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2つの世界がぶつかる時 - Teledyne LeCroy
Slide -1 When Worlds Collide Bogatin Enterprises and LeCroy Corp No Myths Allowed Webinar 始める前に: ２つの世界がぶつかる時 スラスラ読めるSパラメータ マイクロ波のエンジニアとデジタルのエンジニアが ベストフレンドになるべき理由 ブラック・ボックス･モデルであるSパラメータ の中に埋め込まれた情報を引き出す Dr. Eric Bogatin, Dr. Eric Integrity Bogatin, Signal Integrity Signal Evangelist, Evangelist, Bogatin Enterprises a LeCroy BogatinCompany Enterprises www.beTheSignal.com Copies of this presentation are available on www.beTheSignal.com 4/1/2012 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 Fall 2011 www.beTheSignal.com Slide -2 When Worlds Collide 内容 • ２つの世界の視点: マイクロ波エンジニアは火星から来た デジタルエンジニアは金星から来た • 混乱の例 信号、スペクトラムと帯域 伝送線路 スタブ よいコンデンサの条件 • 統合される要素：Sパラメータ 誘電率Dk(f)の抽出 ビアからZ0の抽出 時間軸と周波数軸のS11 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -3 When Worlds Collide 基本的な違い デジタルエンジニアは 時間軸で生きている マイクロ波エンジニアは 周波数軸で生きている データレート=2Gbps キャリア周波数=1GHz Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -4 When Worlds Collide 対象信号の帯域の相違 DCまでの全ての帯域 キャリアを中心とした比較的狭い帯域 • 帯域: “意味ある”信号成分が存在する周波数の範囲 • マイクロ波: 狭帯域、変調周波数に関連 • デジタル: 立ち上がり時間(0.35/RT)や、データ・レート(2.5×DR） によって制限される。最低周波数がDC：非常に広帯域 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -5 When Worlds Collide マイクロ波とデジタルのスペクトル 同じ周波数範囲を分けあっている ELF = Extremely Low Frequency VF = Voice Frequency VLF = Very Low Frequency LF = Low Frequency MF = Medium Frequency HF = High Frequency VHF = Very High Frequency UHF = Ultra High Frequency SHF = Super High Frequency EHF = Extremely High Frequency USB 2.0 PCIe Gen 1 USB 3.0 10Gbase 28Gbbps Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -6 When Worlds Collide 伝送線を伝送線として扱わない時は？ マイクロ波設計： LやCとして考える デジタル設計：絶対にない インターコネクトは、常に伝 送線であり、伝送線として取 り扱わなければならない。 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -7 When Worlds Collide インピーダンス、Ω, @1.8GHz LCフィルタを伝送線に変換 2E3 1E3 1E2 1E1 1 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 トレースの長さ, （インチ） Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -8 When Worlds Collide 回路設計に対する反応 • マイクロ波設計者：「わー、すごい!」 • デジタル設計者：「えっ、なんじゃこりゃ」 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -9 When Worlds Collide 基本的にスタブは、チャネルで転送 できるデータレイトを制限します。 TD, Lenstub TD= 2 X TD Len 6in/ nsec 2 x TD = ½ cycleの時、レシーバ端信号強度最小 D = ¼ cycleの時、1/4波長共振 1 1 TD= 4 f res 1 1 1.5 fres= 4 TD = Len f (GHz), Len (インチ） 例： Len=0.5インチ、fres=3GHz Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -10 When Worlds Collide 周波数軸における¼波長共振 Lenstub 1 1 fres= 4 TD 1.5 = Len スタブ長= 0.5 インチ スタブ長が０．５インチなら fres = 3 GHz このスタブにおけるワーストケース のビットレイトBRは？ ﾅｲｷｽﾄ周波数=3GHz ビットレイトBR=6Gbpsではアイが つぶれてしまう。 