Korrelation von Simulation und Messung für einen USB-Typ-C-Referenzkanal (Teil 1)

The Simulation Hypothesis - FULL PROGRAM - HD (Original) (Juli 2019).

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Damit USB 3.1 Gen 2 Type-C zur "universellen" Option wird, benötigen Entwickler von digitalen High-Speed-Geräten fortschrittliche Geräte und Software, um sie zu charakterisieren und zu modellieren

VON MIKE RESSO, Signal Integrity Application Scientist, und HEIDI BARNES, Senior Application Engineer
Keysight Technologies, Inc.
www.keysight.com

USB 3.1 Gen 2 Typ-C - das bedeutet schnellere Datenübertragungsraten (2, 5-mal schneller), schnelleres Laden (bis zu 100 W) und, dank der kleineren Anschlüsse, noch kleinerer Unterhaltungselektronik - wird gerade von den Herstellern übernommen . Es wird mindestens ein paar Jahre dauern, bis Type-C als die "universelle" Option angesehen wird. Um das zu erreichen, werden die heutigen Designer von Hochgeschwindigkeits-Digitalgeräten hochentwickelte Geräte und Software benötigen, um das Typ-C-Physical zu charakterisieren und zu modellieren Layer-Kanal.

USB Typ-C ist eine der anspruchsvolleren Architekturen für Digital Design Engineers aufgrund der extremen Anstiegszeit der digitalen Signale, die es tragen soll. Zusammen mit der geringen Größe dieses reversiblen High-Density-Steckverbinders erhöht dies das Risiko, dass Entwicklungsingenieure unvorhergesehene Interoperabilitätsprobleme auf der grundlegenden physikalischen Ebene haben. Diese Probleme können durch Nutzung von Messungen und Simulationen vermieden werden, um die Leistungssteuerungs-Verbindungsmerkmale und Fertigungstoleranzen adäquat zu debuggen und zu charakterisieren.

Dieser Artikel beschreibt einen Schritt-für-Schritt-Prozess, den Signalintegritätsingenieure verfolgen können, um ihren Erfolg beim Entwurf mit USB-Typ-C-Geräten sicherzustellen. Es behandelt die Grundlagen der Simulation / des Testens, einschließlich einiger Tipps und Techniken für den Umgang mit S-Parametern.

Wie vergleicht USB Type-C?

Eine einfache Möglichkeit, die elektrische Leistung zu erhöhen, ist, die Dinge physisch kleiner zu machen. Die kürzere elektrische Verzögerung durch ein typisches inhomogenes dielektrisches System, wie beispielsweise eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung für gedruckte Schaltungen, wird naturgemäß weniger Verluste aufweisen als eine physikalisch längere Vorrichtung. Auf diese Weise kann der USB Typ-C-Anschluss, der kleiner ist als andere häufig verwendete Verbraucheranschlüsse, zu geringeren Verlusten und höherer Bandbreite beitragen.
Gleichzeitig stellen höhere Dichten neue Herausforderungen bei der Aufrechterhaltung der Übertragungsleitungsimpedanzen durch Verbinder und auf einer PCB dar, während Nebensprech- und EMI-Probleme vermieden werden. Betrachten Sie eine USB-Typ-C-Buchse und eine USB-Typ-C-Buchse ( Abb. 1 ). Bei 10-Gbit / s-Datenraten können mehrere 100-ps-breite Bits den Pfad zwischen Sender und Empfänger belegen. Jedes Impedanzproblem im Pfad führt mit jeder ansteigenden und fallenden Flanke zu einer Vielzahl von Reflexionen und Kopplungen. Die Mehrfachreflexionen können das Debuggen der vollständigen Verbindungsverbindung erschweren.

Abb. 1: Die hier gezeigte Testkonfiguration verwendet einen Satz von 10 PXI-VNA-Karten mit zwei Anschlüssen sowie zwei spezielle Testbefestigungen, die im Einsatz gezeigt sind. Das Gerät auf der linken Seite, genannt "Lux", ist ein USB-Typ-C-Buchse Gerät, während das Gerät auf der rechten Seite, genannt "N70515a", ist die USB-Typ-C-Stecker Halterung.

