published_or_final_version / Electrical and Electronic Engineering / Doctoral / Doctor of Philosophy

Uma das características mais marcantes das gerações atuais é a necessidade por armazenar e acessar cada vez mais informação em dispositivos cada vez menores. O desenvolvimento de tais equipamentos é, por si só, uma área de conhecimento incrivelmente especializada e que possui desafios que flertam a todo o instante com os limites da física. Um deles são interações entre circuitos conhecidas como interferências eletromagnéticas EMI (do inglês ElectroMagnetic Interference) e seu comportamento é estudado e combatido através de uma área conhecida como Integridade de Sinais. Neste cenário, esta dissertação tem por objetivo trazer ao leitor uma introdução ao mundo da Integridade de Sinais, desenvolvendo didaticamente modelos utilizados em cálculos de robusteza à interferência eletromagnética. É objetivo, também, apresentar e avaliar os trabalhos acadêmicos mais atuais da área, agregando valor comercial aos mesmos por aplicá-los a um projeto comercial típico e comparar com resultados experimentais. Quando da introdução à aplicação comercial que seria utilizada nos testes, expansões ao modelo de interconexões simples que se fazem necessárias em ambientes de múltiplas linhas de transmissão são expostas. Finalmente, análises de integridade de sinal foram feitas em um par diferencial de interconexões. Sua resposta foi analisada em um espectro de freqüência que variou de aproximadamente 0GHz até 10GHZ. Para efeitos de comparação, juntamente com as medidas efetuadas em uma placa prototipada e as simulações obtidas com a aplicação do modelo alvo, também foram feitos testes utilizando o ADS, uma ferramenta largamente utilizada no estudo de integridade de sinal de projetos eletrônicos. Conforme dito na análise dos resultados, é possível concluir que o modelo sob avaliação apresenta um resultado de alta confiabilidade para freqüências relativamente baixas. Conforme as freqüências ultrapassaram 4GHz, entretanto, desvios, possivelmente produzidos por pequenas variações nos valores calculados para indutâncias e capacitâncias mútuas, afetam significativamente a qualidade e veracidade do cálculo. / One of the most striking characteristics of current generations is the need for store and access more and more information and always smaller devices. The development of such equipment is a highly specialized area of knowledge and its challenges flirt with physics limits all the time. One of those challenges regards the interactions between electronic circuits known as Electromagnetic Interference (EMI). Its behavior is studied and mitigations of it are researched by an area called Signal Integrity (SI). Given this scenario, the present dissertation aims to bring the reader to the world of Signal Integrity. It accomplishes that by means of didactically present models used on EMI hardness calculations. It is also a goal to present and evaluate one of the SI’s most recent academic researches, while adding commercial value to it. The models are applied on a typical commercial design and the results are compared with measurements. Finally, expansions to the target model are presented to make capable of handle multi interconnections environments. SI analyses were performed on a differential pair. Its response was analyzed in the frequency domain from near 0GHz up to 10GHz. The measurements performed on a prototyped board, the simulation of the model, and results obtained through ADS simulations were also performed. As it is presented in results section, it is possible to conclude that the model under evaluation presents high reliability results for low frequencies. However, as frequencies become higher than 4GHz, deviations, probably caused by small variations on mutual capacitance and inductance calculations, significantly affect the quality and correctness of results.

abstract: The increase in computing power has simultaneously increased the demand for input/output (I/O) bandwidth. Unfortunately, the speed of I/O and memory interconnects have not kept pace. Thus, processor-based systems are I/O and interconnect limited. The memory aggregated bandwidth is not scaling fast enough to keep up with increasing bandwidth demands. The term "memory wall" has been coined to describe this phenomenon. A new memory bus concept that has the potential to push double data rate (DDR) memory speed to 30 Gbit/s is presented. We propose to map the conventional DDR bus to a microwave link using a multicarrier frequency division multiplexing scheme. The memory bus is formed using a microwave signal carried within a waveguide. We call this approach multicarrier memory channel architecture (MCMCA). In MCMCA, each memory signal is modulated onto an RF carrier using 64-QAM format or higher. The carriers are then routed using substrate integrated waveguide (SIW) interconnects. At the receiver, the memory signals are demodulated and then delivered to SDRAM devices. We pioneered the usage of SIW as memory channel interconnects and demonstrated that it alleviates the memory bandwidth bottleneck. We demonstrated SIW performance superiority over conventional transmission line in immunity to cross-talk and electromagnetic interference. We developed a methodology based on design of experiment (DOE) and response surface method techniques that optimizes the design of SIW interconnects and minimizes its performance fluctuations under material and manufacturing variations. Along with using SIW, we implemented a multicarrier architecture which enabled the aggregated DDR bandwidth to reach 30 Gbit/s. We developed an end-to-end system model in Simulink and demonstrated the MCMCA performance for ultra-high throughput memory channel. Experimental characterization of the new channel shows that by using judicious frequency division multiplexing, as few as one SIW interconnect is sufficient to transmit the 64 DDR bits. Overall aggregated bus data rate achieves 240 GBytes/s data transfer with EVM not exceeding 2.26% and phase error of 1.07 degree or less. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2018

