Fleischheuer, H.: Sicherung der Signalintegrität in Digital-Designs

<BODY> <H1>www.duv24.net : Fleischheuer, H.: Sicherung der Signalintegrität in Digital-Designs</H1> <P> <BR> [<A href="/">www.duv24.net</A>] [<A href="../index.html">back</A>] </P> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=TOP CLASS=detailBereichRedaktion>Bereich > Redaktion > <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD> <TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>01.02.2001</TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>Tektronix Europe:</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>Fleischheuer, H.: Sicherung der Signalintegrität in Digital-Designs</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Komplettlösung ermöglicht detaillierte Baustein-Charakterisierung</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailContent>Erschienen in TEST-KOMPENDIUM 2001, S.84-86<BR>(pdf-Version in toolbox unter "details")<BR><BR>Vorwort<BR><BR>Als neuen Ansatz zur Optimierung der Signalerfassung wurde erstmals im Juni 1998 die DPX-Technologie für DPOs vorgestellt. Der wesentliche Unterschied zu den herkömmlichen DSOs liegt in der parallelen Struktur der Signalerfassung und Darstellung, während dies bei DSOs seriell erfolgt. Dadurch wird die Zeit, in der das Oszilloskop interne Signalverarbeitungen durchführt und keine neuen Signale erfassen kann (Totzeit) wesentlich reduziert. Letztendlich bietet die DPO-Architektur so deutlich höhere Signal-Erfassungsraten.<BR><BR>Einleitung<BR><BR>Das Digital Phosphor Oszilloskop (DPO) TDS7404 ist mit einer einer Echtzeitbandbreite von 4 GHz und einer Echtzeit-Abtastrate von 20 GS/s ausgestattet. Mit den entsprechenden neuen Tastköpfen lässt sich die Leistungsfähigkeit dieser Oszilloskope voll ausschöpfen, um die Signalintegrität in modernen Digital-Designs verifizieren zu können.<BR>Die TDS7000-Serie ist eine Oszilloskop-Generation auf Basis der innovativen DPO-Technik und stützt sich auf eine offene Windows-Plattform. Das Spitzengerät TDS7404 bietet eine Echtzeit-Abtastrate von maximal 20 GS/s, bis zu 32 MB Speichertiefe und bis zu 4 GHz Bandbreite zusammen mit einfacher Bedienung und umfangreicher Konnektivität. Die DPO-Architektur unterscheidet sich dabei grundlegend von Analog-Oszilloskopen oder DSOs und setzt spezielle ASIC-Hardware zur Erfassung der Signaldaten ein. DPOs bieten dem Designingenieur eine bisher nicht gekannte Möglichkeit zur Betrachtung von Signalen und Schaltkreisverhalten. Die Signal-Erfassungsrate der TDS7000-Serie mit über 400.000 Signalen pro Sekunde bietet Einblicke in das Signalverhalten, die bisher mit einem Digital-Oszilloskop nicht möglich waren. Zusammen mit modernen Tastkopf-Lösungen erhöht sich so die Wahrscheinlichkeit, dass Designingenieure in Digitalsystemen auftretende transiente Signalintegritäts-Probleme erkennen, wie z.B. Jitter, Runt-Impulse, Glitches und Flankenfehler. <BR>Erstmals wird Silizium-Germanium-Technologie angewandt (SiGe), um den extremen Signalanforderungen gerecht zu werden. Der Entwickler erhält damit ein entscheidendes Werkzeug für das Debugging, die Verifizierung und Charakterisierung im GHz-Bereich. Auf Basis des SiGe-Prozesses, wurden mit neuen Vorverstärker-, Verstärker- und Track-and-hold-ICs eine beachtliche Leistungssteigerung erzielen. Diese zeigt sich in einem Anstieg der Bandbreite um 33 Prozent und einer Verdopplung der Echtzeit-Abtastrate.