Análisis de osciloscopios en tiempo real para medidas de 28/32 Gbps SERDES

Con las recientes innovaciones en el ancho de banda de los osciloscopios en tiempo real, las tecnologías que antes solo podían conseguirse utilizando un osciloscopio de muestreo hoy en día pueden manipularse con osciloscopios en tiempo real. Los osciloscopios en tiempo real no solo han superado la barrera de los 60 GHz de ancho de banda, sino que siguen mejorando sus prestaciones de medida. Aunque todavía no tienen un nivel de ruido y jitter tan bajo como el de los osciloscopios de muestreo con base de tiempos de precisión, han reducido la gran diferencia que había antes en cuanto a integridad de la señal.

Por consiguiente, los usuarios de osciloscopios que hasta ahora solo utilizaban osciloscopios de muestreo ya pueden darle una oportunidad a los osciloscopios en tiempo real. Estos osciloscopios ofrecen la ventaja de realizar medidas en una única adquisición, y pueden capturar milisegundos de datos en esa adquisición única, lo que proporciona más flexibilidad para afrontar las tareas de depuración. Los principales inconvenientes suelen ser el coste (el precio de los osciloscopios en tiempo real puede duplicar el de los de muestreo) y una integridad de señal ligeramente inferior (es decir, un nivel mayor de ruido y jitter). Muchos diseñadores consideran que la ventaja que aporta un osciloscopio en tiempo real es muy atractiva, sobre todo para diseñar señales de 28 y 32 Gbps. Apostar por un osciloscopio en tiempo real quizá sea la decisión adecuada. Sin embargo, es importante saber utilizarlos bien para maximizar los márgenes de diseño en los diseños de 28 y 32 Gbps.

Probablemente, la característica más importante de un osciloscopio sea su ancho de banda. Para representar correctamente un flanco, debe disponer del ancho de banda adecuado. Durante años se ha utilizado una sencilla regla empírica para establecer si un osciloscopio disponía del ancho de banda suficiente: debía permitir capturar el quinto armónico. Evidentemente, en el caso de las señales de 28 y 32 Gbps, esta regla le indicaría que necesita, como mínimo, un ancho de banda de 70 GHz. Pero la realidad nos ha revelado que la regla del quinto armónico no es aplicable a las señales de 28 y 32 Gbps. Lo interesante de estas señales SERDES de alta velocidad es que suelen presentar tiempos de subida más lentos y, por tanto, menos contenido de alta frecuencia. El ancho de banda del osciloscopio también es importante para digitalizar correctamente el tiempo de subida de la señal. Si una señal tiene un tiempo de subida de 40 ps (10/90), bastará con un ancho de banda de 16 GHz. Con 40 ps de tiempo de subida, el primer armónico es todo el contenido de frecuencia existente. La Figura 2 muestra el contenido de alta frecuencia de una señal típica de 25 Gbps.

Huelga decir que no todas las señales de 28 y 32 Gbps tienen tiempos de subida tan lentos, de 40 ps, por lo que es importante contar con más ancho de banda. Cuanto más rápidos son los tiempos de subida, más ancho de banda de osciloscopio se necesita. Por ejemplo, un tiempo de subida de 20 ps podría tener el contenido de armónicos en el tercer armónico. Esto exigiría que el osciloscopio en tiempo real tuviera un ancho de banda de 50 GHz. Si los tiempos de subida se aceleran hasta situarse por debajo de los 10 ps, la regla empírica del quinto armónico cobra validez, puesto que el contenido de armónicos disponible se situaría por encima de los 70 GHz (véase la Figura 3, donde aparece representado un tiempo de subida de 15 ps de un dispositivo de 28 Gbps). Hay que recordar que el contenido de frecuencia de la señal alcanza valores superiores a los 40 GHz.

Cabe destacar que uno de los requisitos que se exige de los dispositivos de alta velocidad es que minimicen la potencia. Desafortunadamente, para que un dispositivo ofrezca tiempos inferiores a 10 ps, necesita muchísima potencia. En el caso de las señales de 28 y 32 Gbps, obtener una baja potencia es más importante que conseguir tiempos de subida rápidos. Esto significa que un ancho de banda de 50 GHz es más que suficiente para probar la mayoría de los dispositivos SERDES de alta velocidad.

