Keysight Technologies / / JESD204B Application Note - July 2014 Preliminary JESD204B JEDEC JESD204B ADC/ DAC LVDS JESD204B 1 JESD204B JESD204B

(1)

Keysight Technologies

医療

_/

産業

_/

分析機器向けソリューション

JESD204B

物理層の検証

Application Note - July 2014

Preliminary

JESD204B

とは？

JEDEC JESD204B

は、高速なサンプリング・レートの

ADC/

DAC

のデジタル入出力に適用できる新しいインタフェースです。従来の

LVDS

を使用する方法では、高速化に限界があり、配線本数を増やす際の物理的な制約やスキュー調整等のタイミング・マージンの減少により、機能拡張の限界がきています。これらの問題を解決し、次世代のデザインに対応できる新しいインタフェースとして、

JESD204B

が注目されています。

JESD204B

の構造

JESD204B

の構造を図

1

に示します。

1

リンクに複数レーンの接続が可能で、かつ、スピードのグレードとして

3.125Gbps

、

6.375Gbps

、

12.5Gbps

の選択が可能です。要求される伝送帯域に合わせてビットレートは可変です。

AC/DC

結合の両方に対応し、

AC

結合時の

H

レベル／

L

レベル電圧のバランスを取るために

8B10B

のエンコードとデータのスクランブルを行います。

6.375Gbps

よりも高速に動作させる場合は、各デバイスごとにクロックを供給します。

Pre-Emphasis

や

Equalizer

は仕様が未定義のオプションのため、ユーザーがデザインごとに最適なパラメータを設計して使用します。

JEDEC JESD204B

CML | Differential 100

Ω

AC/DC Coupling

Upto 12.5Gbps

8B10B Coding + Scramble

Pre-Emphasis/Equalizer

Download JESD204B.01

(Jan 2012)

http://www.jedec.org/standards-documents/results/jesd204b

図1

(2)

テストパターン

FibreChannel MJSQ/MSQS

規格を参照した各種テストパターンの規定があります（図

5

）。正しい検証のためには、

IC

単体の特性評価はもとより、組み込みシステムの動作検証においても、テストパターンが出力できることが重要です。

評価項目

JESD204B

では、波形品質に関する仕様が定められています。規格の主な部分は、

OIF

の

CEI2.0

規格を参照しており、その中でもバックプレーンバス等の短距離伝送を定めた

SR

（

Short-Reach

）仕様を基に作成されています。仕様の中でも、特に、アイパターンやジッタは重要で、対応するスピードのグレードごとに、送信端／受信端のマスクテンプレートが示され（図

2

、

3

）、ジッタに関しては、

BER10

−12_∼

₁₀

−15_{の信頼性を基準にした}

_{Total Jitter}

_（

_TJp-p

_{）が規定されています（図}

₄

_{）。また、送信}

_IC

_と受信

_IC

_{の電源環境の相違}

による相互接続性を考慮し、

AC/DC

統合時の動作条件と、それぞれの場合のコモンモード電圧仕様が示されています。例えば、無線通信基地局のように送受信が

FMC

コネクタを介して、別々にモジュール化されているデザイン等を考慮しています。 XT1 XT2 YT1 YT2 LV-OIF-SxI5 0.175 0.45 0.5 0.25 LV-OIF-6G-SR 0.15 0.4 0.375 0.2 LV-OIF-11G-SR 0.15 0.4 0.385 0.18 XR1 1-XR1 XR2 YR1 YR2 LV-OIF-SxI5 0.28 − 0.39 0.5 0.0875 LV-OIF-6G-SR 0.3 0.7 − 0.0625 0.375 LV-OIF-11G-SR 0.35 0.65 − 0.055 0.525 BER Q（BER） DJp-p ［UI］ T_UBHPJ p-p ［UI］ T_DCD R-SJ-hf p-p ［UI］ R-SJ-max p-p ［UI］ R-BHPJ p-p ［UI］ TJp-p ［UI］ LV-OIF-SxI5（Tx） 1e-12 7.04 0.17 0.35 LV-OIF-SxI5（Rx） 1e-12 7.04 0.32 0.56 LV-OIF-6G-SR（Tx） 1e-15 7.94 0.15 0.05 0.3 LV-OIF-6G-SR（Rx） 1e-15 7.94 0.05 5 0.45 0.6 LV-OIF-11G-SR（Tx） 1e-15 7.94 0.15 0.05 0.3 LV-OIF-11G-SR（Rx） 1e-15 7.94 0.05 5 0.45 0.7 パターン名内容