Um den Debug-Prozess zu vereinfachen, ist es wichtig, dass ein Techniker jede Komponente in der physischen USB-Layer-Verbindung simulieren und messen kann und dadurch bestimmen kann, welche die Leistungsanforderungen nicht erfüllt. In der Regel müssen fortschrittliche Messfehlerkorrekturtechniken verwendet werden, um die Testadapter von der Messung eines USB-Typ-C-Hosts, -Gerätes oder -Kabels genau zu entfernen. Darüber hinaus profitieren Modellierung und Simulation auch von genauen Messungen der Komponenten für eine verbesserte Korrelation zwischen Simulation und Messung, die dazu beitragen können, Komplikationen aufgrund schwieriger physikalischer Schichtstrukturen zu mindern.

Wie wird die physikalische Schicht gemessen?

Lineare passive Verbindungen, wie sie in einer physikalischen Schicht vom Typ USB-C gefunden werden, sind typischerweise durch zwei Arten von Reiz- / Reaktionstest-Instrumenten gekennzeichnet: im Zeitbereich das Zeitbereichsreflektometer (TDR); in der Frequenzdomäne der Vektornetzwerkanalysator (VNA). Unabhängig davon, ob das native Instrument Zeit- oder Frequenzbereichsdaten erfasst, kann der Datensatz einer Domäne durch einfache Mathematik (wie die Fourier-Transformation oder die inverse Fourier-Transformation) in die anderen umgewandelt werden. spezialisierte Signalintegritätssoftware (wie Keysight's Physical Layer Test System oder PLTS-Software) existiert, um sowohl Digital- als auch Mikrowelleningenieuren eine einfache Bedienung zu ermöglichen, um diese Domänentransformation durchzuführen.

Während die meisten Anwendungen zur Signalintegrität mit einer grundlegenden Vier-Port-Messung (zwei Ports in und zwei Ports out) adressiert werden können, gibt es einige erweiterte Tools, die die Arbeit erleichtern und zusätzliche Einblicke in die Leistung des Prüflings (DUT) geben. . Dies ist der Fall bei dem 20-Port PXI-Chassis-basierten VNA, den wir verwendet haben; Eine 20-Port-Datensatzmessung für diesen USB-Typ-C-Kanal dauerte etwas mehr als zwei Minuten.

Die große Menge an Daten, die auf diese Weise gesammelt wurden, wurden als Touchstone-Datei im Standardformat gespeichert, die anschließend zur Analyse in SI-Spezialsoftware importiert werden kann. Eine 20-Port-Messung ergibt eine 20 × 20-Matrix von S-Parametern mit mehr als 400 Kurven in einer einzelnen Domäne. Multiplikation mit der Anzahl der Domänen (Zeit und Frequenz) und Topologien (Single-Ended oder Differential) möglich erzeugt eine enorme Menge an Daten. Der Versuch, diese Menge an Messdaten manuell zu verwalten, ist ein Alptraum, aber er kann leicht mit der oben erwähnten PLTS-Software gehandhabt werden.

Bei richtiger Analyse kann dieser Metadatensatz Einblicke in den High-Speed-Digitalkanal liefern wie nie zuvor. Differenzielle Einfügungsdämpfung, differentielle Rückflussdämpfung, Impedanzprofil, Augendiagramm, Nah- und Fern-Übersprechen, Modenkonversion und Kanaloptimierung mit Vorverzerrung und Entzerrung können vollständig charakterisiert werden.

Tipps und Techniken für Qualitätsmessungen

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, besteht das VNA-Setup aus einem PCI-X-Chassis (Peripheral Component Interconnect Extension) mit Modulen, die für skalierbare Testfunktionen ein- und ausgefahren werden können. Ein Embedded-Controller und 10 VNA-Module (jedes Modul ist ein Zwei-Port-VNA) erzeugt einen 20-Port-VNA. Die VNA-Module messen zwischen 300 kHz und 26, 5 Hz und bieten eine ausgezeichnete Geschwindigkeit, einen hohen Dynamikbereich, geringes Spurrauschen und dauerhafte Stabilität, um die Genauigkeit der USB-Typ-C-Messung zu verbessern.

Die Testkabel fächern sich zu dem getesteten Kanal auf - in diesem Fall ein USB-Typ-C-Buchsenprüfadapter und ein USB-Typ-C-Stecker. Das blaue Band am Ende jedes Testkabels soll die Testkabel für zusätzliche Kalibrierungsgenauigkeit stabilisieren. Die verwendete Kalibrierung ist die Unbekannte-Durch-Methode (auch als die Gegenstück-Durch-Methode bezeichnet), und das Band stellt sicher, dass die Kabel nicht zwischen Kalibrierung und Messung des DUT bewegt werden. Dies ist ein bekannter Tipp, der bei empfindlichen Kalibrierungen die Phasenverschiebung minimieren kann, um höchste Genauigkeit zu erreichen.

