Test di Signal Integrity su backplane multilayer: un approccio automatizzato mediante l’uso di VNA low-cost

Le tradizionali misure di Signal Integrity su backplane si basano sulla rilevazione della risposta TDT (time-domain transmission) o TDR (time-domain reflectometry) dal dispositivo sotto analisi, con l’obiettivo di estrarre informazioni utili da esso. Tuttavia, un backplane multilivello può arrivare a contenere migliaia di tracce, pertanto il processo di test deve necessariamente essere automatizzato.

Introduzione

L’automatizzazione richiede il collegamento, a monte della misura, di uno specifico modulo di adattamento al sistema di test, uno per ogni tipo di scheda. Le schede multilivello con connessioni multiple introducono però degradazioni di pulse e risetime nel processo di misurazione. Tuttavia, utilizzando un VNA per effettuare misure di riflettometria nel Dominio della Frequenza, tutte le frequenze di test vengono condotte all’output del modulo, ottenendo al contempo una maggiore risoluzione, la possibilità di adoperare tecniche avanzate di correzione degli errori e tool di de-embedding per rimuovere gli effetti degli adattatori di misurazione. Una simile configurazione diventa utile in particolar modo se le testine mobili sono connesse ad una sorgente unica di segnale attraverso un cavo molto lungo. L’utilizzo dei piccoli VNA, economici e di elevate prestazioni, si traduce nel fatto che il vantaggio dell’automazione, di un throughput più elevato e di più veloci misurazioni dell’integrità di segnale, diventano disponibili ad un costo inferiore.

Confronto tra FDR e TDR

I più recenti analizzatori di rete vettoriali fanno uso della frequency domain reflectometry (FDR), una tecnica nella quale le frequenze RF sono utilizzate per analizzare i dati e fornire la possibilità di individuare variazioni e degradazioni nella frequenza di funzionamento.

Le tecniche di misurazione FDR richiedono uno swept frequency input sulla linea di trasmissione. Un FFT (Fast Fourier Transform) inverso viene eseguito sul segnale riflesso per trasformare questa informazione nel dominio del tempo. Si distingue così dalla tecnica TDR, che invia segnali DC pulsati o semi-sinusoidi attraverso un doppino in rame, e quindi digitalizza la risposta degli impulsi riflessi. Il TDR pulsato era la metodologia originariamente utilizzata per valutare l’impedenza di ingresso dei componenti. Essa impiega come sorgente un impulso DC con fronte di salita rapido, quindi solo una piccola quantità di energia viene inviata.

Questa tecnica permette di identificare e localizzare con precisione sorgenti di potenziali avarie nei livelli DC, ma non fornisce alcuna informazione riguardo problemi di performance alle effettive frequenze RF di funzionamento. Il principale vantaggio del FDR rispetto al TDR è che l’energia generata nella banda di funzionamento è molto maggiore. Ne consegue una maggiore sensibilità, assieme ad un aumento della probabilità di identificare piccoli errori prima che essi diventino dei problemi di maggiore importanza. Le schede multilayer con connessioni multiple, come detto, conducono ad un degradamento dei pulse e risetime nel processo di misurazione, presentando quindi una maggiore difficoltà di misurazione se si utilizzano le tradizionali tecniche TDR. Il VNA ha la capacità di effettuare misure sia nel dominio della frequenza che del tempo, offrendo al contempo migliori tecniche di correzione degli errori e strumenti di de-embedding garantendo, pertanto, una più ampia e più precisa gamma di testing routines.

In passato, la differenza di costo tra VNA e TDR era proibitiva ma, con l’introduzione di nuove tecnologie ed architetture, che hanno portato a velocità di acquisizione più elevate, questa barriera è stata totalmente rimossa.