Modified RPAT Modified Random Pattern Bit length: 120 bits JSPAT Scrambled Jitter Pattern Bit length: 500 bits

JTSPAT Jitter tolerance scrambled pattern Bit length: 1180 bits

伝送路（

Inter-Connect

）

基板とコネクタによる分布定数回路の実装を考慮しています。

3.125Gbps

以下でコネクタ

2

個の中継が可能、それ以上は、コネクタ

1

個が可能。

6.375Gbps

以下で、一般的な

FR4

で

20cm

程度、それより高速動作させる場合、高周波対応の基板材料による実装が必要となります。伝送レートに合わせて、測定範囲とマスクテンプレートが変わり、最大

12.5GHz

までの

S21

測定に対応するネットワーク・アナライザが必要です（図

6

）。

Tx

端マスク

Rx

端マスク図3 図2 図4 図5 図6

(3)

物理層設計

JESD204B

では最大

12.5Gbps

の信号を伝送する事になり、伝送路の精密な設計が要求されます。設計には回路シミュレータを用い、

TDR

やアイパターンの解析を実施しますが、高精度な解析を実施するためには、精度のよい伝送路モデルや、

IBIS-AMI

モデルの利用だけでなく、実基板の配線パターンを回路設計に反映するための電磁界解析の利用も検討に入れる必要があります。

高精度な伝送路モデル

実績のある

ADS

の

Momentum

シミュレーションにより、測定との相関の高い多層基板の電磁界解析が可能です。

ADS

マルチレイヤ・ライブラリ

マルチレイヤ・ライブラリとは、回路シミュレーションで利用できる多層基板に対応した伝送路モデルです。

モデルには様々な形状ものが用意され、それらすべては電磁界解析

Momentum

の技術をベースにしており、電磁界シミュレーションの精度と、回路シミュレーションでの扱いやすさと速度を両立させたものです。

各素材の物理的形状はもちろん、表皮効果や配線間の結合、さらには層にまたがった結合も考慮されます。

インピーダンスや線路の損失等しか得られない、断面形状を基にした伝送路設計ツールに比べ、各種コンポーネントを使用して

PCB

の実レイアウトを想定したモデルが構築できます。

最大

40

層までのサブストレート定義に対応しており、一般的な

PCB

から

LSI

テスタのロードボードの設計まで幅広く適用できます。クロスオーバモデルテーパモデルラインモデルコーナモデルサブストレート定義

ADS

のチャンネル・シミュレーションでアイパターンを観測

ADS

の電磁界解析で基板の配線パターンの特性を把握基板パターンの電磁界解析による、電流密度分布表示 AD9680 Board Tx: AD9680-IBISAMI (ad9680bcpz.ibs) FPGA Board Rx: FPGA IBIS-AMI

FMC connector

端

Rx

端基板パターンの電磁解析結果を加味したアイパターン解析例

(4)

