 回波损耗, 花最小的努力进行频域串扰测量包括有源器件输入回波损耗常见指标! 进行线缆装配和 PCB 电气一致性测试 (ATA, PCI Xpress, Infiniband, Gigabit Ethernet) 极小的成本, 高效, 快速! 提供 2 和 4 端口 parameter Touchstone 文件可用于通道仿真 43

ATA, Infiniband, Gigabit Ethernet and other standards

41 Frequency Dependent parameters IConnect parameters 最容易的方法实现数字互联的参数测试真实的差分混合模式单端一致性测试需求 :PCIXpress, erial ATA, Infiniband, Gigabit Ethernet and other standards 非常容易反嵌夹具带来的测试影响只需执行简单的校准 ( 一个开路或短路的 TDR 波形 ) 现有的 TDR 设备非常容易就可升级至 IConnect 44

42 2 端口参数公式 V 1 V 1 V 2 V 2 V V V V 1 2 / V 1,2 are the waves incident and reflected from the DUT One singleended line is a twoport device 45

43 单端 TDR TDR stimulus on channel 1, response on channel 1 TDR stimulus on channel 2, response on channel TDR TDT TDT TDR TDR stimulus on channel 1, response on channel 2 TDR stimulus on channel 2, response on channel 2 46

44 47 4 端口差分参数 V d1 V d1 V d 2 V d 2 c1 V V c1 c2 V V c c c d d cc cc cc cc cd cd cd cd dc dc dc dc dd dd dd dd c c d d V V V V V V V V

45 差模和混模 parameters Differential TDR stimulus, differential response (most important) Common mode TDR stimulus, differential response (useful in time domain for EMI troubleshooting) dd11 dd 21 cd11 cd 21 TDR TDT TDR TDT dd11 dd 21 cd11 cd 21 dd 12 dd 22 cd12 cd 22 TDT TDR TDT TDT dd12 dd 22 cd12 cd 22 dc11 dc21 cc11 cc21 TDR TDR TDR TDT dc11 dc21 cc11 cc21 dc12 dc22 cc12 cc22 TDT TDR TDT TDR dc12 dc22 cc12 cc22 Differential TDR stimulus, common mode response (useful in time domain for EMI troubleshooting) Common mode TDR stimulus, common mode response (less important) 48

46 为什么选择泰克串行数据解决方案? 业内最高分辨率 80E10 50GHz 带宽真正差分 TDR 模块采样示波器主机 16 位 AD, 业内精度最高 70dB 动态范围, 足够串行信号 40dB 的要求比 VNA 更快校准和使用更简便, 加快研发生产周期支持检定标准一致性检验和制造测试直观的多用途平台, 除参数外, 提供了直观的时域结果为满足串行数据要求专门设计的工具对研发应用 ( 使用 80ICMX), 在满足通道分析要求中明显优于竞争对手 50

47 参数测试实例下图, 共两根 MA 线缆, 带宽不同, 红线带宽超过 20G, 而蓝线带宽只有 5G 左右, 通过泰克 Iconnect 软件可以与验证和测试线缆的插入损耗等参数 51

48 ET2DIL 原理 ET2DIL 主要衡量了一路差分信号传输高速串行数据时, 该链路的表现情况 ; 利用了差分线的对称性来做了一些近似设定, 以此极大简化了这一测试项的方法 : 1) DD21 = 0.5 * ( ) 21: 链路 1>2 端口的插入损耗 41: 链路 1 在 4 端口引起的远端串扰 43: 链路 3>4 端口的插入损耗 23: 链路 2 在端口 3 引起的远端串扰 2) 对于对称的差分线,21 43, ) DD ) 可以方便地通过相应单端 TDR/TDT 的波形来计算 53

49 DD21 测试配置 Intel ET2DIL 软件 : 控制 80E04 发出 TDR, 采集波形计算参数泰克 DA E04 TDR 采样模块 55

50 眼图 (Eye Diagram)

51 眼图 1 以时钟沿为触发条件捕获数据的各比特位的信息 2 以时钟沿为参考将所有的比特位叠加形成眼图

52 lice 1 lice 2 lice 3 lice 4 lice 5 lice 6 lice 7 lice 8 lice 9 lice 10 lice 11 lice 12 眼图 1 一次触发捕获连续多个比特位 2 使用软件 PLL 进行时钟恢复 3 将数据按单位间隔 UI 分解, 逐位按恢复时钟进行切割 4 将切割得到的数据按时间单位排列进行叠加形成眼图

53 基于测量参数生成眼图除了参数,IConnect 眼图可以做什么? 针对无源互连链路产生眼图包括串扰效应! 不需要码型发生器, 只需要含 TDT 功能的 TDR 省钱! 只对确定性抖动进行分析 no active component jitter 可加载标准模板, 可进行 peaktopeak 抖动分析和眼睛张开宽度测量应用 : 线缆装配和 PCB 电气标准一致性测试 (ATA, PCI Xpress, Infiniband, Gigabit Ethernet) 超值, 高效, 快速! 判定系统性能恶化是否由于发送机或者互连链路在几秒内! 评估前期背板最大性能在几秒内! 59

54 例 1:PCI Express Receive, Transition Eye 60

55 例 1:PCI Express Receive, NonTransition Eye 61

56 例 2:ATA (Internal) II Test (Receive Eye) Jitter Limit Test Enabled Limit = 50 ps Measured at 0 Volts No Mask Test Jitter Limit Test to verify II Target BER = minimum (1e24) Measured Jitter (II) < limit (50ps) jitter limit test passes 62