挿入損失(dB) 0 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 S21 S11 -10 -20 -30 -40 0 1e9 2e09 3e09 4e09 5e09 周波数(Hz) www.beTheSignal.com Slide -11 When Worlds Collide ¼インチ厚の分厚いバックプレーン基板 ビア・スタブの有無による実測挿入損失比較 7.5GHz 1.5 Len = 0.2インチのビアスタブ がある場合 10 Gbps ナイキスト周波数5 GHz アイパターン(スタブあり) アイパターン(スタブなし) チャネルにスタブ がない場合 fres= 1.5 0.20 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 0 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 = 7.5 GHz 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 time, psec 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 time, psec www.beTheSignal.com Slide -12 When Worlds Collide 大量のコンデンサを実装！ Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -13 When Worlds Collide 良好なコンデンサにするには？ ボード上のコンデンサ マイクロ波設計者にとってフィルタとは： Qを出来るだけ高くしてエッジを急峻にし 、ESR(Equivalent SeriesResistance:等価直 列抵抗)を出来るだけ小さく抑える。 デジタル設計者にとってPDN(Power Distribution Netwa-ku:電源供給ネットワー ク)とは： Qを出来るだけ低くて低インピーダンスの山 を低く、ESR(Equivalent SeriesResistance:等 価直列抵抗)を出来るだけ大きくする。 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -14 When Worlds Collide どうして混乱が生じるのか? Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -15 When Worlds Collide S-Parameter は全ての拠り所 インターコネクトからサイン波はどのように散乱するか？ 入力 伝送 反射 振幅 位相 振幅 位相 反射信号においては： • インピーダンス不整合、プロファイル • 損失 • 結合損失 伝送信号においては： • 損失 • インピーダンス不整合 • 結合損失 インターコネクトにおける信号の振る舞いの全ては、反射信号と伝送信号がどの ように散乱するかで示される。 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -16 When Worlds Collide S21の位相の重要な特性 位相 (S21) = 位相 (受信信号) – 位相(入力信号) Z0 = 50 Ohms TD = 0.2 nsec Z0 = 50 Ohms TD = 0.4 nsec 1.一定:整合がとれたライン位相が 直線的に遅れていく 2.長い線:長い遅延時間TD、位相が より速く遅れる。位相=TD x 周波数 3.インピーダンス不整 合と反射がS21の位 相を歪ませる。分散を 引き起こす。 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 Z0 = 20 Ohms TD = 0.4 nsec www.beTheSignal.com Slide -17 When Worlds Collide 180 135 90 45 0 -45 -90 -135 -180 0.2 Z0 = 70 Ohms Z_port = 70 Ohms 0.15 0.1 ポートのインピーダンス= 特性インピーダンスの場合 に期待される遅延時間TD 0.05 0 0 5e09 1e10 1.5e10 0 2e10 周波数 5e09 phS21=phase(s[3,4]) Unwrap_phS21=unwrap(angle(S[3,4]))/(2*pi) TD_nsec=-1e9*unwrap_phS21/frequency 0 0.2 -0.5 0.15 遅延時間、nsec 折り返ししないS21の位相 (サイクル) サイクル数 周波数 TD= 遅延時間、nsec S21の位相 (度) S21の位相から遅延時間を抽出 -1.0 -1.5 1e10 1.5e10 周波数 2e10 ポートのインピーダンス≠ 特性インピーダンス、遅延時間 TDは末端からの反射による散乱 を示す 0.1 0.05 Z0 = 70 Ohms Z_port = 70 Ohms 0 -2.0 0 5e09 1e10 1.5e10 周波数 0 2e10 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 5e09 1e10 1.5e10 周波数 2e10 www.beTheSignal.com Slide -18 When Worlds Collide マイクロストリップと ストリップの比較 Even Mode SCC21 遅延時間、nsec 遅延時間、nsec Odd Mode SCC21 SDD21 SDD21 周波数 (Hz) 周波数 (Hz) 1. SDD21とSCC21には本来差異がない 