Odczytywanie impedancji płyt typu High-Speed Backplane

Jason J. Ellison

|  Created: September 10, 2019  |  Updated: December 10, 2020

Impedancja ciągle stanowi zagmatwany temat w społeczności integralności sygnału. Z definicji impedancja to wielkość charakteryzująca zależność między natężeniem prądu a napięciem. Tak naprawdę nie jest to dla nikogo zupełnie jasne. Po zagłębieniu się w problem okazuje się, że impedancja może oznaczać kilka rzeczy. 

• Charakterystyka skokowa współczynnika odbicia szerokopasmowego wyrażona w omach
• Charakterystyka impulsowa współczynnika odbicia szerokopasmowego wyrażona w omach
• Parametry Z dziedziny czasu
• Parametry Z dziedziny częstotliwości

Odnosząc się do impedancji, inżynierowie ds. integralności sygnału zwykle mówią o pierwszej pozycji. Dlatego impedancja w ujęciu integralności sygnału to ilościowe określanie i lokalizowanie odbić. Jest to również bezpośrednie wskazanie reflektometru w dziedzinie czasu (TDR) i coś, co zawiera cenne informacje, jeśli umiemy je odczytać. Jak zatem można nauczyć się odczytywać wartości TDR bez urządzenia TDR? 

Mając parametry S, posiadamy informacje niezbędne do obliczenia wartości TDR bez potrzeby dokonywania pomiaru. Parametry S przy danej częstotliwości to macierz kwadratowa, a warunki odbicia to elementy na przekątnej macierzy. Proces przekształcenia parametrów S odbicia na wygląda następująco:

1. Dokonaj ekstrapolacji punktu DC.
2. Dokonaj interpolacji parametrów S w taki sposób, aby oraz pierwszy punkt nie-DC były takie same.
3. Przefiltruj parametry S w razie potrzeby.
4. Oblicz wszystkie negatywne składowe częstotliwości.
5. Oblicz reakcję impulsową w dziedzinie czasu, biorąc odwrotność przekształcenia Fouriera symetrycznych parametrów S.
6. Przesuń wektor dziedziny czasu tak, aby punktem środkowym było t=0.
7. Przekształć charakterystykę impulsową w charakterystykę stopniową.
8. Oblicz impedancję ze współczynnika odbicia.

Skorzystanie z języków programowania typu MATLAB, Octave lub Python ułatwi zrealizowanie tych kroków. Jednak nie jest to niezbędne. Można po prostu pobrać Signal Integrity Studio firmy Teledyne LeCroy i użyć tego programu do obliczenia profilu impedancji! Oczywiście przy założeniu, że mamy parametry S.

Okazuje się, że są tam dostępne wysokiej jakości parametry S, które można pobrać bezpłatnie. Strona IEEE 802.3 pyta uczestników o ich standardowe grupy robocze dla parametrów S lub stosownych kanałów i publikuje te kanały. Oto kilka repozytoriów parametrów S dostępnych na stronie internetowej IEEE 802.3.

10GBASE: http://www.ieee802.org/3/ba/public/channel.html

25GBASE: http://www.ieee802.org/3/100GCU/public/channel.html

50GBASE: http://www.ieee802.org/3/cd/public/channel/index.html

100GBASE: http://www.ieee802.org/3/ck/public/tools/index.html

Widać tu pewne przyrostki przy poszczególnych kanałach. Najczęściej spotykane to CR4 oraz KR4. Wszystkie elementy z oznaczeniem CR to przewody, a elementy z oznaczeniem KR to tradycyjne płyty typu backplane lub ortogonalne płyty typu backplane. Można je porównać do projektowanego kanału albo po prostu sprawdzić, jak ewoluowały poziomy wydajności. Zamierzam je wykorzystać, aby pokazać przykład profilu impedancji oraz sposób jego interpretacji.

Pierwszy kanał, jaki chcę pokazać, to pomiar płyty typu backplane udostępnione przez TE Connectivity. Można go znaleźć tutaj.