Ein weiterer hilfreicher Tipp bei Multiport-Messungen besteht darin, einige Zeit damit zu verbringen, jeden Port des S-Parameter-Datensatzes logisch zu kennzeichnen. Als Nächstes hilft es, die Ports neu zuzuordnen, so dass die Analysesoftware den Standard problemlos verwenden kann
1-zu-2, 3-zu-4-Kanal-Topologie zum direkten Zeichnen von Mixed-Mode-Parametern ( Abb. 2 ). Mit einem SI-Tool, das die Visualisierung von Single-Ended- und Differential-Port-Mappings erleichtert und bei Bedarf nachbestellt, sparen Sie beim Arbeiten mit großen Datenmengen viel Zeit.

Abb. 2: Typ-C unterstützt Datenübertragungswege für USB 2.0 (DP und Dn) und USB 3.1 (Senden - TX1p, TX1n, TX2p, TX2n - und Empfangen - RX1p, RX1n, RX2p, RX2n). Die Zuordnung der Ports des VNA zu der Vorrichtung und dem DUT stellt sicher, dass die Analyse in Bezug auf die Leistung des DUT vollständig verstanden wird.

Differentielle S-Parameter

Die physikalische USB-Schicht verwendet eine differenzielle Signalisierung, die eine signifikante Kopplung zwischen den Pfaden (+) und n (-) des Differenzpaars enthalten kann. Dies erfordert die Verwendung von Mixed-Mode-Parametern, um die Leistung der Tx- und Rx-Kanäle korrekt zu analysieren. Als schneller S-Parameter-Refresher zeigt Fig. 3 die 4 · 4 Matrix von Mixed-Mode-S-Parametern. Die Interpretation dieser 16-Elemente-S-Parameter-Matrix ist nicht trivial, daher ist es hilfreich, jeweils einen Quadranten zu analysieren.

Abb. 3: Jeder Quadrant einer gemessenen S-Parameter-Matrix hat viel über die Leistung des Prüflings im Vergleich zur idealen Matrix zu berichten.

Der erste Quadrant in der oberen linken Ecke ist definiert als die Parameter, die die differentiellen Stimulus- und differentiellen Antwortcharakteristiken des zu testenden Gerätes beschreiben. Dies ist der tatsächliche Betriebsmodus für die meisten schnellen differentiellen Verbindungen, daher ist es typischerweise der nützlichste Quadrant und wird zuerst analysiert.

Der vierte Quadrant befindet sich unten rechts und beschreibt die Leistungsmerkmale des gemeinsamen Signals, das sich durch das zu testende Gerät ausbreitet. Wenn das Gerät richtig entworfen wird, sollte eine minimale Modenkonversion stattfinden und die Daten des vierten Quadranten sind von geringer Bedeutung. Wenn jedoch eine Modenkonversion aufgrund von Konstruktionsfehlern vorliegt, wird der vierte Quadrant beschreiben, wie sich dieses gemeinsame Signal verhält.

Der zweite und der dritte Quadrant befinden sich in der oberen rechten und unteren linken Ecke von Abb. 3 und sind nach Meinung der Autoren die interessantesten Quadranten für die technische Analyse. Diese werden auch als Mixed-Mode-Quadranten bezeichnet, weil sie jede Modenkonversion, die in der zu prüfenden Vorrichtung auftritt, vollständig charakterisieren, unabhängig davon, ob es sich um eine Gleichspannungsdifferentialwandlung (EMI-Suszeptibilität) oder eine differentielle Umwandlung (EMI-Strahlung) handelt. Das Verständnis der Größe und des Standorts der Modenkonvertierung ist sehr hilfreich, wenn es darum geht, das Design von Interconnects für den Gigabit-Datendurchsatz zu optimieren.

Klicken Sie hier, um Teil 2 zu lesen.

Von MIKE RESSO, Signal Integrity Application Scientist, und HEIDI BARNES, Senior Anwendungsingenieur, Keysight Technologies, Inc., www.keysight.com