中心論題:
- 從測試的校準(zhǔn)方法方面介紹近年來互連設(shè)計(jì)測試技術(shù)的發(fā)展
- 從無源器件的建模方法方面介紹近年來互連設(shè)計(jì)測試技術(shù)的發(fā)展
- 從電源完整性測試方面介紹近年來互連設(shè)計(jì)測試技術(shù)的發(fā)展
- 從時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)的測試方法方面介紹近年來互連設(shè)計(jì)測試技術(shù)的發(fā)展
解決方案:
- 網(wǎng)絡(luò)分析儀常用的校準(zhǔn)方法有thru、trl和solt
- 常用的無源器件的建模主要應(yīng)用在信號(hào)完整性和電源完整性方面
- 電源系統(tǒng)特性測試是對系統(tǒng)供電部分性能的測試,電源地噪聲測試是直接測試系統(tǒng)工作時(shí)的電源地噪聲
- 根據(jù)時(shí)鐘頻譜旁瓣,重新設(shè)計(jì)晶振或鎖相環(huán)的濾波電路
互連設(shè)計(jì)技術(shù)包括測試、仿真以及各種相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),其中測試是驗(yàn)證各種仿真分析結(jié)果的方法和手段。優(yōu)秀的測試方法和手段是保證互連設(shè)計(jì)分析的必要條件,對于傳統(tǒng)的信號(hào)波形測試,主要應(yīng)當(dāng)關(guān)注的是探頭引線的長度,避免pigtail引入不必要的噪聲。本文主要討論互連測試技術(shù)的新應(yīng)用及其發(fā)展。
圖1:0.1uf電容阻抗曲線
近些年,隨著信號(hào)速率的不斷提升,測試對象出現(xiàn)了顯著的變化,不再僅僅局限于傳統(tǒng)的利用示波器測試信號(hào)波形,電源地噪聲、同步開關(guān)噪聲(ssn)、抖動(dòng)(jitter)逐漸成為互連設(shè)計(jì)工程師的關(guān)注重點(diǎn),一些射頻領(lǐng)域的儀器已被應(yīng)用于互連設(shè)計(jì)?;ミB設(shè)計(jì)中常用的測試儀器包括頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、示波器以及這些儀器所使用的各種探頭和夾具,為了適應(yīng)不斷提高的信號(hào)速率,這些測試儀器的使用方法發(fā)生了顯著的變化。本文以這些測試儀器為工具,主要從測試的校準(zhǔn)方法、無源器件的建模方法、電源完整性測試、時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)的測試方法等方面介紹近年來互連設(shè)計(jì)測試技術(shù)的發(fā)展。
在文章的最后,還將結(jié)合剛剛結(jié)束的designcon2005大會(huì)對未來測試技術(shù)的發(fā)展作簡要介紹。
校準(zhǔn)方法
在三種常用的測試儀器中,網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)方法最為嚴(yán)謹(jǐn),頻譜分析儀次之,示波器的校準(zhǔn)方法最為簡單。因此,我們這里主要討論網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)方法。網(wǎng)絡(luò)分析儀常用的校準(zhǔn)方法有三種,thru、trl和solt。三種方法的特性如表1所示。
表1:網(wǎng)絡(luò)分析儀常用的校準(zhǔn)
thru的實(shí)質(zhì)是歸一化,校準(zhǔn)時(shí)網(wǎng)絡(luò)分析儀記錄夾具的測試結(jié)果(s21_c),在實(shí)際測試中,直接將測試結(jié)果(s21_m)與s21_c相除,即得到待測件的測試結(jié)果(s21_a)。thru校準(zhǔn)忽略了測試夾具中的不匹配造成的反射以及空間中的電磁耦合,因此,它的校準(zhǔn)精度最低。在僅測試s21,而且測試精度要求不高的情況下可以使用該校準(zhǔn)方式。
在pcb等非coaxial結(jié)構(gòu)中,有時(shí)需要對走線、過孔、連接器等的特性做測試。在這種情況下,測試儀器供應(yīng)商沒有提供標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件,而且測試人員也很難在測試校準(zhǔn)端口做出良好的開路、短路、匹配負(fù)載等校準(zhǔn)件,因此,不能做傳統(tǒng)的solt校準(zhǔn)。利用trl校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)是不需要標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件,可以將測試校準(zhǔn)端口延伸至所需要的位置。目前trl校準(zhǔn)在pcb結(jié)構(gòu)測試中的使用已經(jīng)比較廣泛。
solt通常被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)方法,校準(zhǔn)模型中共有12個(gè)校準(zhǔn)誤差參數(shù),通過使用短路、開路、負(fù)載和直通對各種誤差做校準(zhǔn)計(jì)算。由于測試儀器供應(yīng)商通常僅提供coaxial校準(zhǔn)件,所以在非coaxial結(jié)構(gòu),無法使用solt校準(zhǔn)方法。
