NYHL felületén kialakított RF áramköri elemek illesztésének kutatása és oktatása 2. rész

NYHL felületén kialakított RF áramköri elemek illesztésének kutatása és oktatása 2.

Kutatási beszámoló

Készítette: Dr. Farkas Ferenc, Szűcs Zoltán, Magi Dániel és Szabó Péter

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Elektronikus Eszközök Tanszéke

Az elmúlt évben kutatómunkák a NYHL lemezeken kialakítható huzolások vizsgálatának irányába ment. Számos esetben ugyanis szükséges megvizsgálni az általánosan használt módszereket, hogy vajon milyen másodlagos hatásokat fedezhetünk fel amelyek rontják a jelek integritását.

Éppen ezért egy többrétegű nyomtatott huzalozású lemezen kidolgoztunk olyan tesztstruktúrákat, amelyekkel single-ended és differenciális jelvezetés minősítő mérések végezhetőek el. A tervezés alatt pre- és post-layout szimulációkat végeztünk, melyekkel a tervezési paraméterek meghatározhatók. A tervek elkészítése után a következő lépés a NYÁK gyártása, majd mérések végzése az elkészült struktúrán. A mérési eredmények kiértékelését követően, megtörténtek az összehasonlítások a szimulációs eredményekkel, valamint a következtetések levonása és a szimulációs paraméterek módosítására való javaslatok megfogalmazása.

            A NYHL-en az előző dokumentumban már tárgyalt mérési összeállításokat valósítottuk meg:

·         Viák késleltetése

·         Meanderezés hatása a jel terjedési idejére

·         Áthallás vizsgálata vezetékek között

·         Áthallás vizsgálata rétegek között

·         Fázishiba hatásának mérése differenciális vezető esetén

Ennek a mérésnek a célja, hogy meghatározzuk az egyes viák mennyivel okoznak nagyobb jelkésleltetést, a sima vezetéknél, illetve mennyire befolyásolják a jelalakot és felfutási időt. Az elkészült NYÁK-on 50 darab via hatását vizsgáljuk, melyek 3 mm távolságban helyezkednek el egymáshoz képest (3. ábra).

          A szimulációs eredmények szerint a Top és Bottom rétegek között húzódó furatok darabonként 15 ps késleltetést okoznak. A mérési eredmények azonban mást mutatnak. A Top-Bottom viás vezeték és a referencia között jelterjedési időben 468 ps különbség mérhető, ez viánként 9,36 ps-ot jelent (4. ábra, 5. ábra).

 

Mind külső, mind belső rétegen 15,75 cm hosszan fut a referencia-vezető, ebből kiszámolható, a rétegeken való terjedési sebesség, amely külső rétegen 15 cm/ns, belső rétegen 13 cm/ns. Ezekből az értékekből következik, hogy a jel egy 1 mm-es szakaszt külső rétegen 6,67 ps alatt tesz meg. Láthatjuk, hogy a két külső réteg közötti via 25 %-kal  növelte meg az egységnyi hosszra jutó késleltetést.

 

A modern áramkörök zömében szinkron működésűek. A különböző hosszúságú órajel vezetékről vezérelt áramkörök különböző fázisban működnek [6]. Ezért, ha ezt szeretnénk elkerülni, akkor az egyes áramkörökhöz egyforma hosszú órajel vezetékeket kell terveznünk. A tervezés során érdemes kijelölni a leghosszabb vezetéket referenciának, és ha találunk egy hozzá képest rövidebb vezetéket, akkor például meanderezéssel megnövelhetjük a hosszát. Ezen mérés legfontosabb célja, hogy megmutassa, hogy az egyik hátránya ennek a hosszkiegyenlítő technikának az, hogy mivel a meanderezés lecsökkenteni a vezeték elektromos hosszát, így két fizikailag egyforma hosszú vezeték között időbeli elcsúszás alakulhat ki.