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:32Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-01-25Bitstream added on 2014-06-13T19:08:05Z : No. of bitstreams: 1 santos_e_me_ilha.pdf: 1368879 bytes, checksum: 71b1b0b9b0a4e6adeb9504322df06ea2 (MD5) / A alta confiabilidade e velocidade de operação (altas frequências de clock) são elementos essenciais para equipamentos eletrônicos. Com o incremento da velocidade de operação dos circuitos em placas de circuitos impressos (PCI), o comprimento de onda torna-se comparável ao comprimento das interconexões. Isso implica que a análise dos circuitos seja feita em termos de linha de transmissão. A partir desse fato, efeitos indesejáveis como a falha na integridade do sinal (IS) podem ocorrer como, por exemplo, o ruído crosstalk. Este problema de integridade de sinal pode trazer sérios danos ao funcionamento de uma placa de circuito impresso. É importante que tal falha seja solucionada na fase inicial do projeto, uma vez que a correção do mesmo se torna mais simples e menos custosa. Com efeito, alguns artifícios computacionais foram utilizados para tentar medir problemas de integridade de sinal do tipo crosstalk, visto que, sem tais ferramentas seriam necessários cálculos avançados que causariam lentidão no processo. Este trabalho mostra as análises e os resultados obtidos na simulação do ruído crosstalk. Os resultados estão baseados em três estudos de casos, levando em consideração os estágios de desenvolvimento da placa (inicial ou final) e também da complexidade da PCI em estudo. O primeiro estudo compara duas PCI’s com densidades de componentes diferentes. Posteriormente foi estudada a integridade de sinais de duas linhas impressas, microstrip e stripline. Por fim foi feita uma análise de uma PCI utilizada em uma central telefônica verificando a medida do ruído crosstalk na placa / The high reliability and operating speed (high clock frequencies) are essential elements for electronic equipment. With the increase in the speed of operation of the circuits on printed circuit boards (PCB), the wavelength becomes comparable to the length of interconnections. This implies in the circuit analysis being then made in terms of transmission line. From this fact, undesirable effects such as failure to signal integrity (SI) may occur, for example, the crosstalk noise. This problem of signal integrity can bring serious harm to the functioning of a printed circuit board. It is important that such failure is remediated in the initial phase of the project, since the correction becomes even simpler and less costly. In fact, some computational tricks were used to try to measure integrity issues of crosstalk-type signal, because without such tools, advanced calculations, which would cause delays in the process, would be needed. This work shows the analyses and results obtained during the tests using crosstalk noise simulation. The results are based on three case studies, taking into account the stages of development of the plate (initial or final) and also the complexity of PCI in study. The first study compares two PCBs with densities of different components. Later was studied the integrity of signals of two kinds of printed lines, microstrip and stripline. Finally an analysis was made of a PCI used in a central office verifying the extent of crosstalk noise on the board