以上三種校準(zhǔn)方法都可以利用信號(hào)流圖的方式做詳細(xì)的分析,其中各個(gè)誤差參數(shù)在信號(hào)流圖中均有對應(yīng)參數(shù)。通過信號(hào)流圖,可以很清楚的了解各種校準(zhǔn)方法的誤差敏感度,從而了解實(shí)際測試的誤差范圍。這里需要提出的一點(diǎn)是,即使是標(biāo)準(zhǔn)的solt校準(zhǔn)方法,在校準(zhǔn)模型中也忽略了五個(gè)誤差參數(shù)。通常情況下,這五個(gè)誤差參數(shù)不會(huì)影響校準(zhǔn)精度。但在使用時(shí)如果不注意校準(zhǔn)夾具的設(shè)計(jì),會(huì)出現(xiàn)無法校不準(zhǔn)的現(xiàn)象。
頻譜分析儀內(nèi)部提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)源供校準(zhǔn)使用,校準(zhǔn)時(shí)只需要將內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)源通過測試夾具與輸入端口相連即可,校準(zhǔn)所需時(shí)間約為10分鐘。示波器的校準(zhǔn)則更為簡單,將探頭連接至內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)源,確認(rèn)即可,校準(zhǔn)所需時(shí)間約為1分鐘。
無源器件的測試和建模
隨著信號(hào)速率的不斷升高,無源器件在信號(hào)鏈路中的作用越來越重要,系統(tǒng)性能仿真分析準(zhǔn)確與否,往往決定于無源器件的模型精度。因此,無源器件的測試和建模逐漸成為各個(gè)設(shè)備供應(yīng)商的互連設(shè)計(jì)中的重要組成部分。常用的無源器件有以下幾種:連接器、pcb走線及過孔、電容、電感(磁珠) 。
在高速信號(hào)完整性設(shè)計(jì)中,連接器對信號(hào)鏈路的影響最大。對于經(jīng)常使用的高速連接器,通常的做法是按照trl校準(zhǔn)方法做校準(zhǔn)夾具,對連接器進(jìn)行測試建模,供仿真分析使用。pcb走線及過孔的測試建模方法與連接器相類似,也使用trl校準(zhǔn)將測試端口移至所需位置,然后測試建模。
圖2:某單板電源阻抗特性
電容模型在信號(hào)完整性分析中有應(yīng)用,更主要的應(yīng)用在電源完整性分析中。業(yè)界常用的電容建模儀器是阻抗分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀,分別適用于不同頻段,阻抗分析儀適用于低頻段,網(wǎng)絡(luò)分析儀適用于高頻段。如果具體實(shí)際測試中使用網(wǎng)絡(luò)分析儀做電源完整性測試,建議在電容建模的全頻段均使用網(wǎng)絡(luò)分析儀,以保證建模和應(yīng)用的一致性。由于電容的阻抗較小,在使用網(wǎng)絡(luò)分析儀建模時(shí),通常使用并聯(lián)方式。目前業(yè)界在電容建模中沒有解決的問題是如何消除夾具與電容之間的互耦,以減小夾具對建模結(jié)果的影響。
在傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)中,經(jīng)常會(huì)使用電感(磁珠)對電源做隔離,以減小噪聲干擾。而實(shí)際設(shè)計(jì)中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)去除隔離電感(磁珠),電源地噪聲反而減小。這是由于電感(磁珠)與其它濾波器件產(chǎn)生諧振。為了避免這種情況的發(fā)生,有必要對電感(磁珠)建模并仿真以避免諧振。業(yè)界常用的電感(磁珠)建模方式也是采用網(wǎng)絡(luò)分析儀,具體方法與電容建模相類似,不同之處在于電感(磁珠)建模時(shí)采用串聯(lián)方式,電容建模時(shí)采用并聯(lián)方式。
上面的幾種無源器件的建模主要應(yīng)用在信號(hào)完整性和電源完整性方面,近些年emi的仿真分析正逐步發(fā)展,關(guān)于emi無源器件的測試建模也逐漸成為互連設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。如圖1所示為電容的阻抗曲線。
電源完整性測試
隨著芯片功率不斷升高,工作電壓不斷降低,電源地噪聲逐漸成為互連設(shè)計(jì)中關(guān)注的對象。從測試對象的角度,電源完整性測試可分為兩部分,電源系統(tǒng)特性測試和電源地噪聲測試。前者是對系統(tǒng)供電部分性能的測試(無源測試),后者是直接測試系統(tǒng)工作時(shí)的電源地噪聲(有源測試),同步開關(guān)噪聲也可歸類為電源地噪聲。
測試電源系統(tǒng)性能時(shí),通常使用網(wǎng)絡(luò)分析儀,測試對象是電源系統(tǒng)的self-impedance和transfer-impedance。一般情況下,電源系統(tǒng)的阻抗均遠(yuǎn)小于網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)阻抗(50歐姆),所以測試時(shí)只要做直通校準(zhǔn)就可以了,利用公式s21=z/25就可以得到電源系統(tǒng)的阻抗。圖2所示為某單板電源阻抗特性。