Compensazione dei moduli di test

Le schede multilayer e le connessioni multiple rendono necessario compensare gli effetti delle interferenze introdotte dal modulo di test. Ciò implica il calcolo dell’impedenza differenziale dalla risposta nel domino del tempo, per poi regolare le tracce in ognuno dei doppini differenziali per compensare le distorsioni che potrebbero essere introdotte nei moduli degli apparecchi di misura.

Calibrazione del VNA

Prima di avviare una qualsiasi analisi di misura, è necessario stabilire un piano di riferimento, ovvero il punto nel quale sono applicati gli standard di calibrazione (Figura 1).

Figura 1: Viene stabilito un piano di riferimento per la calibrazione del VNA, mostrando l’uso di adattatori tra porte VNA e modulo di misura

Analisi delle distorsioni

Poichè una riflessione totale viene definita “open”, la posizione di un open end si rileva dalla posizione del picco massimo nella prima derivata calcolata a partire dalla risposta TDR. La derivata viene calcolata analiticamente dalla risposta TDR dopo un preventivo smoothing. Le procedure di “de-noising” e di smoothing possono essere necessarie per le risposte temporali misurate con un oscilloscopio a campionamento, ma le risposte temporali misurate da un VNA sono generalmente più pulite, dato che in questo caso vengono applicati metodi di filtaggio. In aggiunta, il metodo con VNA è automatico, universale, e immune ai rumori d’ampiezza. Per determinare con precisione la derivata corrispondente all’open su entrambe le tracce, un algoritmo software applica un weighting per rimuovere o sopprimere gli altri picchi. Infatti, prima dell’open-end potrebbero esserci altri sottili transienti con derivate simili o persino maggiori. Tuttavia, la transizione in corrispondenza dell’open-end ha una ampiezza molto maggiore, che può essere utilizzata per migliorare il contrasto di altri transienti all’interno di questo breve intervallo. Utilizzando la funzione di weighting, tutti i picchi prima dell’open-end saranno drasticamente soppressi. Possibili transienti che dovessero verificarsi dopo l’open-end sono normalmente molto più lenti, quindi le loro derivate non possono essere confuse con il picco massimo prodotto dall’open-end. Il tempo viene misurato a partire dal piano di riferimento ottenuto durante la calibrazione coassiale del VNA e dei cavi. La distorsione misurata può essere utilizzata per regolare numericamente le risposte TDR/TDT misurate dal backplane. Si noti che la distorsione Δt è definita come (T2-T1)/2 poichè T1 e T2 sono tempi di round-trip.

Calcolo della distorsione

Per interrogare questi backplane viene usata una scheda “sacrificale”, come mostrato in figura 2. Le posizioni open-end (sulla scala del tempo) in questi dispositivi verranno trovati come illustrato in Fig.1. Le risposte TDR/TDT misurate dalle tracce differenziali in un backplane saranno quindi regolate per eliminare la distorsione introdotta nel modulo o nella scheda sacrificale. Dopo questa regolazione potrà essere calcolata una risposta differenziale o common-mode. In un oscilloscpio a campionamento differenziale, gli attenuatori a step che immettono il segnale in un doppino differenziale devono essere preventivamente regolati. Tuttavia, per reti lineari e passive come nel caso dei backplane, le misurazioni a singola terminazione con elaborazione numerica del segnale rappresenta una soluzione molto più economica della modalità a campionamento differenziale.

Figura 2: Calcolo della distorsione tra le tracce differenziali sul backplane mediante una scheda sacrificale

Per determinare la rigorosità del processo di misurazione, le stesse misurazioni sono eseguite attraverso vari connettori sul PCB principale del backplane, applicando poi una correzione per tenere conto delle differenze tra i risultati delle varie misurazioni. Se da un lato non c’è un valore standard di distorsione che un doppino differenziale possa sopportare, la regola empirica è che occora un quarto dell’intervallo di dati prima che la qualità del segnale degradi e i dati vengano persi. Con la distorsione quale parametro relativo, qualsiasi incertezza sulla esatta localizzazione sarà eliminata. L’algoritmo di calcolo della distorsione menzionato in precedenza può funzionare con qualsiasi risposta TDR ottenuta dal VNA; in aggiunta è automatica, universale ed immune a rumori d’ampiezza.