Tal como se ha mencionado en la introducción, los osciloscopios de muestreo ofrecen un nivel de ruido menor que los osciloscopios en tiempo real y, en función de la configuración de escala completa del dispositivo, la diferencia puede ser considerable. En consecuencia, al utilizar un osciloscopio en tiempo real es sumamente importante su nivel de ruido. En muchos aspectos, es casi tan importante como el ancho de banda que ofrezca. El ruido del osciloscopio erosiona los márgenes; cuanto mayor es el nivel de ruido del osciloscopio, más posibilidades hay de que este acabe influyendo en la medida.

Puesto que las velocidades de transmisión de datos siguen disminuyendo, el intervalo de unidades de la señal es cada vez más pequeño, lo que significa que los márgenes son menores. Los usuarios de osciloscopios no pueden permitirse una erosión de los márgenes derivada del ruido del instrumento. Si el ruido del osciloscopio es superior al ruido del sistema objetivo, se convertirá en la principal fuente de jitter y cierre del ojo. Los diseñadores que pasan gran parte de su tiempo asegurándose de que sus chips funcionen a la perfección no están dispuestos a aceptar que sus medidas y sus decisiones se basen en el ruido del osciloscopio en lugar de en el diseño en sí. Por tanto, una combinación adecuada de ancho de banda y bajo nivel de ruido debe ser un factor de peso a la hora de decidir qué osciloscopio en tiempo real comprar. Por ejemplo, el DSAX96304Q de Agilent incorpora 63 GHz de ancho de banda en tiempo real y el nivel de ruido más bajo del mercado, con 3,3 mVrms a 50 mV/div y 63 GHz. Cuando se toman medidas de 28 Gbps, se puede mejorar el nivel de ruido del osciloscopio utilizando la cantidad adecuada de ancho de banda. A causa del ruido de alta frecuencia, cuanto mayor es el ancho de banda de un osciloscopio, más elevado es su nivel de ruido. El osciloscopio DSAX96304Q de Agilent registra un ruido de 3,3 mVrms a 63 GHz, que desciende a 2,2 mVrms a 33 GHz, por lo que el ruido del osciloscopio aumenta un 50% como consecuencia del contenido de alta frecuencia. Tal como hemos comentado antes, las señales de 28 y 32 Gbps suelen tener tiempos de subida más lentos y muy poca energía de alta frecuencia por encima de los 30 GHz.

Asimismo, los osciloscopios incorporan una función llamada limitador del ancho de banda que permite escoger el ancho de banda del osciloscopio. Si se elige el ancho de banda correcto del osciloscopio, se puede eliminar el exceso de ruido y ampliar los márgenes de diseño.

Por regla general, el ruido repercutirá en la altura del ojo, y puede influir en medidas como el jitter. No obstante, en el caso de las señales de 28 y 32 Gbps, son muchas las especificaciones clave que dependen del jitter. En la mayoría de los casos, el jitter debe medirse en patrones muy largos, como PRBS23 y PRBS31. Medir especificaciones de jitter como el jitter total, el jitter aleatorio y el jitter determinista con patrones largos es una tarea ardua para los osciloscopios de altas prestaciones. Estos incorporan dos especificaciones de hardware fundamentales que resultan muy útiles para tomar medidas de 28 y 32 Gbps. La primera es el jitter de reloj de muestreo y la segunda se llama nivel base de medida de jitter. El jitter de reloj de muestreo es lo que suele llamarse «jitter intrínseco», e indica lo bien que alinea muestras el sistema de reloj de un osciloscopio. Cada osciloscopio de altas prestaciones incorpora un reloj interno que alinea los puntos de datos del osciloscopio.

