Signalintegritätsmessplatz
Final Report Abstract
Das Großgerät Signalintegritäts-Messplatz besteht aus einem schnellen und breitbandigen Signalgenerator (AWG) und einem Echtzeit-Oszilloskop zur Signalanalyse. In den Forschungsprojekten, die weiter unten tabellarisch aufgelistet sind, wird der Signalintegritäts-Messplatz einerseits für die Realisierung von hochperformanten Hardware-Plattformen bestehend aus Komponenten wie rekonfigurierbare Hardware, schnellen Speicher-ICs, Massenspeicher, High-Speed Interfaces sowie Mixed-Signal Komponenten verwendet. Andererseits sind Entwurfskonzepte bezüglich der Aufbau- und Verbindungstechnik auf physikalischer Ebene wie die schnelle Charakterisierung komplexer Gbit/s- Verbindungen mit einer Vielzahl von Gbit/s-Verbindungsleitungen Gegenstand der Forschung. Insbesondere sind sehr hohe Bitraten bis in den 12 Gbit/s-Bereich und Signalbandbreiten in dem Bereich von 18-20 GHz charakteristisch für die Datenübertragung zwischen Komponenten der Hardware- Plattformen. Der Hardware-Entwurf mit einer Vielzahl solcher Gbit/s-Signale erfordert die Lösung vielfältiger Probleme auf physikalischer Ebene (z.B. Verkopplungen auf Signalleitungen und in die Stromversorgung über Board und Gehäuse). Dazu wird der Signalintegritäts-Messplatz in den Forschungsprojekten eingesetzt, indem Augendiagramme gemessen werden, die wesentliche Eigenschaften der untersuchten Signale grafisch zusammenfassen und eine schnelle Aussage über die prinzipielle Standardkonformität der Signale ermöglichen. Weiterhin werden mit dem Messplatz Flankensteilheiten von Signalen zur Fehlerdiagnose bestimmt, um Aussagen über die elektrischen Parameter zur Aufbau- und Verbindungstechnik bzw. ihrer elektrischen Parameter zu gewinnen. Darüber hinaus ist der Messplatz für Signal-Analysen unter Verwendung von Pre-Emphasis für lange Verbindungsleitungen wie beispielsweise über Backplanes bzw. für hohen Taktraten bei High-Speed Transceivern von FPGAs einsetzbar. Letztlich wurde der Messplatz für Signal-Jitter-Messungen, die zum Beispiel Aussagen über die maximal erreichbare Bit-Rate oder über die Stabilität der Stromversorgung liefern und Laufzeit-Messungen von Signalen verwendet. Generell wird also der Signalintegritäts-Messplatz für Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Signalintegrität sowie in Forschungsprojekten eingesetzt, in denen die oben beschriebenen Hardware-Plattformen mit GHz- oder Gbit/s-Signalen realisiert werden. In einem derzeit laufenden DFG-Projekt wird ein bildgebendes Echtzeit-Prozess-Analyse-System mit einer 12,8 Gbit/s-Schnittstelle zwischen zwei integrierten Schaltungen realisiert. Für das umfangreichste, derzeit durchgeführte Drittmittelprojekt zum Thema Signalintegrität wurde der Signalintegritäts-Messplatz für die notwendigen Vorarbeiten verwendet. Das Projekt basierend auf einem neuartigen Verfahren, das in den letzten Jahren von der Arbeitsgruppe des Antragstellers entwickelt wurde, hat zum Ziel insbesondere für unzugängliche Leitungsstrukturen ein Verfahren zur berührungslosen und breitbandigen Bestimmung von elektrischen Parametern auf Basis der Computertomographie (CT) zu realisieren. Grundprinzip des Verfahrens ist, dass mittels Computertomographie genaue geometrische Modelle von elektrischen Leitungsstrukturen für die EM-Simulation rekonstruiert werden können. Diese Modelle bilden die tatsächlich vorliegenden Leitungsstrukturen mit allen Fertigungseinflüssen ab. Zur Analyse des elektrischen Verhaltens auf Basis dieser Modelle können einfach durchzuführende elektromagnetische Feldsimulationen z. B. mit kommerzieller Software verwendet werden. Auf diese Weise ist auch die Einhaltung der elektrischen Spezifikation der Leitungsstrukturen durch auftretende Fertigungstoleranzen überprüfbar. Dieses Verfahren ist vorteilhaft einsetzbar sowohl zur Analyse von unzugänglichen Leitungsstrukturen als auch zur zerstörungsfreien Fehlerdiagnose von beliebigen Leitungsstrukturen in elektronischen Systemen. Der Signalintegritäts-Messplatz wird für dieses Verfahren dazu verwendet die elektrischen Parameter der verwendeten Materialien zu messen, die nicht mittels Computertomographie bestimmt werden. Dazu werden Signallaufzeiten und Flankensteilheiten von Teststrukturen bestimmt. Vorteilhaft ist in dem Zusammenhang, dass diese Messungen an beliebigen, einfach zugänglichen Stellen durchgeführt werden können, da nur