Kétféle meanderezés hatását mérjük, az elsőn a kanyarodó vezetékek távol vannak egymástól, a csíkszélesség ötszörösének távolságában, ezáltal az áthallás és közelhatás mértékét nagyban lecsökkentem. A második esetben közel lesznek egymáshoz, csupán kétszeres vezetőtávolságban, így mindkét hatás fellép. Mindkét esetben egy referencia vezetőn mérem a terjedés időbeli különbségét, amely referencia vezető ugyanolyan hosszú, mint a mérni kívánt vezetők, ám csupán néhány feltétlenül szükséges kanyar van benne, és a párhuzamosan futó részek is tízszeres vezetőtávolságban vannak egymástól (4. ábra).

A mérési eredményekből jól látható, hogy a vezetők elektromos hossza lecsökken a meander hatására. A referenciához (11. ábra) képest a távoli meanderezésű vezeztőn a jel 111,11 ps-mal hamarabb ér a vevőtől az adóig (12. ábra). A közelin ez az érték a feltételezésnek megfelelően még nagyobb, 200 ps (13. ábra).

A vevőnél mérhető jelfelfutási idők is csökkennek a meanderezés távolságának csökkenésével. Míg a referencia vezetőn ez az érték 887 ps, a távoli meanderezésűn 859 ps, a közeli elrendezésen pedig már csak 824 ps. Ezek a különbségek nem túl nagyok és adódhatnak gyártástechnológiai szórásokból is, de mindenképpen érdekesek.

 

A mérést elvégeztük differenciális vezetőpáron is, ahol hasonló eredményeket kaptam, mint a single-ended esetben, ám a vezetékek elektromos hosszai sokkal kisebb mértékben csökkentek. Ennek magyarázata, hogy a differenciális vezetőpár sokkal zajvédettebb a single-ended-nél, így a meanderezés hiába nagyon sűrű, az áthallás mértéke mégis alacsony marad. A másik indok, hogy a vezetőpár egyes vezetékei nyilvánvalóan nem ugyanolyan távolságra futnak a másik oldali meandertől. A következő fejezetben a single-ended és differenciális vezetékek közti áthallások különbségeiről lesz szó.

A mérési eredmények szerint a referenciához  képest a távoli meanderezésen a jel 23 ps-mal (8. ábra), a közelin 51 ps-mal (17. ábra) hamarabb ér az adóhoz.

A vevőnél ismét csökkenő felfutási idők mérhetőek, ezek sorrendben 793 ps, 788 ps és 777 ps.

 

Ebben a mérésben azt vizsgáljuk, hogy a vezetéken keletkező áthallás mennyire rontja el a jel alakját. Ez azért nagyon fontos, mert az egyre növekvő intergáltsági fok eléréséhez, egyre csökkentjük a méreteket, és helytakarékossági célokból egyre sűrűbbre tervezzük a vezetékezést. Ám meg kell találnunk azt a pontot ahol, ha két vezetéket egymáshoz még közelebb helyezünk el, akkor az áthallás mértéke már a helyes logikai működést befolyásolhatja. A mérésben victim-ek az agrosszorral azonos rétegen helyezkednek el, annak két oldalán, többféle távolságra tőle. Az agresszor egyik oldalán ötszörös minimális csíkszélességre van egy áldozat, a másik oldalán pedig egyszeres, illetve háromszoros csíkszélességre vannak az áldozatok. Ezzel az elrendezéssel vizsgálható az árnyékoló vezeték hatása is, hiszen az áldozatokat be lehet kötni fixen föld- vagy táppotenciálra, abban az esetben, ha ezt szeretnénk mérni.

A 10. ábra mutatja a mérési eredményt, miközben az áldozat egyszeres vezetőtávolságra, 1,8 V-on, azaz tápfeszültségen van. Az agresszoron létrejövő jelváltás, jelen esetben felfutás, 160 mV-os áthallást okoz. Ha ugyanezt az áldozat 0 V-on van, íaz áthallás mértéke 136 mV-ra csökken. Ez a jelenség azzal magyarázható, hogy az adó nagyobb árammal képes a vezetőt földön tartani, mint tápfeszültségen. Ha lefutó élet vizsgálunk, ezek az értékek 132 mV és 119 mV-ra csökkenek.