Orientador: Ailton Akira Shinoda / Banca: Sérgio Kurokawa / Banca: Valtemir Emerencio do Nascimento / Resumo: A alta confiabilidade e velocidade de operação (altas frequências de clock) são elementos essenciais para equipamentos eletrônicos. Com o incremento da velocidade de operação dos circuitos em placas de circuitos impressos (PCI), o comprimento de onda torna-se comparável ao comprimento das interconexões. Isso implica que a análise dos circuitos seja feita em termos de linha de transmissão. A partir desse fato, efeitos indesejáveis como a falha na integridade do sinal (IS) podem ocorrer como, por exemplo, o ruído crosstalk. Este problema de integridade de sinal pode trazer sérios danos ao funcionamento de uma placa de circuito impresso. É importante que tal falha seja solucionada na fase inicial do projeto, uma vez que a correção do mesmo se torna mais simples e menos custosa. Com efeito, alguns artifícios computacionais foram utilizados para tentar medir problemas de integridade de sinal do tipo crosstalk, visto que, sem tais ferramentas seriam necessários cálculos avançados que causariam lentidão no processo. Este trabalho mostra as análises e os resultados obtidos na simulação do ruído crosstalk. Os resultados estão baseados em três estudos de casos, levando em consideração os estágios de desenvolvimento da placa (inicial ou final) e também da complexidade da PCI em estudo. O primeiro estudo compara duas PCI's com densidades de componentes diferentes. Posteriormente foi estudada a integridade de sinais de duas linhas impressas, microstrip e stripline. Por fim foi feita uma análise de uma PCI utilizada em uma central telefônica verificando a medida do ruído crosstalk na placa / Abstract: The high reliability and operating speed (high clock frequencies) are essential elements for electronic equipment. With the increase in the speed of operation of the circuits on printed circuit boards (PCB), the wavelength becomes comparable to the length of interconnections. This implies in the circuit analysis being then made in terms of transmission line. From this fact, undesirable effects such as failure to signal integrity (SI) may occur, for example, the crosstalk noise. This problem of signal integrity can bring serious harm to the functioning of a printed circuit board. It is important that such failure is remediated in the initial phase of the project, since the correction becomes even simpler and less costly. In fact, some computational tricks were used to try to measure integrity issues of crosstalk-type signal, because without such tools, advanced calculations, which would cause delays in the process, would be needed. This work shows the analyses and results obtained during the tests using crosstalk noise simulation. The results are based on three case studies, taking into account the stages of development of the plate (initial or final) and also the complexity of PCI in study. The first study compares two PCBs with densities of different components. Later was studied the integrity of signals of two kinds of printed lines, microstrip and stripline. Finally an analysis was made of a PCI used in a central office verifying the extent of crosstalk noise on the board / Mestre

Uma das características mais marcantes das gerações atuais é a necessidade por armazenar e acessar cada vez mais informação em dispositivos cada vez menores. O desenvolvimento de tais equipamentos é, por si só, uma área de conhecimento incrivelmente especializada e que possui desafios que flertam a todo o instante com os limites da física. Um deles são interações entre circuitos conhecidas como interferências eletromagnéticas EMI (do inglês ElectroMagnetic Interference) e seu comportamento é estudado e combatido através de uma área conhecida como Integridade de Sinais. Neste cenário, esta dissertação tem por objetivo trazer ao leitor uma introdução ao mundo da Integridade de Sinais, desenvolvendo didaticamente modelos utilizados em cálculos de robusteza à interferência eletromagnética. É objetivo, também, apresentar e avaliar os trabalhos acadêmicos mais atuais da área, agregando valor comercial aos mesmos por aplicá-los a um projeto comercial típico e comparar com resultados experimentais. Quando da introdução à aplicação comercial que seria utilizada nos testes, expansões ao modelo de interconexões simples que se fazem necessárias em ambientes de múltiplas linhas de transmissão são expostas. Finalmente, análises de integridade de sinal foram feitas em um par diferencial de interconexões. Sua resposta foi analisada em um espectro de freqüência que variou de aproximadamente 0GHz até 10GHZ. Para efeitos de comparação, juntamente com as medidas efetuadas em uma placa prototipada e as simulações obtidas com a aplicação do modelo alvo, também foram feitos testes utilizando o ADS, uma ferramenta largamente utilizada no estudo de integridade de sinal de projetos eletrônicos. Conforme dito na análise dos resultados, é possível concluir que o modelo sob avaliação apresenta um resultado de alta confiabilidade para freqüências relativamente baixas. Conforme as freqüências ultrapassaram 4GHz, entretanto, desvios, possivelmente produzidos por pequenas variações nos valores calculados para indutâncias e capacitâncias mútuas, afetam significativamente a qualidade e veracidade do cálculo. / One of the most striking characteristics of current generations is the need for store and access more and more information and always smaller devices. The development of such equipment is a highly specialized area of knowledge and its challenges flirt with physics limits all the time. One of those challenges regards the interactions between electronic circuits known as Electromagnetic Interference (EMI). Its behavior is studied and mitigations of it are researched by an area called Signal Integrity (SI). Given this scenario, the present dissertation aims to bring the reader to the world of Signal Integrity. It accomplishes that by means of didactically present models used on EMI hardness calculations. It is also a goal to present and evaluate one of the SI’s most recent academic researches, while adding commercial value to it. The models are applied on a typical commercial design and the results are compared with measurements. Finally, expansions to the target model are presented to make capable of handle multi interconnections environments. SI analyses were performed on a differential pair. Its response was analyzed in the frequency domain from near 0GHz up to 10GHz. The measurements performed on a prototyped board, the simulation of the model, and results obtained through ADS simulations were also performed. As it is presented in results section, it is possible to conclude that the model under evaluation presents high reliability results for low frequencies. However, as frequencies become higher than 4GHz, deviations, probably caused by small variations on mutual capacitance and inductance calculations, significantly affect the quality and correctness of results.

