Целостность сигналов

Целостность сигналов (Signal Integrity) - набор качественных характеристик для определения качества электрического сигнала. Любой цифровой сигнал по своей сути является аналоговым, то есть представлен эпюрами напряжения (или тока) определенной формы. Очевидно, что форма аналогового сигнала может быть изменена из-за воздействия шумов, нелинейных искажений, перекрестных помех, отражений и так далее. При передаче сигналов на короткие (в смысле электрической длины) расстояния и при низкой информационной скорости указанные эффекты никак не сказываются на достоверности передаваемой и принимаемой информации. При увеличении скорости передачи, или увеличении длины тракта передачи (то есть при увеличении электрической длины) различные эффекты могут исказить сигнал до такой степени, что передаваемая информация будет принята с ошибками. Работу инженера по целостности сигналов можно разделить на два этапа. Первый - это анализ целостности сигналов, то есть выявление тех самых эффектов, которые приводят к искажению сигнала. Второй этап - это борьба с этими искажениями.

История

Для описания истории развития целостности сигналов как раздела радиотехники можно обратиться к хронологии предложенной Дугласом Бруксом:

• 1-я стадия. Вообще нет представлений о целостности сигналов, так нет никаких проблем с передачей.
• 2-я стадия. Возникают проблемы с паразитными индуктивностями.
• 3-я стадия. Возникают проблемы, вызванные тем фактом, что сопротивление больше нельзя считать константой, а приходится учитывать его зависимость от частоты.
• 4-я стадия. Возникли проблемы связанные с тем критические длины (электрические) стали так коротки, что чрезвычайно трудно осуществить решения, даже если проблемы известны.

Анализ целостности сигналов

Анализ целостности сигналов можно условно разделить на 3 этапа - анализ кристалла микросхемы, корпуса микросхемы, печатной платы. Проблемы возникающие на этих этапах, зачастую схожи, но существует ряд принципиальных особенностей, которые не позволяют эффективно анализировать кристалл, корпус и печатную плату в рамках единого САПР (EDA), но ведущие разработчики САПР ведут работы для возможности интеграции этих процессов. На сегодняшний день чаще всего отдельно анализируется кристалл и корпус, а затем данные анализа в виде поведенческих моделей IBIS импортируются в САПР для анализа печатных плат. Стоит отметить, что при таком маршруте проектирования невозможно точно проанализировать все проблемы, которые могут возникнуть в кристалле и в корпусе, особенно, при взаимодействии микросхемы с печатной платой (из-за неидеальности систем заземления и питания, возможных наводок от других микросхем на плате), но получение точных моделей кристалла на транзисторном уровне, таких как SPICE-моделей чаще всего является невозможным, так как это является объектом коммерческой тайны производителя. В том случае, когда производитель микросхем сам пытается тестировать свои кристаллы в готовых изделиях, то он сталкивается с проблемой необходимости использования огромных вычислительных ресурсов. На каждом из перечисленных этапов анализ целостности сигналов можно разделить на предтопологичесский (pre-layout) и посттопологический (post-layout) анализ.

Предтопологический анализ

Предтопологический анализ включает в себя предварительное исследование системы на наличие в ней проблем с целостностью сигналов, то есть исследование, когда еще не известны точные геометрические размеры системы и точное взаимное расположение компонентов системы. Для проведения такого анализа САПР имеют набор стандартных элементов: линии передач, разъемы, сосредоточенные элементы (конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы), переходные отверстия и так далее. Обычно, предтопологический анализ проводят для поиска проблем целостности сигналов в корпусах и печатных платах.

Посттопологический анализ

Посттопологический анализ включает в себя максимально полное исследование системы на наличие проблем целостности сигналов с учетом реальной трассировки, геометрических размеров и положений компонентов, взаимного расположения компонентов. Стоит еще раз отметить, что моделирование всей системы является зачастую нерешаемой задачей из-за отсутствия требуемых данных и невозможности использовать слишком большие вычислительные ресурсы (в том числе и временны́е). Задача инженера по целостности сигналов найти разумное упрощение и моделировать эквивалентную схему с тем, чтобы погрешность не превышала заданную. Для каждого проекта такая погрешность определяется индивидуально. Современные САПР пытаются максимально снять эту проблему с разработчиков и автоматизировать.

Основные проблемы целостности сигналов

Полоса пропускания системы

Раздел радиотехники целостность сигналов появился сравнительно недавно, особенно в российской науке и инженерии. Как следствие, инженеры по целостности сигналов - это чаще всего бывшие инженеры СВЧ. В результате, часто возникает непонимание термина полоса пропускания для цифрового сигнала. Любой цифровой сигнал характеризуется его скоростью передачи данных (data rate). Рассмотрим для примера произвольный псевдослучайный цифровой сигнал, передаваемый со скоростью 1000Мбит/сек. Означает ли это, что спектр сигнала тоже лежит в области частот до 1ГГц? Ответ на вопрос может дать спектральный анализ, проведенный с использованием инструмента быстрого преобразования Фурье (БПФ/FFT). На рисунке видно, что спектр сигнала гораздо шире его тактовой частоты и верхней границе соответствует частота "излома", которая определяется крутизной фронта сигнала. Эта частота определяется по формуле:

$F_{knee}=\frac{1}{2T_{r}}$,

где $T_r$ - время нарастания (спада) фронта.