測試電源地噪聲可以使用頻譜分析儀和示波器,頻譜分析儀的輸入端口不能接入直流分量,因此在測試電源地噪聲時(shí),必須在測試夾具中串連dc-blocking。頻譜分析儀的輸入阻抗為50歐姆,電源地網(wǎng)絡(luò)的阻抗一般為毫歐姆級,所以,測試夾具不會(huì)對待測系統(tǒng)產(chǎn)生影響。示波器的輸入阻抗隨設(shè)置的不同而改變,以泰克公司的tds784為例,其低頻截至頻率隨耦合方式和系統(tǒng)阻抗變化而變化,如表2所示。
上面所描述的方法都是測試單板上的電源地噪聲,而真正影響芯片工作的是芯片內(nèi)的電源地噪聲,這時(shí)需要借助同步開關(guān)噪聲測試來確定芯片內(nèi)的電源地噪聲。設(shè)芯片有n個(gè)io端口,令其中一個(gè)保持靜止,另外n-1個(gè)同時(shí)翻轉(zhuǎn),測試靜止網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)波形,即同步開關(guān)噪聲。同步開關(guān)噪聲中既包括電源地噪聲,也包括封裝內(nèi)不同信號(hào)之間的串?dāng)_,目前沒有辦法將二者完全區(qū)分開。
表2:示波器輸入阻抗隨設(shè)置而改變
時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)的測試
在一些高端產(chǎn)品中,抖動(dòng)逐漸成為影響產(chǎn)品性能的重要指標(biāo),這里僅對如何利用頻譜分析儀測試時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)及問題定位做簡單介紹,關(guān)于數(shù)據(jù)信號(hào)的抖動(dòng)測試暫不涉及。
在大多數(shù)系統(tǒng)中,時(shí)鐘都是由晶振或鎖相環(huán)產(chǎn)生。時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)測試比較簡單,不需要高端的測試儀器,使用常用的頻譜分析儀就可以做問題定位。理想的時(shí)鐘信號(hào)的頻譜是干凈的離散頻譜,僅在時(shí)鐘頻率的倍頻上有分量。如果時(shí)鐘信號(hào)出現(xiàn)抖動(dòng),在這些倍頻的附近會(huì)出現(xiàn)旁瓣,抖動(dòng)大小與這些旁瓣的功率大小成正比。
利用頻譜分析儀測試時(shí)鐘抖動(dòng)的具體方法是在時(shí)鐘信號(hào)鏈路上任意找一個(gè)可測試點(diǎn),將該點(diǎn)信號(hào)通過dc-blocking連接至頻譜分析儀,觀察測試結(jié)果。由于測試夾具是線性系統(tǒng),因此,不必?fù)?dān)心產(chǎn)生新的頻譜分量。前面提到時(shí)鐘都是由晶振或鎖相環(huán)產(chǎn)生,在這種情況下,引入時(shí)鐘抖動(dòng)的重要原因是晶振或鎖相環(huán)的電源噪聲。利用前面介紹的方法測試所得的晶振或鎖相環(huán)的電源噪聲,與時(shí)鐘頻譜中的旁瓣做對比,基本可以確定出導(dǎo)致時(shí)鐘抖動(dòng)的原因。問題的解決辦法是根據(jù)時(shí)鐘頻譜旁瓣,重新設(shè)計(jì)晶振或鎖相環(huán)的濾波電路,在一般情況下,這些問題可以通過合理選擇濾波電容解決。
designcon2005的技術(shù)方向
designcon是每年互連技術(shù)領(lǐng)域的第一次大會(huì),每年的大會(huì)上在今年designcon2005中,主要有以下一些技術(shù)發(fā)展趨勢:
a.單純的電源完整性的仿真與測試在業(yè)界已經(jīng)有很多應(yīng)用,不再是分析工作中的難點(diǎn)。
b.電容和電感(磁珠)的建模已經(jīng)在業(yè)界推廣,其方法已經(jīng)較為完善。
c.互連設(shè)計(jì)的重點(diǎn)向封裝移動(dòng),板級分析已經(jīng)較為成熟,同步開關(guān)噪聲的仿真與測試逐漸成為業(yè)界關(guān)注的問題。
d.抖動(dòng)(jitter)的測試方法及標(biāo)準(zhǔn)逐漸成為業(yè)界關(guān)注的問題,大會(huì)上有多家測試設(shè)備供應(yīng)商推出自己的抖動(dòng)分析儀。
總結(jié)
本文簡要的對目前互連設(shè)計(jì)領(lǐng)域的測試對象和測試方法做了簡要的介紹。隨著信號(hào)速率的不斷提高,逐漸出現(xiàn)一些新的測試內(nèi)容,其中包括電源地噪聲、無源器件建模、抖動(dòng)等內(nèi)容。作者根據(jù)自己的工作經(jīng)驗(yàn),提出了對于這些新的測試內(nèi)容的測試方法。在傳統(tǒng)的信號(hào)波形測試中,主要應(yīng)考慮減小地線長度,以避免pigtail耦合入噪聲,降低測試精度。在未來的互連設(shè)計(jì)中,由于信號(hào)工作頻率提升,工作重點(diǎn)將向芯片封裝轉(zhuǎn)移,相關(guān)的測試和建模技術(shù)將成為工作重點(diǎn)。