PCIe Chapter 20:發射端電氣條件與量測觀點

Tx(Transmitter,發送端)的電氣數值,必須和量測位置、參考時脈、速率及測試圖樣一起讀。這章從 Figure 8-1 的量測路徑開始,再把電壓、等化與抖動接到適用條件。

Tx 量測路徑與參考條件電氣量測先定義觀察點及時脈,再選相應速率與圖樣。Tx:待測發送端測試板引出通道量測設備:取得波形參考時脈條件依參數選擇後處理與參考點依參數、單位與註腳判讀訊號波形依架構供應後處理
作者繪製的量測關係圖;後處理依參數選擇,完整測法與例外須回到條目註記。

先把可量到的位置,接回規格的參考點

Figure 8-1 先看三個位置:DUT(Device Under Test,待測元件)的 Tx pin、板上的 Breakout Channel(把訊號引到接頭的通道),以及可供量測的 TP1。TP1 取得的波形包含這段通道的影響,和元件 pin 的波形不同。

再看同圖的 Replica Channel(用來重現引出通道特性的參考通道),以及它兩端的 TP2、TP3。這條通道用來協助建立 TP1 與元件 pin 的對應,並非 Tx 訊號接著流過的第二條串接路徑。§8.3.1.1 要求按所選參數處理參考點;其原則是電壓參數須還原到 pin,除非該處另有規定。

De-embedding 是依通道特性移除量測路徑影響的後處理。它不是從電壓或 jitter(訊號邊緣或脈寬的時間變化)直接減去一個固定數字。§8.3.5.2 還說明,此處理會放大高頻雜訊,因此須遵守適用的頻率與後處理規則。

讀報告時,先找待測元件與 Lane、速率、full/reduced swing、測試圖樣、參考時脈、量測位置及後處理。若報告只有「TP1 量到多少」,就先補足上述條件,再選參數比較。

Base 6.0 §8.3.1 Measurement Setup for Characterizing Transmitters、Figure 8-1 Tx Test Board for Non-Embedded Refclk(p.1318);§8.3.1.1 Breakout and Replica Channels(pp.1319–1320);§8.3.5.1–8.3.5.2(pp.1336–1337)。

時脈架構怎麼決定取樣與後處理?

Refclk(Reference Clock,參考時脈)是否由元件內部產生、能否在 DUT pin 量到,以及是否測試 SRIS(使用獨立展頻參考時脈的架構),會改變量測方式。先在 Table 8-5 選欄,再選列,最後才讀交叉儲存格;不要先認定所有 Tx 測試都只取資料波形。

本次選用的條件Table 8-5 的位置取樣與後處理
Non-Embedded Refclk;DUT pin 可取得 Refclk;不測 SRIS右欄、第一列1-port measurement,使用 CC CDR 與乾淨的外部 Refclk
Embedded Refclk;DUT pin 可取得 Refclk;不測 SRIS左欄、第一列2-port measurement,使用 CC CDR、PLL(見註 1)及 10 ns transport delay

CDR(Clock and Data Recovery,時脈與資料恢復)在這裡是後處理使用的規格模型;CC 表示 Common Clock。第二列的 2-port measurement 同步擷取 Tx 資料與 Tx Refclk,以移除兩者共有的時脈抖動;這項選擇和 D+、D− 是兩根導線不同。PLL(Phase-Locked Loop,鎖相迴路)的特性要依該速率的 Refclk 章節查,transport delay(傳輸延遲)則連到 §8.6.6,不能自行當成零。

若改為 Independent Refclk(IR,獨立參考時脈)模式,§8.3.5.3 規定使用 single-port jitter measurement,並選適合該架構的 model CDR。上表只帶讀 Table 8-5 的兩個指定組合,其餘條件須回完整表核對。DUT 若支援多種 Refclk 模式,也須依規格在各支援模式下測試。

Base 6.0 Figure 8-2 Tx Test board for Embedded Refclk(p.1319);§8.3.5.3 Independent Refclk Measurement and Post Processing、§8.3.5.4 Embedded and Non-Embedded Refclk Measurement and Post Processing、Table 8-5 Tx Measurement and Post Processing For Different Refclks(p.1338)。

先分清差分、單端與共模,再找電壓限制

先讀 §8.3.2 的定義,再看 Figure 8-3。D+、D− 各自相對參考電位的電壓是單端電壓;兩者相減得到差分電壓,兩者平均則是共模電壓。

VDIFF = VD+ − VD−;VCM = (VD+ + VD−) / 2。峰對峰值(peak-to-peak,以下單位寫作 mVPP)是同一個電壓量的最高值減最低值。Equation 8-1 的 VDIFFp-p = 2 × max|VD+ − VD−| 另有前提:差分擺幅必須對稱。先確認這項前提,才可用乘二的簡式。

Figure 8-3 的用途是把三條曲線放在一起,讓讀者看懂它們的關係。它不是「讀出任一曲線高度,就能直接和 Tx 電壓上限比較」的圖。正式測法還要接 §8.3.3.6 或 §8.3.3.7,再回 Table 8-6 選速率、參數與單位。

Base 6.0 §8.3.2 Voltage Level Definitions、Equations 8-1 VDIFFp-p 與 8-2 VTX-AC-CM-PP(p.1320);Figure 8-3 Single-ended and Differential Levels(p.1321)。

單端 450 mVPP,為什麼對應差分 900 mVPP?