基板パターンの電磁界解析

伝送チャネルの全体解析

シミュレーション結果の

_{Inﬁniium Ofﬂine}

での解析

基板パターンは

ADS

上で描画することもできますが、図研

CR-5000

、

CR-8000

などの基板

CAD

からデータを

ADS

に読み込み

ADS

上での解析に利用することができます。基板の配線パターンの解析には

A D S

Momentum

が利用できます。パッケージやコネクタなどの

3

次元形状の部品も解析に加味する場合、

EMPro 3

次元電磁界解析環境を用います。送信

IC

から受信

IC

までの伝送チャネルを、前述の伝送路モデルや、電磁界解析の結果を利用して組み立てます。

IC

のモデルには、

IBIS

がよく用いられますが、

IBIS-AMI

や、バッファ部分までの

SPICE

ネットリストなどを用いることもできます。

ADS

では、アイパターンだけでなく、バスタブカーブや、伝送チャネルの周波数特性なども簡単に観察できます。

ADS

での解析結果の解析には、

Inﬁniium

Ofﬂine

を用いることも可能です。オシロスコープで波形を解析するのと同じ手順で波形の解析が出来ます。さらに、

Inﬁniium Ofﬂine

に搭載された各種試験用のプログラムも利用することができ、

JESD204B

の波形テストを試作前にシミュレーションの段階で、簡単に実施することができます。 PCBレイアウト設計CADデータ

Keysight ADS Momentum

3Dプレナー電磁界シミュレータ 3DKeysight EMPro電磁界シミュレータ 3Dビューワ Import ?? IC Package解析コネクタ電磁界解析伝送路電磁界解析図研 CR-5000, CR-8000 Cadence Allegro® Mentor Expedition® Garber、DXF、 ODB++等の標準フォーマット

ADS Channel Simulator Infiniium Offline N8900A

実機と同じソフトウェアシミュレーション結果を Infiniium Offlineにリンクネットリスト、ビヘイビア・モデル Verilog-A/D/AMS、 HDL、IBIS System-C、C++、Matlab M-ファイル Keysight ADS Signal Integrityシミュレータ受信IC 送信IC ボードトレース 2” (51mm) – 10” (254mm) 高速コネクタ物理チャンネル Die Package Card ドライバレシーバ送受信システム全体検証 SERDES/イコライザ Die Package Card Card 各種解析機能電磁界解析による物理モデル測定ベース・モデル 10 Gb/s 1 Gb/s 2.5 Gb/s 5 Gb/s

(5)

測定セットアップ

評価ボードを例にした一般的な測定セットアップを図

7

に示します。

アイパターンのマスクテスト

マスクテンプレートは、時間軸のスケールが

1UI

で正規化され、電圧は固定の値です。抽出した再生クロックを基準にして、アイパターンを描画します（図

8

）。再生クロックは、オシロスコープのソフトウェア

CDR

使用して、

FibreChannel MJSQ

の例に倣い、

1/1667

のクロック分周に設定します。

OJTF 2

nd

_{Order PLL}

_{のピーキング無し（ダンピングファクター}

_0.707

_{）は、一般的によく使用されるパラ} メータです。システムや対向デバイスの

CDR

特性を模擬したい場合、

CDR

設定を変更することで対応可能です（図

9

）。

ジッタ測定

オシロスコープのジッタ解析機能を使用して、

BER10

−12_∼

10

−15_{のときのジッタ評価を行います。このレベルのジッタを} 実測で求めるには、

12.5Gbps

の信号に対して、最小で

22

時間以上の観測時間が必要です。

10

−15

_/12.5Gbps

_＝

_22.2hour

ビットエラーの発生がランダムな現象であることやオシロスコープのデッド・タイムを考慮した場合、より長時間の観測時間が必要です。このような長時間の観測が必要なジッタ測定を現実的な時間内で検証するには、オシロスコープの高度なジッタ解析機能 E3646A DC Power Supply

N5173B EXG Signal Generator (～20GHz) Device Clock 12V DC Reference Clock Analog IN Digital OUT DSAX92504A Oscilloscope (～32GHz)

M8190A Arbitrary Waveform Generator(12GSa/s 5GHz)

Evaluation Board

図7

図8 図9

(6)

イコライザ・エミュレーション

オシロスコープにオプションの演算機能を追加することでイコライザのエミュレーションが可能です。

CTLE/FFE/DFE

を使う方法

N5461B

イコライゼーション・ソフトウェアは、

CTLE/FFE/DFE

等のイコライザを使用して、伝送路のロスに起因する

ISI

ジッタをキャンセルした結果を観測することが可能です。

S-Parameter

／伝達関数

N5465B InfiniiSim

により、イコライザの周波数特性を

S-parameter

か伝達関数として読み込み、観測波形にそれらの特性を演算した結果を観測することが可能です。

IBIS-AMI

受信器のモデルが

IBIS-AMI

で提供されている場合、

IBIS

モデルを読み込み、観測波形にその特性を演算した結果を観測することが可能です。

IBIS-AMI

は、記述の自由度が高いため、各デバイスごとに、カスタマイズしたソフトウェアの提案を行っています。

8B10B

デコード

_&

トリガ・サーチ

アイパターンの開口が十分であることを確認後、同時に波形から

8B10B

の

K

コード（制御コード）／

D

コードを検証します。トリガ・サーチ機能を使用することで、プロトコルやチェックサムのエラーでトリガをかけて、波形品質とエラーの相関関係を確認することが可能です。複数チャンネルにまたがる複数レーンを同時にデコードすることが可能です。