El reloj interno vincula el convertidor de analógico a digital (ADC) con el muestreador y el controlador de memoria. El jitter de reloj de muestreo contribuye al nivel base de medida de jitter. El reloj interno del osciloscopio se estresa con patrones largos para separar correctamente el jitter aleatorio del jitter determinista. Para ello, el osciloscopio precisa una memoria muy profunda, y la memoria profunda estresa el reloj interno. El reloj interno estresado puede desincronizarse y extraviar muestras importantes. Esta pérdida de muestras se traduce en un mayor jitter aleatorio, no del dispositivo del diseñador, sino del osciloscopio. Los diseñadores de osciloscopios deben utilizar relojes tremendamente precisos que mantengan un jitter de reloj de muestreo bajo incluso cuando el reloj se ve estresado por la memoria profunda. Por ejemplo, el DSAX96204Q de Agilent incorpora un lazo de enganche de fase (PLL) multinivel con muestreo entrelazado. La principal referencia de tiempo a largo plazo procede de una de las dos fuentes siguientes que el usuario puede elegir: un OCXO (oscilador de cuarzo de alta resistencia) de 10 MHz interno o la señal de referencia de 10 MHz externa proporcionada por el cliente. Este osciloscopio de Agilent presenta los tiempos más rápidos del mercado, con un jitter de reloj de muestreo de tan solo 75 fs.

Por último, para medir con precisión el jitter en patrones largos, se necesita más memoria. Cuanto más profundo es el osciloscopio y más preciso es su reloj de muestreo, más precisión se obtendrá en la descomposición del jitter con los patrones PRBS23 y PRBS31. Un patrón PRBS23 tiene 8,4 millones de bits; a 28 Gbps y 160 Gmuestra/s, un osciloscopio debe disponer como mínimo de 50 Mpts de datos para capturar un único patrón. Sin embargo, lo mejor es capturar más de un patrón con una única adquisición.

Justo en ese caso es cuando una memoria más profunda es sinónimo de mayor precisión. Los osciloscopios como el de la Serie 90000 Q, con sus 2 Gpts de datos, tienen la profundidad de memoria necesaria para este análisis.

En los últimos años, los osciloscopios en tiempo real han comenzado a incluir herramientas de análisis más avanzadas como parte de su interfaz de usuario o para aplicaciones de pago. Entre estas herramientas se incluyen la capacidad de separar jitter, desintegrar, ecualizar una señal y observar una transformada rápida de Fourier (FFT). Estas herramientas permiten medir señales de 28 Gbps. Por ejemplo, algunas de las medidas necesarias para satisfacer la norma Common Electrical Interface (CEI) de 28 Gbps son las siguientes: velocidad de transmisión, tiempo de subida, tiempo de bajada, tensión diferencial de salida, tensión del modo común de salida, jitter gaussiano no acotado y no correlacionado, jitter total y distorsión del ciclo de trabajo. Todas estas medidas pueden llevarse a cabo con un osciloscopio en tiempo real. Es posible que no baste con limitarse a tomar las medidas. Tal como ya se ha dicho, uno de los dilemas de los osciloscopios en tiempo real es que presentan un ruido más elevado que los osciloscopios de muestreo. Una herramienta que está cobrando cada vez más popularidad entre los proveedores de osciloscopios en tiempo real es la capacidad de calibrar el ruido y el jitter del osciloscopio. Otra herramienta esencial es la posibilidad de fijar el jitter aleatorio en las medidas de jitter. Fijar el jitter aleatorio conlleva que, con independencia de lo rápido que sea el tiempo de subida (que afecta a la cantidad de jitter provocado por el osciloscopio), se pueda hacer caso omiso del mayor jitter del osciloscopio. Además, el jitter aleatorio fijo permite depurar situaciones de diafonía.

Los osciloscopios en tiempo real pueden ser una herramienta eficaz para medir dispositivos de 28 y 32 Gbps. Es importante conocer las concesiones de un osciloscopio en tiempo real que puede realizar las medidas más precisas. Si se utiliza correctamente, un osciloscopio en tiempo real representará el dispositivo con precisión y ofrecerá la flexibilidad que se necesita en un único sistema de adquisición.