【模擬資料】以下資料為教學用途建立,不代表特定硬體或平台。觀察待測 Endpoint 的一條 Tx Lane,訊號由 DUT 輸出到 TP1;速率為 5.0 GT/s、full swing(完整擺幅),使用 Non-Embedded Refclk、乾淨外部時脈,且不測 SRIS。依前表採 1-port measurement 與 CC CDR。假設接上適用的 compliance test load,並已完成差分電壓所需的通道還原。

§8.3.3.6 在 2.5/5.0 GT/s 要使用 500 次 Compliance Pattern(符合性測試圖樣),於 0.5 UI 位置取平均 transition eye amplitude(訊號跳變時的眼高)。以下是按此前提整理的理想化代表電壓;只用來說明幅度關係,不模擬邊緣、過衝或雜訊。UI(Unit Interval)是此處的訊號時間單位,0.5 UI 是規定的取樣位置。

互補的兩個代表狀態D+(mV)D−(mV)VDIFF(mV)VCM(mV)
H825375+450600
L375825−450600

H 狀態下,差分為 825 − 375 = +450 mV;L 狀態則為 375 − 825 = −450 mV。因此差分峰對峰為 +450 − (−450) = 900 mVPP。D+ 自己只在 375 與 825 mV 之間變化,單端峰對峰是 450 mVPP;D− 也相同。兩個狀態的共模都是 600 mV,它是平均電位,不是差分擺幅。

作者案例中的單端電壓與差分電壓互補的825與375mV單端電壓形成正負450mV差分電壓;差分峰對峰900mV,共模600mV。單端:D+ 實線/D− 虛線825 mV375 mV450mVPP差分:D+ − D−+450 mV0 mV−450 mV900mVPPVCM = (D+ + D−) / 2 = 600 mV
作者繪製的理想化波形,不按時間比例;省略上升/下降時間與雜訊。上下圖使用各自標示的電壓尺度,不能把共模 600 mV 當成差分的零點。

找到參數列之後,還要把 Note 3 接回測法

接著翻到 Table 8-6 的 VTX-DIFF-PP 列,選 5.0 GT/s 欄。這列描述 full swing 的差分峰對峰 Tx voltage swing,範圍是 800–1000 mVPP;旁邊 Note 3 要求回到 §8.3.3.6/§8.3.3.7 核對測法。因此,本例應以 900 mVPP 比較,而非拿 D+ 的 450 mVPP 比較。

在已列明的量測假設下,900 mVPP 落在這一項的範圍內。這個結論只涵蓋本次差分擺幅;Tx 的 jitter、共模雜訊、等化及其他條目仍需各自量測。兩個代表狀態都算出 600 mV,也不足以證明完整波形沒有 AC 共模雜訊。

若量測模式改為 reduced swing(低擺幅),就要讀另一列 VTX-DIFF-PP-LOW。兩列在本版的最大值同為 1000 mVPP,但最小值不同,不能只抄上限而省略輸出模式。

Base 6.0 §8.3.3.6 Method for Measuring VTX-DIFF-PP at 2.5 GT/s and 5.0 GT/s(p.1326);Table 8-6 Data Rate Dependent Transmitter Parameters 的兩個差分擺幅條目(p.1348)、Note 3(p.1351)。

升速之後,電壓與 Preset 要換哪一套讀法?

2.5/5.0 GT/s 的 Tx equalization 只有 de-emphasis(去加重),測量要依 §8.3.3.1/§8.3.3.4 的 transition(跳變)與 non-transition(未跳變)的平均眼高比值。升到 8.0、16.0、32.0 或 64.0 GT/s 後,改用係數與 preset(預先定義的等化組合)控制,不能把前例兩個代表電壓當成完整 preset 測試。

§8.3.3.7 的擺幅測法要求關閉適用的前後游標等化係數,在 Compliance Pattern 的低頻區段量測:8.0/16.0/32.0 GT/s 使用 64 個零與 64 個一;64.0 GT/s 則使用 64 個 PAM4 level 0 與 64 個 level 3。再依規則選每半週期末端的量測區域,並對 500 次重複取平均。

