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Alors que les débits de données ne cessent d’augmenter et que les architectures système gagnent en complexité dans l’ensemble des technologies modernes, il est essentiel que les ingénieurs comprennent mieux les fonctions de transfert de gigue afin de pouvoir concevoir, optimiser et dépanner des systèmes répondant à des exigences de performance strictes. Dans cet article, découvrez comment nous utilisons le testeur SerDes personnalisé SV1C d’Introspect pour développer et exécuter rapidement des mesures de la fonction de transfert de gigue d’une boucle à verrouillage de phase (PLL). Nous tirons parti de la nature intégrée de l’outil et de ses fonctionnalités d’automatisation pour développer des tests, exécuter des scripts et générer des rapports automatiques en quelques minutes.
Nous définirons tout d’abord le transfert de gigue et son importance dans le cadre des normes de transmission à haut débit. Ensuite, nous décrirons le concept de mesure utilisé dans cet article et mettrons au point une procédure de test Pinetree très simple permettant la collecte automatique des fonctions de transfert de gigue des PLL et des paramètres de bande passante de boucle. Enfin, nous aborderons des sujets avancés liés aux tests min-max des VCO, aux tests dans le domaine temporel et à la linéarité.
Comme le montre l’exemple PCI Express ci-dessous (figure 1), plusieurs circuits à boucle à verrouillage de phase (PLL) sont présents tant dans l’émetteur que dans le récepteur. Ces circuits sont essentiels pour garantir un fonctionnement sans erreur à des débits de données très élevés (par exemple 32 Gbps) tout en utilisant des topologies d’horloge relativement peu coûteuses. Considérées dans le « domaine de phase », ces boucles à verrouillage de phase se comportent essentiellement comme des filtres sélectifs en fréquence (H1, H2 et H3 sur la figure), laissant passer certaines bandes de « phase » et rejetant d’autres bandes de fréquence.
À proprement parler, les PLL sont des systèmes de filtrage non linéaires ; toutefois, il est possible de modéliser leur comportement sous forme de fonctions de transfert linéaires, comme le montre la figure 1. La théorie qui sous-tend ces fonctions de transfert est quelque peu complexe, et le point essentiel de cet article est que des paramètres tels que ωn et ζ sont essentiels au fonctionnement des liaisons SerDes numériques à des débits de plusieurs Gbps. Par exemple, un pic trop important (influencé par ζ) ou un décalage important de ωn entre les émetteurs et les récepteurs peut avoir un effet catastrophique sur les performances du taux d’erreur binaire (BER) de la liaison.
Pour effectuer la mesure du transfert de gigue, nous avons utilisé le testeur SerDes personnalisé SV1C. Le SV1C est idéal à cet effet, car il intègre des sources d’injection de gigue calibrées de haute précision, ainsi que des canaux de mesure de gigue en parallèle et des moteurs de post-traitement. L’intégration de toutes ces fonctions dans un instrument tenant dans la paume de la main offre une grande flexibilité pour analyser plusieurs fonctions de transfert dans des liaisons complexes telles que celles illustrées à la figure 1.
Plus précisément, et en se référant à la figure 3, le SV1C est utilisé pour exécuter automatiquement la séquence d’étapes suivante, illustrée sur la figure. Tout d’abord, des formes d’onde de gigue sinusoïdales étalonnées sont générées afin de servir de stimulus au PLL ou au CDR soumis à l’essai. Ensuite, la réponse du PLL à l’entrée sinusoïdale est mesurée. Cette réponse est elle-même généralement de nature sinusoïdale, bien que son amplitude et sa phase dépendent de la sélectivité en fréquence de la PLL testée. Enfin, Pinetree analyse automatiquement les ondes sinusoïdales de sortie et d’entrée conjointement dans le domaine fréquentiel, effectue un balayage automatisé sur la plage de fréquences cible et construit le résultat souhaité.
Le principe illustré à la figure 3 est extrêmement simple ; il est rendu possible grâce aux outils d’automatisation de Pinetree et à la disponibilité de sources de gigue polyvalentes et étalonnées dans le SV1C. Plus précisément, la gigue générée par le SV1C est déjà auto-étalonnée.
Ainsi, lorsqu’il est utilisé pour mesurer la réponse d’une boucle PLL, l’outil connaît déjà la forme d’onde de la gigue d’entrée de la PLL, ce qui permet un gain de temps considérable : auparavant, il fallait d’abord mesurer la source d’injection de gigue à l’aide, par exemple, d’un oscilloscope, avant d’appliquer cette gigue à la PLL et de mesurer sa sortie à l’aide du même oscilloscope.
Les résultats de l’exécution de la procédure de test illustrée à la figure 4 sont décrits dans cette section. La figure 5 présente la fonction de transfert complète d’une seule boucle PLL qui a été mesurée. Ce graphique a été généré automatiquement après l’exécution de la procédure de test. Comme on peut le constater, on observe une fonction passe-bas avec une fréquence à 3 dB d’environ 9 MHz. On constate également la présence d’un pic d’environ 1 dB autour de la fréquence de 2 MHz.
Il est important de noter que chaque cercle plein du graphique de la figure 5 correspond à une exécution explicite de la séquence d’entrée/sortie sinusoïdale décrite à la figure 3. Pour illustrer cela, nous présentons à la figure 6 des tracés en « baignoire » pour les signaux d’entrée et de sortie de la PLL à une itération de la boucle. Le signal d’entrée présente un lobe de gigue très large, caractéristique d’une gigue sinusoïdale ; en revanche, la sortie de la PLL présente un lobe beaucoup plus étroit, car la gigue est largement atténuée par la PLL à cette fréquence particulière. La procédure de test consistait simplement à analyser des résultats tels que ceux-ci pour tous les points du graphique de la figure 5.
Une fois le processus de collecte des fonctions de transfert de base décrit, nous pouvons désormais passer à des étapes de caractérisation bien plus poussées avec le SV1C sur d’autres appareils soumis aux tests.
La figure 7 présente les résultats des tests effectués sur un autre dispositif sur toute sa plage de fréquences VCO. La figure montre deux fonctions de transfert, l’une à la fréquence VCO minimale et l’autre à la fréquence VCO maximale. La bande passante et le pic de réponse sont tous deux légèrement modifiés, comme c’est généralement le cas avec les PLL à oscillateur en anneau. Cette figure a été obtenue en créant une boucle externe à la procédure de test de la figure 4, dans laquelle le composant `globalClockConfig.setup()` a été exécuté de manière itérative afin de générer des signaux de stimulation à différentes valeurs de fréquence.
La figure 8 illustre la réponse en fréquence d’un CDR. La fonction de transfert est désormais une fonction passe-haut, comme le montrent la forte atténuation aux basses fréquences et la faible atténuation aux hautes fréquences. Enfin, la figure 9 présente une mesure parallèle dans laquelle trois courbes sont enregistrées simultanément.
Dans cet article, nous avons utilisé le SV1C pour réaliser des tests de transfert de gigue rapides et très flexibles sur des circuits PLL et CDR. Vous pouvez également utiliser le testeur SerDes personnalisé SV2C pour ce test précis. Nous avons décrit l’importance des tests de transfert de gigue, le concept de mesure mis en œuvre et des procédures de test simples pour la collecte de données. Nous avons également abordé des thèmes d’analyse avancés, notamment la mesure dans le domaine temporel et la mesure parallèle.
Nous sommes toujours ravis de discuter de tout ce qui touche aux fonctions de transfert de jitter. Pour poursuivre la conversation, envoyez-nous un e-mail à l’adresse info@introspect.ca.