<BR><BR>Hauptteil<BR><BR>Tastköpfe für eine optimierte Messlösung<BR>Um eine komplette Mess-Lösung bieten zu können, wurden die entsprechenden schnellen und genauen Tastköpfe entwickelt. Der aktive unsymmetrische Tastkopf P7240 und der Differenzial-Tastkopf P7330 bieten die erforderliche Leistung zur Messung von Signalen in Umgebungen mit Niedrigspannung, niedrigem Rauschpegel und hoher Geschwindigkeit. Mit Hilfe dieser Tastköpfe lässt sich die 4-GHz-Bandbreite des TDS7404-Oszilloskops nutzen und er bietet Ingenieuren die geeignete Leistung in Bezug auf einseitig geerdete Signalabtastung wie beispielsweise vier GHz Bandbreite (Tastkopfbandbreite), ein fünffacher Dämpfungsfaktor, bis zu 120 ps Anstiegszeit-Messungen, extrem kleine Abmessungen, Connect-Anschluss und umfassendes Adaptierungszubehör für den Anschluss am Prüfling. Mit einer Anstiegszeit von <120 ps erzielt das Gerät eine Bandbreite von bis zu 4 GHz. Der Tastkopf kann auch bei kleinsten Chip-Abmessungen und hohen Pinzahlen noch gut an den Prüfling (DUT) angeschlossen werden. Zur Steigerung der Datenübertragungsrate sind niedrigere Logikamplituden erforderlich. Komplexe Signale von heute haben sich bei abnehmender Amplitude in Richtung Differenzial-Signale entwickelt, um über dem masseinduzierten Rauschpegel zu bleiben, bei dem Signale normalerweise verloren gehen würden. Zum Messen dieser anspruchsvollen Differenzialsignale hat wurde ein Hochleistungs-Differenzial-Tastkopf entwickelt, der folgende Merkmale aufweist: 3 GHz Bandbreite (Tastkopfbandbreite), 130 ps Anstiegszeit-Messungen, CMRR von 60 dB, niedriger Tastkopf-induzierter Rauschpegel von 38 nV/Öhz, hohe Impedanz für niedrige Schaltungsbelastung (0,5 pF/100 kW), 5-facher Dämpfungsfaktor, extrem kleine Abmessungen sowie Connect-Anschluss.<BR><BR><BR>Einfluß des zu messenden Signales<BR>Bei Messungen mit einem System aus Oszilloskop und Tastkopf haben nicht nur diese beiden Messkomponenten Einfluss auf das Messergebnis, sondern auch das zu messende Signal selbst. Generell ist die darstellbare Anstiegszeit von den Anstiegszeiten des Oszilloskops, des Tastkopfes und des Signals abhängig. Daraus leitet sich ab, dass das dargestellte Signal immer langsamer als das eigentliche Signal ist. So wird z.B. ein typisches Bus-Signal mit einer Anstiegszeit von 200 ps mit einer Anstiegszeit von 263 ps dargestellt, wenn das System aus Oszilloskop und Tastkopf eine Anstiegszeit von 170 ps hat. <BR>Erreicht also die zu untersuchende Signal-Bandbreite die Bandbreite des Mess-Systems, dann werden die Signale deutlich gedämpft. In Tab. 1 ist dargestellt, welchen Effekt diese Abhängigkeit auf die Amplituden-Abschwächung der Signale haben kann.<BR><BR><BR>Die Anstiegszeit ist entscheidend<BR>Viele Signale weisen einen gewissen gleichförmigen Verlauf auf. Ein sinusförmiges Signal ist durch eine stetige Spannungsänderung gekennzeichnet, die dem Cosinus der Funktion entspricht. Bei einem Sägezahn-Signal dagegen ist die Steilheit des Anstieges bis zum Umkehrpunkt konstant, was sich beim Signalabfall wieder fortsetzt. Betrachtet man dagegen ein typisches Rechteck-Signal, wie z.B. ein Takt- oder Daten-Signal, dann existieren hier zwei sehr verschiedene Bereiche. Nach einer Periode schneller Signalveränderung während der Anstiegszeit folgt ein relativ stabiles Signal-Profil - die Hold-Phase. Die beiden