SPI

デコード

&

トリガ・サーチ

ADC

のデバイスコンフィグレーションは、

FPGA

等レシーバ側

IC

から

SPI

バスを介して行われることがあります。システム立ち上げの初期は、レジスタの静的な確認だけではなく、オシロスコープで

SPI

波形を観測し、トレースのデコードを検証するとより確実な動作が期待できます。 DSOX2000 シリーズ等図11 図12 図13

(7)

広帯域オシロスコープ

対応規格データ・レート立ち上がり時間（最少）必要測定帯域※ お奨めのオシロスコープお勧めのプローブ LV-OIF-SxI5 (OIF SxI-5) 312.5Mbps ∼3.125Gbps 50ps 11.2GHz DSA91204A 12GHz DSAX91204A 12GHz 1169A差動プローブ 13GHz N2800A 差動プローブ 16GHz LV-OIF-6G-SR (OIF CEI-6G-SR) 312.5Mbps ∼6.375Gbps 30ps 18.7GHz DSAX92004A 20GHz N2801A 差動プローブ 20GHz LV-OIF-11G-SR

(OIF CEI-11G-SR) 6.375Gbps∼12.5Gbps 24ps 23.4GHz 25GHz DSAX92504A N2802A

差動プローブ

25GHz ※Minimum bandwidth (3% error) =1.4 * 0.4 / Tr(20-80%)

広帯域差動プローブ

1169A InfiniiMax II 13GHz

N2800A InfiniiMax III 16GHz

N2801A InfiniiMax III 20GHz

N2802A InfiniiMax III 25GHz

N5439A

はんだ付け

ZIF

プローブヘッド

N2838A 25GHz ZIF Tip

N5444A 2.92 mm

差動プローブ・ヘッド

N5445A

ブラウザ型プローブヘッド

安定化電源

E3600

シリーズ

DC

電源

1

出力

/3

出力

/GPIB

付

N6705B DC

電源アナライザ多出力・モジュール型

ネットワーク・アナライザ

E5071C ENA

シリーズ・ネットワーク・アナライザ

8.5/14/20GHz

ポータブルオシロ

DSOX2000

DSOX3000

DSOX4000

DSOX6000

クロック信号源

SG/FG/PPG

N5173B EXG

シリーズ

Signal Generator

13/20/31/40 GHz

M8190A 12GSa/s

任意波形発生器

N2800A

N5445A

(8)

受付時間 9：00-18：00 （土・日・祭日を除く） contact_japan

@

keysight.com Email TEL FAX

キーサイト・テクノロジー合同会社

0120-421-345 (042-656-7832) 0120-421-678 (042-656-7840) 本社〒192-8550 東京都八王子市高倉町9-1 www.keysight.co.jp

お問い合せ先

業界に先駆けて、オシロスコープ用の

JESD204B

波形品質自動測定ソフトウェアを提供

構成例

オシロスコープ

型式製品単価[万円] 数量

DSAX92504A Infiniium オシロスコープ 25GHz （SDA/EZJIT Plus/50Mpts） 2700 1 DSOX90000-40 N5467B User Defined Application （JESD204B自動測定） 42 1 DSOX90000-12 N5461B Equalization Software（Optional） 65 1 DSOX90000-14 N5465B InfiniiSim Advance （Optional） 103 1

要見積もり IBIS-AMI解析ソフトウェア（Optional） 1

N2802A InfiniiMax III プローブ 25GHz 273 1

N5439A はんだ付けZIFプローブヘッド 38 1

N2838A ZIF Tip 25GHz 5 1

N5444A 2.92 mm 差動プローブ・ヘッド 45 1 N5445A ブラウザ型プローブヘッド 41 1

高周波回路設計で別群の実績！

ADS 2014

伝送路やイコライザの回路設計に！

S-parameter

等測定器のデータを簡単に読み込めます。概算

200

万円∼ 価格は2014年9月のもので、消費税は含まれておりません。