Zamierzam omówić procedurę ładowania parametrów S do SI Studio i sporządzania wykresu impedancji. Aby załadować parametry S do narzędzia, trzeba kliknąć małą ikonę folderu po lewej stronie panelu sterowania w interfejsie użytkownika. Pojawi się monit o wybranie pliku Touchstone. Pliki Touchstone zawierają parametry S i mają rozszerzenia zaczynające z literą S na początku i P na końcu, pomiędzy którymi znajduje się numer. Ten numer to liczba portów w pliku Touchstone, a taki port można sobie wyobrazić jako miejsce, gdzie można umieścić wyimaginowany szerokopasmowy miernik mocy, gdyby istniał. Plik Touchstone, którego używam, to TEC_Whisper27in_THRU_G14G15.s4p. Ten układ jest różnicowy i trzeba przekształcić parametry S z jednostronnych na różnicowe, aby zobaczyć impedancję różnicową. Aby to zrobić w SI Studio, trzeba kliknąć przycisk „Convert” (Przekształć) po prawej stronie ikony folderu pośrodku panelu sterowania w interfejsie użytkownika. Zostanie wyświetlone wyskakujące okno z pytaniem o mapę portów pliku. W tym pliku port 1 jest połączony z portem 2, a port 3 z portem 4. Żeby wprowadzić tę informację w wyskakującym oknie, trzeba wpisać po lewej stronie numery 1, 3, 2 i 4 z góry na dół. Następnie należy kliknąć „Apply” (Zastosuj) i zamknąć okno. Parametry S odbicia są pokazane jako „SD1D1”. Trzeba usunąć zaznaczenia we wszystkich innych polach i zmienić parametry S odbicia na impedancję, klikając „dB” i wybierając „Z”. I już!

Aby uzyskać najlepszy widok impedancji kanału, trzeba wybrać pojedynczą siatkę „Single grid” w rozwijanym menu na pasku narzędzi, ustawić środek osi poziomej na 3 ns, skalę osi poziomej na 0,6 ns, środek osi pionowej na 100 ᘯ i skalę osi pionowej na 5 ᘯ. Poniżej widać finalny rezultat z odniesieniami do wszystkich elementów omówionych powyżej. 

Rys. 1. Odczytywanie impedancji różnicowej płyty typu backplane TE Connectivity.

Mamy przed oczami wykres impedancji, ale co on nam mówi? 

W całym dostępnym czasie impedancja bez żadnych odbić będzie miała wartość 100 omów. Każda zmiana w profilu impedancji to odbicie. Na wykresie widać kilka obszarów ze znaczącymi odbiciami, gdzie wartość impedancji gwałtownie spada. Między tymi spadkami są również segmenty, w których widać płynne narastanie. 

Te spadki to elementy przejściowe. Zaczynając o lewej, pierwszy spadek to złącze koncentryczne. Drugi to złącze wtykowe. Trzeci to kolejne złącze wtykowe. Elementy przejściowe, takie jak złącza czy przelotki, niemal zawsze są widoczne jako spadki w profilu impedancji. Zatem jeśli widzimy spadek, najprawdopodobniej jest to przelotka lub złącze. 

Powszechnym błędem jest automatyczne uznawanie, że niska impedancja przelotki wynika ze średnicy otworu. Jednak spadki powodowane przez przelotki są zwykle powodowane przez pady przelotek. Pady stanowią zło konieczne dla inżyniera ds. integralności sygnału i zawsze powodują nieciągłość impedancji. Istnieje możliwość, że impedancja przelotki będzie wysoka. Zdarza się tak, gdy przelotka zostanie zaprojektowana z najmniejszym możliwym do wykonania otworem w oparciu o grubość płytki PCB bez osobnej optymalizacji przelotki i pada. Szczegóły można uzyskać u najbliższego inżyniera ds. integralności sygnału. 

Niskiej impedancji złącza nie da się łatwo wyjaśnić. Złącza stanowią złożone struktury z wieloma małymi i kilkoma dużymi nieciągłościami. Zazwyczaj impedancje związane z nieciągłościami złącza to niskie impedancje. Przyczyną mogą być grudki lutowia na padach SMT lub połączenie wtykowe. Jednak jeśli złącze nie będzie całkowicie dociśnięte (wetknięte), pośrodku impedancji złącza będzie występować wysoka impedancja. 