Bereiche müssen daher voneinander getrennt betrachtet werden, um ihre Effekte auf den Prüfling genau untersuchen zu können. Ein Rambus-Clock hat z.B. eine Periode von 2,5 ns bzw. eine Frequenz von 400 MHz und eine Anstiegszeit von 170 ps. Die Anstiegszeit macht also nur 14 % der Signaldauer aus, während in 86 % der Zeit das Sinal weitgehend stabil, ähnlich einem DC-Signal ist. Damit differieren die Einflüsse auf die Schaltung hinsichtlich Induktivität, Kapazität und Impedanz ganz erheblich. Hier ist festzuhalten: bei digitalen Signalen ist nicht die Signaldauer (Frequenz) der wichtigste Parameter für die Verifizierung der Schaltung, sondern die Anstiegszeit. Denn, ein 400-MHz-Signal kann eine schnelle Anstiegszeit von 170 ps oder auch nur 1,25 ns haben. Speziell schnelle Flanken können ein induktives Überschwingen, eine kapazitive Aufladung oder größerer Reflektionen aufweisen und so die Signal-Integrität stören. Das heißt, es muss auf jeden Fall der spektrale Inhalt eines Signals betrachtet werden. <BR>Bei Messungen bzw. bei der Charakterisierung von digitalen Signalen ist es wichtig, das der spektrale Inhalt des Signals im Wesentlichen von den Flanken-Anstiegszeiten und nicht von der Wiederholrate bestimmt wird. Ein 10-MHz-Taktsignal z.B. mit 500-ps-Flanken verfügt über eine wesentlich höhere Signalenergie (500 MHz) als ein 100-MHz-Takt mit 3-ns-Flanken. Eine gängige Abschätzung der 3-dB-Bandbreite für ein digitales Signal ist 0,5/ Anstiegszeit, wobei dies eine konservative Abschätzung ist, und damit eine höhere Bandbreite als die tatsächliche vorhersagt.<BR><BR><BR>Einfluss des Messsystems<BR>Ein perfektes Messsystem würde natürlich keinen Einfluss auf das zu messende Singal oder den Prüfling haben. In der Realität werden jedoch die Signale durch das Signalerfassungssystem beeinflusst. Dabei sind prinzipiell zwei Effekte zu beachen: Einmal die zusätzliche Impedanz (Induktivität und Kapazität) des Tastkopfes und andererseits etwas schnellere Flanken durch die Einflüsse der Resonanzfrequenz. Ein Tastkopf bringt nicht nur eine bestimmte Induktivität, sondern auch eine Kapazität in das Messsystem ein. Diese zusätzliche Kapazität beeinflusst die Schaltungs-Resonanz, was wiederum die Darstellung auf dem Oszilloskop, aber nicht das Signal selbst beinflusst. Der wesentliche Aspekt der zusätzlichen Kapazität durch den Tastkopf ist aber die zusätzliche Last für den Prüfling.<BR>Ein Tastkopf hat eine spezifizierte Kapazität und einen Gleichspannungswiderstand, die den Prüfling beinflussen. Ein Tastkopf mit einer Eingangskapazität von 1 pF und einem Widerstand von 20 kW hat aber auch einen entsprechenden Wechselspannungswiderstand. Bei Gleichspannung oder geringen Frequenzen ist der Kondensator quasi wie ein offener Stromkreis und der DC-Widerstand des Tastkopfes bestimmt den Eingangsstrom. Bei hohen Frequenzen stellt die Tastkopf-Kapazität mehr und mehr einen Kurzschluss dar. Außerdem müssen auch die Einflüsse des Tastkopf-Zubehörs mit zusätzlichen Induktivitäten und Kapazitäten beachtet werden. Die Kapazität wird dabei vom Pin-Durchmesser und Pin-Abstand bestimmt. Hier ist anzumerken, dass die Kapazität nicht von der Frequenz abhängt und daher als konstant über die Bandbreite angesehen werden kann. Für Pins mit einem Durchmesser von 0,02 Zoll und einem Abstand von 0,1 Zoll ergibt sich eine Kapazitätserhöhung durch die zusätzlichen Leitungen (Leads) von etwa 1,1 pF/Zoll.