Разработка высокоскоростных устройств и систем передачи данных

Учебно-тематический план

Тема 1. Введение. История развития проблем целостности сигналов и питания

Постановка проблем.

Тема 2. Основные положения

• Уравнение Максвелла
• Электростатика, магнитостатика
• Распространение радиоволн
• Проводники, диэлектрики

Даются краткие выдержки из академических курсов ВТУЗов. Объясняется смысл явлений и сущностей, а также дается краткое описание, для чего это требуется в данном курсе. Понятие электрического тока, полей, радиоволн, сред.

Тема 3. Идеальная линия передач

• Электрическое и магнитное поле линии передач
• Телеграфные уравнения
• Эквивалентная схема
• Фаза (скорость распространения)
• Волновое сопротивление линии
• Диэлектрическая проницаемость
• Коаксиальная, микрополосковая, полосковая, копланарные, связанные линии
• Отражения

Рассматривается поведение идеальной линии передач. Идеальная линия никогда не встречается в жизни, однако, понимание поведения такой линии дает качественное представление о реальных системах.

Тема 4. Перекрестные помехи

• Взаимная индуктивность
• Взаимная емкость
• Минимизация помех

Одна из наиболее частых проблем на печатных платах - перекрестные помехи. В данной теме рассматриваются механизмы появления помех, а также основные приемы для минимизации таких помех.

Тема 5. Реальные проводники

• Омические потери
• Скин-эффект
• "Шероховатость" проводников. Модели "шероховатости"
• Эквивалентная схема линии передач
• Телеграфные уравнения

В Теме 3 предполагались идеальные проводники без потерь. В данной теме рассматривается влияние на качество передачи высокоскоростных сигналов таких явлений, как конечная проводимость, неравномерная плотность высокочастотного тока в сечении проводника, неидеальная поверхность проводника на примере меди.

Тема 6. Диэлектрики

• Частотная зависимость диэлектриков
• Структура диэлектрика FR4

В Теме 2 было введено понятие среды. В данной теме рассматривается распространение сигналов в диэлектриках, которые являются основой печатных плат. Отдельно рассматривается структура материала FR4, как наиболее часто используемого при производстве.

Тема 7. Основы теории цепей

• Линейные системы
• Временной и частотный домен
• Спектр
• Отклик системы
• Характеристическое сопротивление
• S-параметры
• Z-параметры

Печатные платы являются линейными системами. Вводятся основные понятия для анализа подобных систем в применении к распространению высокоскоростных сигналов. После изучения данного раздела у специалиста будет возможность качественного оценить и предсказать поведение системы, а также оценить целесообразность применения тех или иных решений (выбор диэлектрика, разъемов и т.д.)

Тема 8. Схемотехника

• CMOS
• Open-Drain
• SSTL
• LVDS и CML
• IBIS-модель

Распространение сигнала происходит от передатчика к приемнику. Рассматриваются наиболее часто используемые буферы в современной электронике. Также рассматриваются IBIS-модель, которая описывает буферы на поведенческом уровне (в сравнении с классическими SPICE-моделями, описывающие схемы на транзисторном уровне).

Тема 9. Эквализация

• Теорема Шеннона
• Предыскажения (PreEmphasis)
• CTLE-эквалайзер
• DLE-эквалайзер
• DFE-эквалайзер
• Адаптивная эквализация
• Система восстановления тактового сигнала (CDR)

Искажения сигналов на очень высоких частотах таковы, что невозможно произвести безошибочный прием информации. Однако все эти искажения изучены и понятны, что делает возможным создать схемы для устранения этих искажений - эквалайзеры. Рассматриваются основные схемы эквализации, применяемые в современных интерфейсах.

Тема 10. Бюджет

• Глазковая диаграмма
• Вероятность ошибки (BER)
• Джиттер (фазовый шум). Виды джиттера
• Шумы питания
• Шумы одновременного переключения

Для реализации различных интерфейсов существует множество рекомендаций и руководств. Однако при реализации конкретного устройства не всегда получается им следовать. Чтобы проанализировать адекватность применяемых решений необходимо оценить бюджет канала. Основы такой оценки рассматриваются в данном разделе.

Тема 11. Примеры высокоскоростных интерфейсов

• Маршрут разработки МПП с высокоскоростными интерфейсами
• DDR. Правила трассировки (на примере плат Intel, Altera, Xilinx)
• PCIe и XGbE. Правила трассировки  (на примере плат Intel, Altera, Xilinx)

Практический блок, который посвящен разработке современных интерфейсов. Рассматриваются основные правила, а также примеры реализации. В качестве примеров использованы платы Xilinx, Intel, Altera, а также собственные платы.

Тема 12. Целостность питания

• Омические потери
• Характеристическое сопротивление цепи питания (PDN)
• Резонансы полигонов питания

Немаловажная тема при разработке высокоскоростных устройств - правильная реализация системы питания. Рассматриваются основные проблемы, возникающие при разработке схем питания, а также пути их решения.

Тема 13. Измерения и моделирование

• Spice-моделирование
• EM-моделирование
• Моделирование канала
• Осциллограф. Джиттер, глазковая диаграмма, TDR-измерения (рефлектометрия)
• Спектроанализатор. Фазовый шум, пересчет в джиттер

Недостатоный уровень верификации разработанного устройства приводит к затрате значительных временных ресурсов при отладке. Рассматриваются основные принципы моделирования печатных плат, а также систем. Также рассматриваются основные современные приборы, используемые при отладке.