A csíkszélesség háromszorosának távolságában lévő vezetéken az áthallás mértéke lecsökken. A következő táblázatban összefoglaltuk a le- és felfutó élek hatását, árnyékoló vezetékkel illetve anélkül, attól függően, hogy az áldozat föld- vagy tápfeszültségen van.

SE-3

 

 

 

 

 

Falling Edge Guarded

Falling Edge

Rising Edge Guarded

Rising Edge

GND

56,5 mV

57 mV

54 mV

63 mV

VDD

46,5 mV

63 mV

80 mV

86 mV

 

Az árnyékolt, nulla feszültségen lévő áldozaton, lefutó jel hatására létrejövő áthallást leszámítva, jól megfigyelhető, hogy árnyékolás hatására az áthallás mértéke csökken, illetve az agresszoron lévő lefutó élek kisebb zavart okoznak, a felfutó éleknél.

Az ötszörös távolságban lévő áldozatnál mért feszültségértékek hasonlók az előzőekhez, 40 mV és 64m V között változnak.

A mérési eredmények jellegre azonosak a szimulációs eredményekkel, de az áthallás mértéke eltér azoktól. A post-layout szimulációs eredmények földön lévő áldozatok esetében, sorrendben 116 mV, 33 mV és 15 mV voltak. A közeli vezetéknél a szimuláció 20 %-kal kisebb értékeket mutatott a mértnél, de ahogy távolodunk már 2-szer, 3-szor kisebb értékeket is mutat.

 

 

Differenciális vezetők esetében az áthallás mértéke nagyban csökkent, mint ahogyan az várható is volt. Csupán az egyszeres vezetőtávolságban lévő áldozaton mérhettünk értékelhető áthallást. Érdekes módon itt a lefutó él esetében mértem nagyobb feszültségértéket, 22,5 mV-ot (22. ábra), még felfutó esetben csak 14,7 mV-ot. Ez lehetséges, hogy csak a mérési elrendezésből adódik, vagyis a differenciális pár egyes vezetői nem egyforma távolságra vannak az áldozattól.

Az ötszörös távolságban lévő áldozat mérési eredményén is látható ugyan az agresszoron lefutó él miatt keletkező tüske, de annak mértéke a zajjal összevethető (24. ábra).

Differenciális vezetőpároknál a szimulációs eredmények jellegre és számszerűleg is megegyeznek a mérési eredményekkel. Ezekből az eredményekből arra következtethetünk, hogy differenciális jelek esetében, ilyen technológián még egyszeres vezetőtávolságban sem lesz olyan mértékű áthallás, ami hibás működést eredményezhetne.

 

[1]       LVDS Group. (2004). LVDS Owner’s Manual. National Semiconductor.

[2]       Jim Dietz. (2002). Introduction to M-LVDS (TIA/EIA-899). Dallas, Texas.

[3]       Farkas Ferenc. (2009). Bevezetés a jelintegritásba.

[4]       Szabó Péter es Szűcs Zoltán. (2009). PCB tervezés nagyfrekvenciás digitális áramkörökhöz.

[5]       Alvin Hudson, Rex Nelson. (1994) University Physics. Orlando, Florida.

[6]       Fodor György. (2008). Elektromágneses terek. Budapest: Műegyetemi Kiadó.

[7]       Actel. IBIS Models: Background and Usage.

[8]       Hász Zoltán. (2010). Electrical Verification.

[9]       Franco DiPaolo, Ph.D. (2000). Networks and Devices Using Planar          Transmission Lines. Boca Raton: CRC Press LLC.

 

1. Bevezetés. 1

2. Az élmeredekség és a jelintegritás kapcsolatának vizsgálata. 1

2.1. Áthallás vizsgálat 1

2.2. Egyszerű Post-Layout szimuláció. 3

2.3. Post layout áthallás analízis. 5

2.4. Post layout EMC problémák. 6

3. TMS320c6455 és Micron DDR2-es modulok illesztése. 8

3.1. Adatlapok feldolgozása. 8

3.2. Kapcsolási rajz előállítása. 8

3.3. Huzalozás. 9

Irodalomjegyzék. 10

Tartalomjegyzék. 10