Profili di impedenza differenziale

Un doppino differenziale viene trattato come una rete lineare 4-porte, come mostrato in figura 3. In questo caso le quattro risposte TDR/TDT devono essere ottenute tutte da un lato della rete. Gli end “2” e “4”rimangono open. T11(t) e T33(t) sono le risposte single-ended TDR, mentre T13(t) e T31(t) sono le interferenze tra le tracce. Quando viene usato un VNA, i valori Tij(t) sono calcolati dai coefficienti di trasmissione e riflessione misurati, e Tij(t) deve essere regolato per compensare le distorsioni introdotte dalle apparecchiature di misurazione. Per riprodurre reali condizioni applicative, solo le distorsioni dall’apparecchiatura di misurazione sono prese in considerazione, ignorando quelle provenienti dalle tracce nel backplane.

Figura 3: Profili di impedenza differenziale utilizzando un modello di rete lineare 4-porte

Un set di quattro risposte viene utilizzato per calcolare le risposte differenziali e di modo comune, con il doppino differenziale gestito come una rete lineare 4-porte. Un algoritmo software calcola le risposte temporali pari e dispari per le tracce A e B, che sono già riallineate. Profili pari e dispari di impedenza sono quindi calcolati per ogni step utilizzando l’impedenza di riferimento e lo step di tensione usato nel processo di misurazione.

L’accoppiamento più resistente tra le tracce differenziali viene osservato nei connettori non-coassiali: oltre ad avere impedenze single-ended più elevate, sono progettati per abbinarsi ad un certo valore di impedenza differenziale nel backplane. Qui l’accoppiamento in un doppino differenziale diviene più debole, tuttavia non può essere omesso nel calcolare l’impedenza differenziale. Per un backplane ad alta frequenza progettato per trasferire segnali differenziali, l’impedenza differenziale sarebbe un parametro maggiormente informativo rispetto all’impedenza single-ended. In ogni caso, le risposte TDR single-ended potrebbero essere più convenienti nell’identificare guasti. Sono anche utilizzati per l’analisi di distorsioni e stub resonance. Questo significa che, per una completa caratterizzazione di un backplane, sono richieste misurazioni a 2-porte complete (TDR e TDT), almeno da uno dei lati del backplane. La Figura 4 mostra i profili di impedenza differenziale calcolati per i setup di misura descritti in precedenza utilizzando l’algoritmo software automatizzato. Dove è presente un accoppiamento (a partire dai connettori non-coassiali), l’impedenza differenziale sarà sempre inferiore a 2Z0. Il suo valore non può essere previsto solo a partire dalle misurazioni TDR, quindi più risposte TDT saranno necessarie come evidenziato in precedenza. Come prerequisito per la compensazione software, le tracce devono essere regolate proprio per compensare la distorsione introdotta nell’apparecchiatura di misurazione, come illustrato in precedenza. Per una rete lineare passiva, le misurazioni true differential non risultano più accurate perchè richiedono anche una procedura di riallineamento, che include la regolazione dei tempi di lancio di una coppia di generatori a step.

Figura 4: Profili di impedenza differenziale calcolati per diversi setup di misurazione

Conclusioni

Questo articolo dimostra come un VNA a 2-porte e singola sorgente sia in grado di offrire risposte nel dominio del tempo precise, come richiesto nel calcolo della distorsione e impedenza differenziale. Persino un semplice ed economico VNA, con l’adeguato algoritmo software e relativa automatizzazione, è in grado di fornire misure di integrità di segnale comprensive di tutte le sequenze di test nei domini di tempo e frequenza.

di Paul Holes, Anritsu Europe

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 8 settembre 2017

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