Gładkie segmenty to ścieżki. Ścieżki wykazują małe perturbacje wynikające ze splotu włókna i otaczającego metalu, np. przelotek spinających, ale są one dość płaskie. Narastające zbocze ścieżek wynika z zależności impedancji od częstotliwości. Jest to znak, że parametry S są dobrze opanowane i fizyczne. 

Ostatni parametr S, jakiemu chcę się przyjrzeć, to płyta typu backplane udostępniona przez Intel, która jest przeznaczona dla najnowszego standardu IEEE Ethernet który charakteryzuje się prędkością 100 Gb/s! Można go pobrać tutaj.

Ta płyta typu backplane jest kompletnie symulowana i zawiera wyprowadzenie BGA (lub przynajmniej coś na kształt przelotki). Wyprowadzenie BGA to miejsce, gdzie maska płytki PCB przechodzi z footprintu podzespołu BGA do ścieżek płytki. Jest to realizowane na jeden z dwóch sposobów. 

1. Przelotka w padzie
2. Kość dla psa

Przelotka w padzie jest nieskomplikowana. W takim przypadku przelotka sygnału jest umieszczona pośrodku pada sygnału BGA. Duża grupa projektantów jest przeciwna stosowaniu przelotek w padach. Powodem jest to, że jeśli przelotki nie zostaną prawidłowo przygotowane, BGA nie przylgnie do płytki. Otwór przelotki w padzie musi być jakość uszczelniony. Realizuje się to zazwyczaj poprzez zamknięcie albo wypełnienie przelotki, a następnie powleczenie. Oczywiście powoduje to wzrost kosztów, co stanowi kolejny powód, dla którego niektórzy unikają stosowania tego rozwiązania. Jednakże jest to najlepsza opcja dla integralności sygnału.

Kości dla psa to krótkie ścieżki poprowadzone od pada sygnału BGA do innego pada. Nazwa pochodzi od ich kształtu. Przelotka jest umieszczona w drugim padzie z dala od przylutowanego wyprowadzenia podzespołu BGA. To eliminuje konieczność zamykania i wypełniania przelotek, przez co stanowi tańszą opcję. Ta opcja jest bardziej wymagająca dla inżynierów ds. integralności sygnału. Przejście od pada BGA do pada przelotki wytwarza dużą impedancję. Jest ona znacząco wysoka w większości przypadków, ponieważ płaszczyzna odniesienia zazwyczaj nie znajduje się bezpośrednio pod ścieżką. 

Rys. 2. Metody pomiaru impedancji na przykładzie przelotki w padzie zwyprowadzeniem typu „kość dla psa”.

Patrząc na model przekrojowy Intela (Cable_BKP_24dB_0p995m_more_isi_thru1.s4p), widać wysoką impedancję na początku, gdzie powinno się znajdować wyprowadzenie BGA. Ponieważ wyprowadzenie BGA jest bardzo małe, nie da się z całą pewnością stwierdzić, czy pochodzi ze średnicy przelotki, czy z „kości dla psa”. Niemniej jednak najprawdopodobniej pochodzi z któregoś z tych kształtów. 

Rys. 3.Odczytywanie impedancji różnicowej płyty typu backplane Intel.

Zatem mamy to. Sposób na zobrazowanie impedancji i kilka elementów, na które trzeba uważać. W szczególności:

• Źródłem niskiej impedancji mogą być złącza, przejścia przelotek z padów przelotek lub niekontrolowane grudki lutowia na padach SMT.
• Wysoka impedancja może wynikać ze zbyt małych średnic przelotek, niecałkowicie dociśniętych złączy lub wyprowadzeń BGA typu „kość dla psa”.
• Płaskie odcinki o powolnym przyroście z upływem czasu to ścieżki płytki PCB, a przyrost tych ścieżek to zjawisko fizyczne, które powinno tam występować.

Mam nadzieję, że ten artykuł pozwoli czytelnikom spojrzeć na kolejne profile impedancji z większą pewnością siebie!

Dowiedz się więcej o narzędziach do sprawdzania integralności sygnału dla projektantów PCB w Altium Designer^®. Masz więcej pytań? Porozmawiaj z ekspertem Altium.