2. ストリップの実効比誘電率Dk＞マイクロストリップの実効比誘電率Dk Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -19 When Worlds Collide S21位相からの実効比誘電率の抽出 Dk_eff= TD(f)= C 11.8 11.8 unwrapped(phase(S21))) = = V Len Len frequency Unwrapped(phase(S21(f))) frequency Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -20 When Worlds Collide ビアの特性抽出 0 S21 Sパラメータ (dB) -10 S11 -20 -30 -40 -50 フル3次元シミュレーションSimbeor によるSパラメータ・モデル -60 0 5e09 1e10 1.5e10 2e10 周波数 (Hz) これは”良い”か”悪い”か？ これは高インピーダンスか低インピーダンスか？ どうすれば”改善”できるか？ どうすれば、このビアの”性能指数”が得られるか？ Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -21 When Worlds Collide S11は実際には何を計測している？ 反射の原因になるものだけ？ S11= 50Ω Z -50Ω Z2-Z1 = 2 Z2+Z1 Z2+50Ω DUT ZOUT(f)= 50Ω ポート1 1+S11(f) 1-S11(f) S11はベクトル これは、DUTの入力インピーダンス 1e04 ZOUT(f)= 50Ω -20 1+S11(f) 1-S11(f) -30 -40 “オープン”時のS11 -50 0 2e09 4e09 6e09 8e09 インピーダンス (Ω) 挿入損失 (dB) 0 -10 1e03 100 10 “オープン”時の インピーダンス 1 0.3 1e10 1e07 周波数 (Hz) Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 1e08 1e09 周波数 (Hz) 1e10 www.beTheSignal.com Slide -22 When Worlds Collide インターコネクトから等価Cや 等価 Lを抽出 Z_open Z_short open short 1e05 1e04 1e03 100 ZOUT(f)= 50Ω 10 1 0.1 0.03 1e07 1e08 1e09 周波数 (Hz) 1e10 1+S11 1-S11 入力インピーダンス (ショート) 入力インピーダンス (オープン) Z_open_A=50*(1+S11_open_A)/(1-S11_open_A) Z_short_A=50*(1+S11_short_A)/(1-S11_short_A) 1e05 1e04 1e03 100 10 1 0.1 0.03 1e07 1e08 1e09 周波数 (Hz) 1e10 C_pF_A=-1/(imag(Z_open_A)*2*3.14159*frequency)*1e12 L_nH_A=Imag(Z_short_A)/(2*3.14159*frequency)*1e9 ループ/インダクタンス (nH) キャパシタンス (pF) 5 4 3 2 1 0 1e07 1e08 1e09 周波数 (Hz) 1e10 20 15 10 5 0 1e07 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 1e08 1e09 周波数 (Hz) 1e10 www.beTheSignal.com Slide -23 When Worlds Collide 特別な手法: どのようなインターコネクトでも、 入力インピーダンスから特性インピーダンスを抽出 (均一な伝送線としてモデル化) 1e05 Z_open_A=50*(1+S11_open_A)/(1-S11_open_A) 入力インピーダンス 1e04 Z_short_A=50*(1+S11_short_A)/(1-S11_short_A) 1e03 100 Z0_A=sqrt(mag(Z_open_A*Z_zhort_A)) 10 1 実際の不均一の伝送線 0.1 0.03 1e07 1e08 1e09 周波数 (Hz) 1e10 3e10 特性インピーダンス (Ω) 150 125 100 75 50 25 0 0 5e09 1e10 1.5e10 周波数 (Hz) 2e10 Z0の概算を可能にします。 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -24 When Worlds Collide どちらのモデルがより速く “解答”が得られますか? Sパラメータ ビヘイビヤ・モデル 0 S21 -10 S11 -20 Z0 -30 -40 -50 -60 0 5e09 1e10 周波数 (Hz) 1.5e10 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 特性情報は、素早く解答 を得るのに重要です。 0 2e10 5e09 1e10 1.5e10 2e10 1.5e10 2e10 周波数 (Hz) 0.05 ブラックボックスのビヘイビヤ・ モデルは、広帯域のシステムシ ミュレーションでは重要です。 0.04 0.03 TD_ns Sパラメータ (dB) 伝送線モデル 特性インピーンダンス 遅延時間 0.02 0.01 0 0 5e09 1e10 周波数 (Hz) Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -25 When Worlds Collide S11を周波数軸で そのまま解釈するのは困難 S11の強度は、インターコネクトに沿った゛インピーダンスのば らつきと遠端のインピーダンス整合に依存します。 