С увеличением скорости переключения выхода интегральных схем и плотности печатных плат, целостность сигнала стала одной из проблем, которые необходимо учитывать при проектировании высокоскоростных цифровых печатных плат. Поскольку проблемы с целостностью сигнала могут привести к выводу системы неверных данных, схема не работает должным образом или даже полностью не работает. Итак, как полностью учесть фактор целостности сигнала в процессе проектирования печатной платы и принять эффективные меры контроля? Пожалуйста, прочитайте эту статью дальше.
Что такое целостность сигнала печатной платы?
Целостность сигнала печатной платы относится к способности сигнала реагировать с правильной синхронизацией и напряжением в цепи. Это состояние, при котором сигнал не поврежден, и оно указывает на качество сигнала на сигнальной линии.
Различные проблемы с целостностью сигнала
Проблемы с целостностью сигнала могут вызывать или непосредственно приводить к искажению сигнала, ошибкам синхронизации, неверным данным, проблемам с адресными и управляющими линиями, сбоям в работе системы и даже к ее выходу из строя. Основные проблемы с целостностью сигнала включают: задержку, отражение, синхронный переключающий шум, колебания, отскок заземления, перекрестные помехи и т. д.
Задержка
Задержка означает, что сигнал передается с ограниченной скоростью по проводам печатной платы, и сигнал отправляется от отправляющего конца к принимающему концу, и между ними существует задержка передачи. Задержка сигнала повлияет на синхронизацию системы, а задержка передачи в основном зависит от длины провода и диэлектрической проницаемости среды вокруг провода. В высокоскоростной цифровой системе длина линии передачи сигнала является наиболее прямым фактором, влияющим на разность фаз тактовых импульсов. Разница фаз тактового импульса означает, что два тактовых сигнала, сгенерированные одновременно, не синхронизированы при поступлении на приемную сторону. Разница фаз тактового импульса снижает предсказуемость поступления фронта сигнала. Если разница фаз тактового импульса слишком велика, на приемной стороне будет сгенерирован ошибочный сигнал. Как показано на рисунке ниже, задержка линии передачи стала важной частью цикла тактового импульса.
Отражение
Отражение — это эхо на подлинии передачи. Когда время задержки сигнала значительно превышает время перехода сигнала, сигнальная линия должна рассматриваться как линия передачи. Когда характеристический импеданс линии передачи не соответствует импедансу нагрузки, часть мощности сигнала (напряжение или ток) передается по линии и достигает нагрузки, но часть отражается. Если импеданс нагрузки меньше исходного импеданса, отражение является отрицательным. В противном случае отражение является положительным. Такие отражения могут быть вызваны изменениями в геометрии трассировки, неправильным завершением линии передачи, передачей через разъемы и разрывами в плоскостях питания.
Шум одновременного переключения (SSN)
Шум одновременного переключения будет генерироваться, если многие цифровые сигналы на печатной плате переключаются синхронно (например, шина данных ЦП, шина адресов и т. д.). Это происходит из-за наличия импеданса на линии питания и заземлении, а также из-за шума отскока заземления (ground bounce). Сила SSN и отскока заземления также зависит от характеристик ввода-вывода интегральной схемы, импеданса слоя питания и плоского слоя печатной платы, а также от расположения и трассировки высокоскоростных устройств на печатной плате.
Перекрестные помехи
Перекрестные помехи — это взаимодействие между двумя сигнальными линиями, а взаимная индуктивность и взаимная емкость между сигнальными линиями вызывают шумы на линии. Емкостная связь вызывает связанный ток, а индуктивная связь — связанное напряжение. Перекрестные помехи возникают в результате электромагнитной связи между сигнальными сетями, между сигнальными системами и системами распределения питания, а также между переходными отверстиями. Перекрестная намотка может вызывать ложные тактовые сигналы, периодические ошибки данных и т. д., а также влиять на качество передачи соседних сигналов. На самом деле, нам не нужно полностью устранять перекрестные помехи, достаточно удерживать их в пределах допустимых значений для системы. Параметры слоя печатной платы, расстояние между сигнальными линиями, электрические характеристики драйвера и приемника, а также метод замыкания базовой линии оказывают определенное влияние на перекрестные помехи.
Перерегулирование и недорегулирование
Перерегулирование — это первый пик или минимум, превышающий заданное напряжение. Для нарастающих фронтов это означает самое высокое напряжение, а для спадающих фронтов — самое низкое напряжение. Недорегулирование — это когда следующий минимум или пик превышает заданное напряжение. Чрезмерное перерегулирование может привести к срабатыванию защитных диодов, что вызовет их преждевременный выход из строя. Чрезмерное недорегулирование может вызвать ложные ошибки тактовой частоты или данных (неправильная обработка).
Звон и округление
Явление колебаний представляет собой повторяющиеся перерегулирования и недорегулирования. Колебания сигнала вызваны переходной индуктивностью и емкостью на линии, что относится к недоамортизированному состоянию. Окружающие колебания представляют собой переамортизированное состояние. Колебания и орбитальные колебания, как и отражения, вызваны различными факторами. Колебания можно уменьшить с помощью правильного завершения, но полностью устранить их невозможно.