57 Iconnect 眼图测量预测眼图和实测眼图 1.5Gb/s (Gen 1) imulated Measured 3.0Gb/s (Gen 2) 串行 ATA 数据, 来自 Molex 公司国际知名专业连接器及线缆制造公司 6.0Gb/s (Gen 3) imulated Measured imulated Measured

58 目录高速串行数据链路挑战高速串行数据链路时域分析 TDR 高速串行数据链路频域分析参数 :IConnect 泰克 TDR 与参数解决方案结束 64

59 DA8300 取样示波器主机改进了取样示波器主机 300K/s 的采样和 TDR 速率处理速度更快, Win 7, 3G Intel Core CPU, 4G 内存内置码型同步功能最好的信号保真度和杰出的取样精度 16 位模数转换 200fs 时基和 GHz 用途最广泛可扩展的模块化结构 6 个插槽, 用于光接口电接口和时钟恢复业内唯一支持抖动噪声和 BER 分析的取样示波器解决方案 65

60 泰克公司 TDR 测试方案 TDR Modules TDR 模块主要参数表 66

61 参数测试方案 : IConnect

62 参数测试方案 : IConnect 68

63 泰克公司 TDR 测试方案 Electrical ampling Modules 各电采样模块参数比较表 69

64 电采样模块能帮您做什么 70G 单端带宽,60G 差分带宽, 覆盖所有高速串行信号速率需求 : 高速脉冲的上升下降沿 ; 电眼图抖动噪声 BER 误码分析等 * 配合 80JNB/JARB 软件 70

65 DA8300 光通信信号测试核心测试光眼图测试抖动抖动分离幅度域平均光功率 (AOP) 消光比 (ER) 光调制幅度 (OMA)

TDR 静电保护方案 80A02 ED/EO Module inglechannel Electrostatic Discharge (ED) and Electrooverstress (EO) Damage Protection for Tektronix Electrical ampling Modules.

66 TDR 静电保护方案 80A02 ED/EO Module inglechannel Electrostatic Discharge (ED) and Electrooverstress (EO) Damage Protection for Tektronix Electrical ampling Modules. Plugs into and is Powered from ampling Mainframe. Compatible with Tektronix Extender Cables <37 ps Reflected Rise Time When Used with 80E04 or D24 Electrical ampling TDR Modules

67 泰克公司 TDR 测试方案 P8018/P GHz Probe Tip Bandwidth 50 Ω Impedance TDR Passive Probe >9GHz 带宽 1X, 10X 衰减探针可调距离宽度的接地线 <38.8ps 上升时间 <0.15pF 输入电容 73

68 泰克公司 TDR 测试方案 P80318 业界独一无二的 18GHz 差分 TDR 探头 P GHz 100 Ω 手持式 TDR 阻抗测量探头 0.5mm to 4.2mm 可调间距探头尖 FR4 材质 PCB 最小 2.5 mm (0.1 in.) 间距分辨与 80A02 模块一起使用时提供 EO/ED 保护功能专门优化用于差分 TDR/TDT 测量 ( 不支持共模和单端测量 ) 单端测量请使用 P8018! P80318X 18GHz 100 Ω 手持式 TDR 差分阻抗测量附加探头用于主要探头需要维护时的替代品, 确保生产时间 74

69 泰克公司 TDR 测试方案 TDR 静电保护解决方案保护模块 ( 泰克 80A02) 两支 P8018 或一支 P80318 保护模块泰克 80A02 保护模块 ( 泰克 80A02) control 80E04 TDR 模块通道 1 和通道 2 保护模块 ( 如泰克 80A02) 在测量前对 DUT 印刷线路放电保护模块可以通过 TTL 信号控制, 或通过 PCB 探头 P8018/P80318 的信号控制 75

70 DA8300 丰富的测量参数和项目同时支持 8 个参数的测量和更多的测量项目. 支持保存 8 个参考波形,8 个数学运算波形. 76

71 DA8000 支持强大的数学运算定义 77

133,000 多种型号方便的本地机构, 在北美设有 35 家服务中心灵活的交货模式维修中心交货, 临时现场校准, 全面外包解决方案

72 服务方案事业部校准维修和资产管理服务为所有测试测量和控制设备提供全方位服务校准和维修任何型号的泰克设备多年服务合同, 黄金保障计划白银保障计划和青铜保障计划可供选择泰克工厂的专业知识部件和校准程序全方位多厂商校准解决方案无可比拟的服务能力 9,000 多家厂商生产的 133,000 多种型号方便的本地机构, 在北美设有 35 家服务中心灵活的交货模式维修中心交货, 临时现场校准, 全面外包解决方案杰出的质量认证范围广 181 种 IO/IEC 认证参数定制解决方案, 包括基于 web 的资产管理工具 78 eptember 2010

73 目录小结休息 10 分钟接下来 : 高速串行接口的最新测试方法 82

High Speed Design Testing Solutions Advanced Tools for Compliance and Characterization Integrated Solutions to Increase Your Productivity

High Speed Design Testing Solutions Advanced Tools for Compliance and Characterization Integrated Solutions to Increase Your Productivity Tektronix 高速 Cable 测试和验证解决方案泰克科技 ( 中国 ) 有限公司王宏军 2013 年 6 月 25 日日程安排在高速串行数据技术的推动下, 性能指标日新月异 TDR 高速串行互连测试和验证 TDR 的原理和应用 TDR 在信号完整性 SI(Signal Integrity) 中的应用泰克公司 TDR 测试解决方案泰克串行数据链路测试解决方案新标准下 Cable 的测试标准和要求