PAM4
Pulse Amplitude Modulation with 4 levels,四階脈衝振幅調變

如果要確認 preset 本身,查 Figure 8-7:一條路徑擷取已等化的輸出,另一條路徑擷取未等化的輸出,再由後處理套用係數重建,找出兩者誤差最小的係數。Table 8-1 適用 8.0/16.0/32.0 GT/s,Table 8-2 適用 64.0 GT/s;它們用比值與容許範圍定義 preset,係數大小也不直接等於輸出電壓大小。

這樣就能接回 Chapter 19:Link 上交換的是設定要求,這裡量的是該設定實際形成的輸出。設定已要求、訓練已結束與電氣條目已通過,仍須分別確認。

Base 6.0 §8.3.3.1–8.3.3.3(pp.1321–1323);Tables 8-1、8-2(pp.1324–1325);§8.3.3.4–8.3.3.7、Figure 8-7 Methodology for measuring Tx equalization coefficients and presets(pp.1325–1326)。

量 jitter 時,先用待測項目選圖樣

Jitter(邊緣或脈寬的時間變化)的數值還取決於圖樣、等化與後處理。先讀 §8.3.5 的適用規則,再選 Table 8-6 的參數列;不要把各種 jitter 都縮成同一個數字。

速率與待測內容§8.3.5 指定的圖樣Tx 等化條件
2.5/5.0 GT/s jitterCompliance Pattern,依規定的 zero-crossing 處理依該速率適用的 de-emphasis 設定
8.0/16.0 GT/s jitterCompliance Pattern,依規定的 zero-crossing 處理應選出最低 jitter 的 preset
32.0 GT/s jitterJitter Measurement Pattern必須無 Tx equalization
64.0 GT/s uncorrelated total jitter 與 deterministic jitterJitter Measurement Pattern,涵蓋四階 PAM4 的十二種轉換必須無 Tx equalization
64.0 GT/s uncorrelated total pulse width jitter 與 deterministic pulse width jitterHigh Swing Toggle Pattern,量 level 0 與 level 3 的轉換必須無 Tx equalization
PAM4
Pulse Amplitude Modulation with 4 levels,四階脈衝振幅調變

32.0 與 64.0 GT/s 的 Tx jitter 量測,示波器最低頻寬要求為 50 GHz;64.0 GT/s 另建議使用規定的 4th-order Bessel-Thomson filter,於 33 GHz 衰減 3 dB。頻寬要求與濾波建議的規範強度不同,記錄條件時要保留這個差別。

§8.3.5 要求量測某一條 Tx Lane 時,其他 PCIe Lanes 送出 Compliance Pattern,以納入晶片與封裝的串擾;也要求 DUT 啟動正常系統情境會使用的盡可能多的輸出。這比 §8.3.1 的一般量測環境介紹更具體,實際程序要回到當前待測項目的要求。

最後再核對參考點。Table 8-6 中 VTX-AC-CM-PP 與 VTX-AC-CM-PP-filtered 明確註記共模雜訊分析不做 de-embedding,正是「除非另有規定」的例外。它們不是 jitter 參數,也不能直接沿用前例差分擺幅的後處理。報告若只寫「全部還原到 pin」,仍須逐項確認是否符合該列的規則。

Base 6.0 §8.3.5 Tx Jitter Parameters(p.1336)、§8.3.5.1–8.3.5.2(pp.1336–1338);Table 8-6 共模電壓兩列與註記(p.1350)。此處示範條件選擇,並非完整符合性測試程序。

版本與來源

本章以 PCI Express Base Specification Revision 6.0(6.0-1.0-PUB)為準;所列文件印刷頁碼與 PDF 檢視器頁碼相同。案例已標明理想化電壓與量測假設,並非特定裝置的實測或合規證明。

本章閱讀位置與用途
  • §8.3.1、Figures 8-1/8-2(pp.1318–1319);§8.3.1.1(pp.1319–1320):量測接點、Breakout/Replica Channel 及參考點。
  • §8.3.2 Voltage Level Definitions、Equations 8-1/8-2(p.1320);Figure 8-3(p.1321):單端、差分與共模定義。
  • §8.3.3 Tx Voltage Parameters 與 §8.3.3.1–8.3.3.7(pp.1321–1326);Tables 8-1/8-2、Figure 8-7:各速率的擺幅、等化與 preset 測法。
  • §8.3.5 Tx Jitter Parameters 及 §8.3.5.1–8.3.5.5(pp.1336–1338);Table 8-5(p.1338):圖樣、量測環境、時脈取樣與後處理。PLL 與 transport delay 的完整定義依表內連到相應 Refclk 章節與 §8.6.6,本章不展開其演算法。
  • §8.3.6 Data Rate Dependent Parameters、Table 8-6(p.1347 起):本例使用 p.1348 的差分擺幅列與 p.1351 的 Note 3;p.1350 的 AC 共模條目帶讀不做 de-embedding 的例外。
Jia-Chang

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