Uma das características mais marcantes das gerações atuais é a necessidade por armazenar e acessar cada vez mais informação em dispositivos cada vez menores. O desenvolvimento de tais equipamentos é, por si só, uma área de conhecimento incrivelmente especializada e que possui desafios que flertam a todo o instante com os limites da física. Um deles são interações entre circuitos conhecidas como interferências eletromagnéticas EMI (do inglês ElectroMagnetic Interference) e seu comportamento é estudado e combatido através de uma área conhecida como Integridade de Sinais. Neste cenário, esta dissertação tem por objetivo trazer ao leitor uma introdução ao mundo da Integridade de Sinais, desenvolvendo didaticamente modelos utilizados em cálculos de robusteza à interferência eletromagnética. É objetivo, também, apresentar e avaliar os trabalhos acadêmicos mais atuais da área, agregando valor comercial aos mesmos por aplicá-los a um projeto comercial típico e comparar com resultados experimentais. Quando da introdução à aplicação comercial que seria utilizada nos testes, expansões ao modelo de interconexões simples que se fazem necessárias em ambientes de múltiplas linhas de transmissão são expostas. Finalmente, análises de integridade de sinal foram feitas em um par diferencial de interconexões. Sua resposta foi analisada em um espectro de freqüência que variou de aproximadamente 0GHz até 10GHZ. Para efeitos de comparação, juntamente com as medidas efetuadas em uma placa prototipada e as simulações obtidas com a aplicação do modelo alvo, também foram feitos testes utilizando o ADS, uma ferramenta largamente utilizada no estudo de integridade de sinal de projetos eletrônicos. Conforme dito na análise dos resultados, é possível concluir que o modelo sob avaliação apresenta um resultado de alta confiabilidade para freqüências relativamente baixas. Conforme as freqüências ultrapassaram 4GHz, entretanto, desvios, possivelmente produzidos por pequenas variações nos valores calculados para indutâncias e capacitâncias mútuas, afetam significativamente a qualidade e veracidade do cálculo. / One of the most striking characteristics of current generations is the need for store and access more and more information and always smaller devices. The development of such equipment is a highly specialized area of knowledge and its challenges flirt with physics limits all the time. One of those challenges regards the interactions between electronic circuits known as Electromagnetic Interference (EMI). Its behavior is studied and mitigations of it are researched by an area called Signal Integrity (SI). Given this scenario, the present dissertation aims to bring the reader to the world of Signal Integrity. It accomplishes that by means of didactically present models used on EMI hardness calculations. It is also a goal to present and evaluate one of the SI’s most recent academic researches, while adding commercial value to it. The models are applied on a typical commercial design and the results are compared with measurements. Finally, expansions to the target model are presented to make capable of handle multi interconnections environments. SI analyses were performed on a differential pair. Its response was analyzed in the frequency domain from near 0GHz up to 10GHz. The measurements performed on a prototyped board, the simulation of the model, and results obtained through ADS simulations were also performed. As it is presented in results section, it is possible to conclude that the model under evaluation presents high reliability results for low frequencies. However, as frequencies become higher than 4GHz, deviations, probably caused by small variations on mutual capacitance and inductance calculations, significantly affect the quality and correctness of results.

The aim of the work is to develop an evaluation platform for comunnication on CAN FD bus. This evaluation platform is mainly intended to be used for the application support of the NCV7344 CAN transceiver on given module. The main part of the work is to develop firmware for SAM V71 microcontroller and a control application software for computer. This control application will serve to setup the communication parameters, send and receive data and control communication in the testing network. Attention is also paid to develop and test effectiveness of signal improvement circuits and their impact on bit error rate in real conditions on designed evaluation network.

This work is an analysis of solutions to problems derived from inherent timing and signal integrity issues in the use and application of the IEEE 1149.1 Standard at the board level in conjunction with its test system. Setup or hold times violations may occur in a boundary scan chain using IEEE 1149.1 compliant devices. A practical study of the TDI-TDO scan data path has been conducted to show where problems may arise in relationship to a particular board topology and test system. This work points to differences between passing and failing scan path tests for problem characterization. Serial data flow is then analyzed and suitability is discussed. Within certain conditions, a solution is proposed. This work has been shown to work on the test system. Recommendations are made based on this experimental approach.

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