S11の位相は、全ての多重反射に複雑に依存します。 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -26 When Worlds Collide “高精度”のリファレンス信号が DUTでどのように散乱 するかを見て、インターコネクトの特性評価を行う 時間軸と周波数軸で計測 周波数軸で表示 時間軸で表示 入力波 伝送波 時間軸 t ｆ TDR TDT パラメータ= t 周波数軸 S11 ポートからの出力波 ポートへの入力波 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 S21 www.beTheSignal.com Slide -27 When Worlds Collide インピーダンスに関する直感を再調整 • インピーダンスの定義 Z(f,t) = 周波数軸における、時間軸における • インピーダンスの別の定義 V(f,t) I (f,t) Z(f,t) = Z_port 周波数軸における、時間軸における 周波数軸におけるインピーダン ス 調べているDUTの入力インピーダン スを統合したトータルのインピーダン ス 分布定数的インテーコネクトの場合イ ンターコネクト中の全ての点、全ての 周波数で起こりうる反射が含まれる。 100 Z_mag • 1+S11(f,t) 1-S11(f,t) ½インチ長50Ωライン端の 50Ω 1608 面実装抵抗 30 1e07 1e08 1e09 1e10 周波数 (Hz) Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -28 When Worlds Collide 同じインターコネクトを 周波数軸、時間軸で見る 40 dB full scale, 20 GHz full scale 5 Ω/div, 100 psec/div Z(f,t)=Zport Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 1+S11(f, t) 1-S11(fmt) www.beTheSignal.com Slide -29 When Worlds Collide 時間軸におけるS11: TDR(Time Domain Reflectometer) TDRの基本と、シミュレーション用SAPICE回路モデル Vmeasured=Vincident+Vreflected 2V出力 50Ω出力インピーダンス 50Ω 2V DUT 0V 高精度50Ω セミリジッドケーブル Vincident = 1V rho= 反射電圧 Vmeas-Vinc = = T11 入射電圧 Vinc (時間軸のS11) Z(f,t) = Z_port 1+S11(f,t) = Z_port 1+T11(t) 1-S11(f,t) 1-T11(t) 瞬時インピーダンス Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -30 When Worlds Collide S11(f)をZ(t)に変換 (完全に同一データ) 瞬時インピーダンス より良いインピーダンス整合 周波数軸 反射係数 (mRho) 時間軸 S11 “瞬時”インピーダンスからの反射 “瞬時”インピーダンス・プロファイル Zsingle-ended ∿ 50Ω 1 + T11 1 – T11 一次推定に過ぎない 周波数軸で表示されたグラフからインピーダン スを読み解くのは非常に困難 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -31 When Worlds Collide 周波数軸と時間軸の変換 • • 周波数軸から時間軸への変換 逆FFTと畳み込み積分 SPICE回路シミュレーション 市販のツール LeCroy SI Studio Mentor HyperLynx Agilent PLTS Agilent ADS Simberian Simbeor SiSoft: Quantum Channel Designer Sigtity Broad Band SPICE S-Parameter Explorer Matlanb QUCS Tektronix Iconnect 立ち上がり時間50ps U1.1におけるTDR応答 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -32 When Worlds Collide 3種類のトレースを計測した TDR • 2ポートのSパ ラメータとして 計測 Z0 = 68 Ω Z0 = 50 Ω • 時間軸に変換 • 表示画面から直 接Z0を読み取 り Z0 = 30 Ω 10 Ω/div, 50 Ω中心 NOTE) 伝送路上に2つのマーカ・ポイントを配置 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -33 When Worlds Collide 全てのエンジニアが周波数軸と時間軸の バイリンガルになることは大変意味がある 時間軸 周波数軸 t Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com Slide -34 When Worlds Collide 詳しい情報はWebへ WWW.BeTheSignal.com SIライブラリ Webinar、記事、プレゼンテーション、 ハンズオン・ラボ 今後のセミナー・スケジュール Blog: www.beTheSignal.com/blog @beTheSignal Prentice Hallから発刊, 2009 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com