Разработка высокоскоростных устройств и систем передачи данных

Курс повышения квалификации рассчитан на инженеров-схемотехников, а также системных инженеров, занимающихся разработкой высокоскоростных устройств.

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. Рассмотрены наиболее часто используемые буферы в современной электронике. Также рассмотрена 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. Рассмотрены 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 рассмотрены 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. Рассмотрены 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. Рассмотрены 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
- Недостаточный уровень верификации разработанного устройства приводит к затрате значительных временных ресурсов при отладке. Рассматриваются основные принципы моделирования печатных плат, а также систем.