elektrische Materialparameter bestimmt werden müssen und nicht die unzugängliche Leitungsstrukturen. Die erste Publikation dazu wurde auf einer Fachkonferenz im Silicon Valley mit 4000 Teilnehmern aus der Industrie und von Universitäten für einen Best Paper Award nominiert. An dem Institut für Nachrichtentechnik der Universität Stuttgart wurde der Signalintegritäts-Messplatz zur Charakterisierung an dem Institut realisierter, intergrierter Schaltkreise (ICs) verwendet. Dies waren ein Analog-Digital-Wandler (ADC) 36 GS/s 3 bit in 65nm CMOS, ein analoger Multiplexer in InP-Technologie, siehe Publikation Nr. 6 unter 2.4 und analoger Demultiplexer in InP-Technologie, siehe Publikation Nr. 1 unter 2.4. Das Echtzeit-Oszilloskop wurde bei der Charakterisierung des ADC dazu verwendet, die schnellen digitalen Ausgangsdaten aufzuzeichnen und anschließend auszuwerten, um die Gütefaktoren des ADC (effektive Auflösung, Bandbreite) zu ermitteln. Weiterhin wurde das Echtzeit-Oszilloskop dazu verwendet, die Ausgangssignale des analogen Multiplexers und des analogen Demultiplexers zu charakterisieren. Der Signal-Generator (AWG) wurde dazu verwendet, die Eingangssignale für den analogen Multiplexer und den analogen Demultiplexer zu erzeugen und damit die Charakterisierung dieser Schaltung zu ermöglichen.
Publications
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3D Computed Tomography for High-Speed Interconnect Characterization. DesignCon 2011, Santa Clara, California, USA, January 2011
J. Hillebrand, M. Wroblewski, S. Simon
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A 25 GHz Analog Multiplexer for a 50 GS/s D/A-Conversion System in InP DHBT Technology. IEEE Compound Semiconductor IC (CSIC) Symposium, Technical Digest, Kona, Hawaii, USA, October 16-19, 2011
Damir Ferenci, Markus Grözing, Manfred Berroth
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CAD Model Reconstruction of Solder Balls for the Computationally Efficient Electromagnetic Field Simulation. IEEE 20th Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems (EPEPS), San Jose, California, USA, October 2011
J. Hillebrand, S. KieG, Y. Wang, M. Wroblewski, S. Simon
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S-Parameter Extraction of Passive Sub-Circuits Using CT-Scans and Measured Substrate Material Parameters. 78th ARFTG Microwave Measurement Conference, Tempe, Arizona,USA, November 2011
J. Hillebrand, S. Kieß, M. Wróblewski, S. Simon
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A 25 GHz Analog Demultiplexer with a Novel Track and Hold Circuit for a 50 GS/s A/D-Conversion System in InP DHBT Technology. International Microwave Symposium (IMS), June 2012, Montreal Canada. Paper no. WE1F-6 0930
Damir Ferenci, Markus Grözing, Manfred Berroth, Robert Makon, Rachid Driad, Josef Rosenzweig
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A Memory-Efficient Parallel Single Pass Architecture for Connected Component Labeling of Streamed Images. Field-Programmable Technology (FPT), 2012 International Conference on 2012
M. Klaiber, L. Rockstroh, Z. Wang; Y. Baroud, S. Simon
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Investigation of polymerization and drying of polyvinylpyrrolidone in an acoustic levitator using a smart camera for online process measurement. 12th Triennial Internat. Conf. on Liquid Atomization and Spray Systems, Heidelberg, 2012
J. Laackmann, S. Ahmed, R. Sedelmayer, M. Klaiber, W. Pauer, S. Simon, and H.-U. Moritz
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Monitoring of collisions in fast droplet streams by real-time image processing with line sensors. 24th Conf. on Liquid Atomization and Spray System, ILASS-Americas 2012
Y. Baroud, S. Eggerstedt, M. Klaiber, R. Süverkrüp, S. Simon, and A. Lamprecht
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Online Imaging Analysis of Spray Processes Based on a Reconfigurable Embedded System. 10. Workshop über Sprays, Techniken der Fluidzerstäubung und Untersuchungen von Sprühvorgängen, Berlin, Mai 2012
M. Klaiber , S. Ahmed, Z. Wang, L. Rockstroh, Y. Gera, S. Simon
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S-Parameter Extraction of Bond Wires Based on EM Field Simulations of Computed Tomography-Generated 3D CAD Models. 16th IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Sorrento, Italy, May 2012
J. Hillebrand, S. Kieß, M. Wróblewski, S. Simon
