FocusonPCB - Vicenza, 15-16 maggio 2024
Torna a Vicenza il 15 e 16 maggio 2024 Focus on PCB, la terza edizione della fiera dedicata all'intera filiera dei circuiti stampati. Nata dalla volontà del Gruppo PCB Assodel…
Questo articolo descrive come è stato progettato e caratterizzato un multiplexer 4:1 fabbricato in tecnologia SiGe bipolare da 0,13 μm e funzionante fino a 156 Gbit/s con un phase-locked loop (PLL) integrato sul chip.
A velocità di trasferimento dati così elevate, il controllo delle linee di distribuzione del clock è molto critico e impegnativo. La caratterizzazione del multiplexer 4:1 è altrettanto impegnativa a causa della larghezza di banda limitata degli oscilloscopi a campionamento e delle velocità di trasmissione dati limitate dei generatori di bit-pattern.
Per superare il problema, è stato adottato un metodo di caratterizzazione alternativo utilizzando un analizzatore di spettro ad onde millimetriche compatto.
Utilizzando lo strumento Anritsu MS2760A in una configurazione speciale a 125 GHz adatta per effettuare misure su wafer è stato possibile osservare lo spettro del multiplexer dalla continua fino a 125 GHz.
Le misure spettrali stanno diventando sempre più comuni nelle attività di progettazione elettronica, poiché le bande di frequenza disponibili sono sempre più sovraffollate da segnali di comunicazione. È palese la crescente necessità di disporre di strumenti di misura adatti ad affrontare progetti wireless bel al di sopra delle classiche applicazioni confinate nello spettro entro i 6 GHz.
Questi strumenti di misura avanzati stanno aiutando ad evitare il sovraffollamento spettrale e le interferenze, favorendo la coesistenza pacifica di questa moltitudine di segnali wireless utilizzata dai sistemi elettronici moderni.
Per affrontare queste sfide, Anritsu ha sviluppato un nuovo analizzatore di spettro ultra miniaturizzato, che soddisfa le esigenze di misura di un ambiente wireless in continua evoluzione, offrendo capacità di misura sensibili e accurate da 9 kHz a 110 GHz in un package da 280 g che può davvero stare in tasca (Fig.1).
Grazie alle ultime tecnologie derivate dal settore dei tablet/PC, l’analizzatore MS2760A consente di eseguire misure dello spettro semplici e sofisticate in laboratorio, o in ambienti correlati alla produzione o persino sul campo, ad esempio in attività di radiomonitoraggio dello spettro per rilevare i droni o per effettuare mappature della copertura di una rete.
Fig.1: Diagramma a blocchi dell’analizzatore di spettro miniaturizzato MS2760A ad onde millimetriche
Il package di dimensioni simili ad uno smartphone può essere ingannevole. La maggior parte degli utilizzatori di analizzatori di spettro è infatti abituata al grande display tradizionale e al maggiore peso di un tipico strumento portatile. Questo nuovo dispositivo sembra più simile ai dispositivi di comunicazione wireless commerciali che deve misurare.
Il package ultracompatto ospita un ricevitore radio altamente sensibile ad elevata gamma dinamica, che utilizza un'architettura tradizionale eterodina per frequenze fino a 6 GHz ed una tecnologia di campionamento per le frequenze fino a 110 GHz, basata sulla tecnica di misura con linee di trasmissione non lineari (NLTL) brevettata da Anritsu.
Un vantaggio delle dimensioni ultraportatili dello strumento è che si possono sfruttare le sue ottime prestazioni avvicinandolo il più possibile al dispositivo sotto test. Di conseguenza, l'utilizzo dei tradizionali cavi coassiali, che riducono le prestazioni e aggiungono complicazioni quando ci sono più connessioni, può essere evitato.
L'analizzatore offre una risoluzione della frequenza di sintonizzazione di 1 Hz e la possibilità di impostare valori arbitrari per le larghezze di banda del filtro di sintonia (RBW) e del filtro video (VBW).
L'ampia gamma dinamica dell’analizzatore MS2760A è abbinata a un'eccellente sensibilità e stabilita dalle prestazioni in termini di di rumore di fase e basso livello di rumore. Anche l'accuratezza dell'ampiezza è notevole, con un valore di ± 1 dB (tipico) su tutte le frequenze.
Utilizzando una connessione USB 3.0 ad alta velocità per collegare lo strumento a qualunque PC basato su Windows vengono abilitate tutte le funzioni di base dello strumento di analisi dello spettro, incluso lo spettrogramma e il funzionamento nel dominio del tempo (zero-span), fino ad un intervallo di tempo di 10 μs. È anche possibile gestire lo strumento tramite accesso remoto.