Отражения

Отражение - явление возвращения части энергии волны обратно в линию передач при несогласованной нагрузке. Согласованной является нагрузка комплексное сопротивление которой равно комплексному волновому сопротивлению линии. Чем больше разница между этими двумя импедансами, тем больше будет отражение. Явление отражения становится заметным при увеличении электрической длины (то есть когда длина фронта и длина линии становятся соизмеримыми). Два предельных случая несогласованной линии - это короткозамкнутая $(Z_0=0)$ и разомкнутая $(Z_0\rightarrow\infty)$ линии.

Волновое сопротивление линии

Волновое сопротивление - сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражений. Определяется как отношение напряжения падающей волны к току падающей волны:

$Z_0=\frac{U_{\Pi}}{I_{\Pi}}$.

Для печатных проводников волновое сопротивление линии зависит от ее ширины и расстояния до опорного слоя (земли, или питания). Волновое сопротивление печатных проводников, обычно, варьируется в диапазоне от 50 до 75 Ом (могут быть отклонения, как в большую, так и в меньшую сторону, но это бывает связано с какой-то узкоспециализированной задачей).

Короткозамкнутая линия

Разомкнутая линия

Согласованная линия

Потери в линиях передач

Омические потери

Омические потери в линиях передач вызваны неидеальностью используемых проводников, которые имеют конечную проводимость (удельная проводимость меди 5,7Е+7 См/м). Так как проводники имеют вполне определенную толщину при производстве печатных плат (18мкм для сигнальных проводников и 36мкм для слоев земли и питания), то омическое сопротивление легко может быть посчитано, зная величину удельного сопротивления на квадрат. Для проводников из меди толщиной 18мкм эта величина составляет 0,25мОм/квадрат. Для примера, проводник шириной 150мкм и длиной 15мм будет иметь сопротивление 25мОм. Такое же сопротивление будет иметь проводник шириной 75мкм и длиной 7,5мм (т.к. оба проводника имеют "площадь" 100 квадратов).

Поверхностный эффект

Для каждого электрического параметра следует учитывать диапазон частот в котором он применим. Это относится и к последовательному активному сопротивлению. Постоянный ток и ток низкой частоты распределяется в параллельном сечении равномерно, то есть плотность тока одинакова, как в центре проводника, так и у поверхности. На высоких частотах плотность тока возрастает у поверхности проводника и уменьшается почти до нуля в центре. Установлено, что под действием поверхностного эффекта плотность тока экспоненциально снижается по радиусу от поверхности проводника к его центру. Очевидно, что при таком распределении, эффективное сопротивление проводника на высоких частотах будет расти. Толщина слоя (скин-слой) в котором будет протекать ток зависит от частоты:

$s=\left(\frac{2\rho}{\omega\mu}\right)^{\frac{1}{2}}$,

где $\rho$ - удельное сопротивление проводника, $\omega$ - частота (в радианах в секунду), $\mu$ - абсолютная магнитная проницаемость проводника.

Диэлектрические потери

Волна без потерь может распространяться только в вакууме. В любом реальном диэлектрике возникают потери. Величина этих потерь зависит от типа диэлектрика и от частоты и определяется коэффициентом диэлектрических потерь. Очевидно, что чем выше диэлектрические потери, тем сильнее ослабление сигнала при распространении. В спецификациях на материал обычно указывается не коэффициент потерь, а тангенс угла потерь. Для удобства рассмотрим идеальный конденсатор. Вектор тока в таком конденсаторе опережает вектор напряжения на 90°. Если в проводнике возникают потери, то происходит сдвиг угла на величину δ, называемую углом потерь. В спецификацию на материал записывают тангенс этого угла. Иногда пользуются величиной обратной тангенсу угла потерь и называемой добротностью:

$Q=\frac{1}{\mathrm{tg}(\delta)\,}$

Стандартная величина тангенса угла потерь для материала типа FR-4 составляет 0,025.

Перекрестные помехи

Перекрестные помехи - это явление возникновения сигнала в проводнике при воздействии на соседние проводники. В современных цифровых устройствах избежать этого явления невозможно, но его можно минимизировать. Разговаривая о перекрестных помехах вводят два термина - агрессор и жертва. Агрессор - это проводник, на который подается воздействие, а жертва - проводник, с которого снимается отклик этого воздействия. В реальной схеме, когда постоянно происходят переключения различных буферов любой проводник является одновременно и агрессором и жертвой. Для исследования перекрестных помех на жертву подается напряжение низкого или высокого уровня, а на агрессоры подается меандр, или псевдослучайная последовательность с заданными уровнями логических "0" и "1", скоростью нарастания и скоростью спада фронтов, а также с заданной тактовой частотой.

Шумы питания

Шумы одновременного переключения

Джиттер

Меры по обеспечению целостности сигналов

Применение

См. также

• Радиотехника
• Электротехника
• Электроника (радиоэлектроника)

Ссылки

• Howard Johnson, Martin Graham. High-speed signal propagation : advanced black magic. — Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall PTR, 2002. — ISBN 0-13-084408-X Advanced-level reference text for experienced digital designers who want to press their designs to the upper limits of speed and distance.
• Basic Principles of Signal Integrity
• История развития целостности сигналов глазами Дугласа Брукса