<BR><BR><BR>System-Integration<BR>Einer wichtiger Aspekt der Tastköpfe P7240 und 7330 ist, dass sie konform aufgebaut sind. Beide bieten fünffache Dämpfung, wodurch Amplituden-Messungen zwischen beiden Tastköpfen konsistent sind. Auch die Kabellängen, das interne Board-Design und die Hybrid-Schaltungen sind entsprechend. Die wesentlichen Unterschiede sind die leichtaktunterdrückung des Differenzial-Tastkopfes und das variable Leitungs-Längen-Zubehör für den P7240, während der P7330 feste Tastkopfspitzen hat. Wichtig ist jedoch, dass beide Tastköpfe kombiniert werden können, um schnelle Designs zu untersuchen. Bevor man mit den entsprechenden Messungen beginnt, muss das System gegenüber Abweichungen durch Laufzeit-Verzögerungen (Steckverbinder, Zubehör, etc) abgestimmt werden. Für einen sauberen Systemabgleich sollte die dargestellte Auflösung des Oszilloskops möglichst hoch sein. Die kleinste Zeitbasis des TDS7404 ist 50 ps/Teilstrich, womit der Tastkopf/Tastkopf-Abgleich mit 10 ps Intervallen durchgeführt werden kann. Mit einem schnellen Signalgenerator können die Tastköpfe dann genau abgestimmt werden. Für den Abgleich zwischen den Tastköpfen sind schnelle Flankenanstiege notwendig. Der Signalgenerator DG2040 bietet z.B. Anstiegs- und Abfallzeiten von 150 ps. Mit Hilfe eines Symmetrieübertragers auf einem Board kann der unsymmetrische Signal-Ausgang in ein Differenzial-Signal umgewandelt werden, um den Differenzial-Tastkopf abgleichen zu können. Über die Waveform-Average-Funktion des TDS7054 können die Jitter-Effekte stabilisiert werden, damit man stabile Anstiegs- und Abfallzeiten als Referenz für den Abgleich der Tastköpfe erhält. Sind die Tastköpfe Kanal zu Kanal abgeglichen, dann können genaue, kombinierte unsymmetrische/Differenzial-Zeitbezugsmessungen vorgenommen werden. Verwendet man z.b. ein TDS7000 zusammen mit einem Tastkopf P7240, dann erhält man eine System-Anstiegszeit von typisch 170 ps. Eine schnelle Signalquelle wie der DG2040 mit 150 ps führt zu einer darstellbaren Anstiegszeit von 230 ps. Der P7330 mit seiner Anstiegszeit von 130 ps und ein TDS 7000 (mit einer DG2040-Signalquelle) resultiert in einer darstellbaren Anstiegszeit von 235 ps. Die Möglichkeit derart steile Flanken im Bereich von 20 - 30 ps abgleichen zu können liegt innerhalb der Jitter-Parameter und ist eine gute Basis für die Charakterisierung von schnellen Bauelementen. <BR><BR>Zusammenfassung<BR><BR>Beschrieben wurde eine Generation der DPO-Klasse, insbesondere für die kritischen Messanforderungen moderner, schneller Digital-Designs. Die TDS7000-Produktreihe stützt sich auf eine neue, offene Windows-Plattform und kombiniert außergewöhnliche Leistung, einschließlich bis zu 20 GS/s Echtzeit-Abtastrate, bis zu 32 MB Speichertiefe und bis zu 4 GHz Bandbreite mit einfacher Bedienung, hoher Konnektivität und nicht zuletzt mit leistungsfähigen Tastkopf-Lösungen. <BR><BR></TD> </TR> <TR> <TD CLASS=detailQuelle> </TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=1 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top></TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=393 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=28 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=174 HEIGHT=1 ALT=""></TD> </TR> </TABLE> <P><I>Diese Seite wurde am 25.09.2004, 13:11 Uhr aktualisiert</I></P> </BODY>