Un'altra differenza fondamentale nell'architettura dell'analizzatore di spettro MS2760A rispetto agli strumento tradizionali è il metodo utilizzato per convertire le misure nel dominio del tempo.
L’analizzatore MS2760A effettua un campionamento tramite un oscillatore locali fisso, a differenza dei tipici analizzatori di spettro che utilizzano un'oscillatore locale a scansione. Una volta che i campioni sono stati catturati e confrontati tramite un algoritmo avanzato di reiezione dell’immagine, il software di analisi dell’analizzatore MS2760A è in grado di calcolare la Fast Fourier Transform (FFT) della sequenza e ricavare lo spettro di potenza / frequenza.
Uno dei primi clienti ad utilizzare l’analizzatore di spettro MS2760A in un progetto scientifico è stato l'istituto EIM/HFE della Electronics University di Paderborn.
In questo caso particolare, il team del dottor Thiede è stato coinvolto nella progettazione e nella caratterizzazione di un multiplexer 4:1 funzionante fino a 156 Gbit/s con PLL integrato sul chip.
Il circuito è realizzato in tecnologia bipolare SiGe da 0,13 μm e può funzionare ad una velocità di trasmissione fino a 155 Gbit/s. A velocità così elevate, il controllo della distribuzione del clock on-chip è molto critico e impegnativo.
Fig. 2: Archittura base di un multiplexer 4:1La figura 2 mostra l'architettura di base del multiplexer 4:1.
È composto da tre multiplexer 2:1, di cui i primi stadi (i cosiddetti half-rate MUX) convertono i due flussi dai dati a 40 Gbit/s in un singolo flusso a 80 Gbit/s.
Il secondo dispositivo 2:1 (full-rate MUX) riprende le uscite a 80 Gbit/s di entrambi i multiplexer half-rate e le converte in un singolo flusso di dati a160 Gbit/s.
La completa caratterizzazione di tali multiplexer sta diventando sempre più complicata e impegnativa a velocità di trasmissione dati superiori ai 100 Gbit/s.
Diversi fattori come la larghezza di banda limitata degli oscilloscopi a campionamento e le velocità di trasmissione dati limitate dei generatori di bit pattern limitano la capacità di eseguire un test completo del multiplexer.
Di conseguenza, il progetto è stato verificando tenendo presente determinati presupposti e limitazioni.
Per effettuare questa caratterizzazione limitata del dispositivo, il multiplexer 4:1 è stato alimentato con un segnale di clock esterno da 80 GHz in condizioni di ingresso statico con livelli di tensione DC corrispondenti agli 1 e agli 0 alle quattro porte di ingresso dati A, B, C e D.
La porta di uscita del multiplexer è stata quindi misurata con una speciale versione a 125 GHz dell'analizzatore di spettro Anritsu MS2760A nelle seguenti condizioni di ingresso statico:
A causa delle limitazioni delle apparecchiature di test, il dispositivo è stato verificato stimolandolo con un segnale PRBS ad una frequenza di clock di 40 GHz (SHF 12104A). Il risultante segnale di uscita del multiplexer a 80 GHz è stato quindi misurato con un oscilloscopio a campionamento a 70 GHz.
Infine, per effettuarne la caratterizzazione completa è stata utilizzata un'architettura con clock PLL a 153,5 - 155 GHz e frequenza del master clock di 40 GHz. A causa delle limitazioni delle apparecchiature di test sopra menzionate, una caratterizzazione mediante un segnale PRBS non sarebbe stata possibile.
Pertanto, è stata nuovamente utilizzata la stessa configurazione statica. Le uscite multiplexer corrispondenti ai casi 1-3 sono mostrate nella figura 3 con un PLL integrato ed una velocità di trasmissione di 153,5 Gbit/s.
Fig 3: Spettro dell’uscita di un multiplexer 4:1 con un segnale clock di ingresso pari a 76.77 GHz
(a) A=B=1; C=D=0
(b) A=C=1; B=D=0
(c) A=B=C=D
Fig. 4: Analizzatore di Spettro MS2760APer effettuara la caratterizzazione ad altissima velocità di dati, la larghezza di banda limitata degli oscilloscopi a campionamento esistenti è un fattore limitante. Gli analizzatori di spettro tradizionali con mixer esterni possono funzionare, ma sono anche molto costosi e non sono utilizzabili facilmente per effettuare misure direttamente sui wafer.
L’analizzatore di spettro MS2760A, in una sua versione speciale da 125 GHz, si è invece dimostrato uno strumento di facile utilizzo per il test dello spettro a 160 Gbit/s, suggerendo che un modello da 145 GHz sarebbe utilizzabile per effettuare i test su componenti da oltre 250 Gbit/s.
*Ferdinand Gerhardes lavora per Anritsu EMEA