Шум отскока от земли и шум возврата
Шум от отскока от земли
Когда в цепи происходит большой скачок тока, это вызывает помехи от отскока заземляющей плоскости. Например, если выходы большого количества микросхем включаются одновременно, через питающую плоскость микросхемы и платы проходит большой переходный ток. Затем индуктивность и сопротивление корпуса микросхемы и плоскости питания вызывают помехи в источнике питания, что приводит к колебаниям и изменениям напряжения на реальной плоскости заземления (O V). Эти помехи влияют на работу других компонентов. Увеличение емкости нагрузки, уменьшение сопротивления нагрузки, увеличение индуктивности заземления и увеличение количества переключающих устройств приводят к увеличению отскока заземления.
Возвратный шум
Шум возврата заземляющей плоскости возникает, когда цифровые сигналы проходят в аналоговую область заземления. Это может быть вызвано разделением заземляющей плоскости (включая питание и заземление), например, заземляющая плоскость разделена на цифровое заземление, аналоговое заземление, экранирующее заземление и т. д. Аналогичным образом, плоскости питания также могут быть разделены на 2,5 В, 3,3 В, 5 В и т. д. Поэтому при проектировании многонапряженных печатных плат необходимо уделять особое внимание шуму отскока и обратному шуму заземляющей плоскости.
Причины проблем с целостностью сигнала
Такие факторы, как параметры компонентов и печатных плат, расположение компонентов на печатных платах и прокладка высокоскоростных сигнальных линий, могут вызвать проблемы с целостностью сигнала. Для компоновки печатных плат целостность сигнала должна обеспечивать Для компоновки схем целостность сигнала требует использования оконечных компонентов, стратегий размещения и информации о прокладке.
Как оптимизировать целостность сигнала?
Проблема целостности сигнала вызвана не одним фактором, а множеством факторов, связанных с конструкцией платы. Поэтому для улучшения целостности сигнала необходимо использовать различные методы в зависимости от конкретной ситуации.
Анализ перекрестных помех
Размер перекрестных помех обратно пропорционален межстрочному расстоянию и пропорционален параллельной длине линии и частоте сигнала. Перекрестные помехи варьируются в зависимости от нагрузки цепи. При одинаковой топологии и схеме подключения, чем больше нагрузка, тем больше перекрестные помехи. В цифровых цепях изменение фронта сигнала оказывает наибольшее влияние на перекрестные помехи, и чем быстрее изменяется фронт, тем больше перекрестные помехи. Учитывая вышеуказанные характеристики перекрестных помех, мы можем использовать следующие методы для их уменьшения:
- Выбрать медленное устройство, чтобы уменьшить скорость перехода фронта сигнала;
- Избегайте смешивания сигналов разных типов;
- Уменьшите помехи связи за счет уменьшения нагрузки;
- Минимизировать параллельную длину между соседними линиями передачи;
- Увеличьте расстояние между проводниками, где может возникать емкостная связь;
- Более эффективный подход заключается в изоляции проводов с помощью заземляющих проводов;
- Вставьте заземляющий провод между соседними сигнальными проводами;
- Минимизировать количество петель и площадь петли;
- Избегайте использования одного и того же провода для сигнальной петли;
- Сигнальные слои двух соседних слоев должны по возможности избегать параллельной проводки;
- Сигналы, чувствительные к перекрестным помехам, должны быть размещены по возможности во внутреннем слое;
анализ отражения
Отражения возникают всякий раз, когда сигнал сталкивается с изменением импеданса при прохождении по линии передачи. Основной способ решения проблемы отражения — согласование импеданса оконечного устройства. Обычно существует две стратегии согласования импеданса линии передачи: параллельное согласование и последовательное согласование.
Параллельное завершение
Параллельное завершение в основном предназначено для подключения подтягивающего или опускающего импеданса как можно ближе к нагрузочному концу, чтобы достичь согласования импеданса терминала. В зависимости от различных сред применения, параллельное завершение можно разделить на несколько типов, как показано на рисунке ниже.
Последовательное завершение
Последовательное завершение достигается путем последовательного вставки резистора в линию передачи как можно ближе к источнику. Последовательное завершение предназначено для согласования импеданса источника сигнала, сопротивление вставленного последовательного резистора плюс выходной импеданс источника сигнала должны быть больше или равны импедансу линии передачи. Эта стратегия подавляет сигнал, отраженный от нагрузки, путем установления коэффициента отражения на конце источника равным нулю (вход на конце нагрузки имеет высокий импеданс и не поглощает энергию), а затем отражает его обратно на конец нагрузки от конца источника.
Моделирование анализа целостности сигнала
Правильное моделирование и симуляция схем является наиболее распространенным решением для обеспечения целостности сигнала. При проектировании высокоскоростных схем симуляционный анализ все чаще демонстрирует свое превосходство. Он может предоставить проектировщикам точные и интуитивно понятные результаты проектирования. Таким образом, мы можем своевременно обнаруживать проблемы и исправлять их. Существует три широко используемых метода моделирования схем: модель SPICE, модель IBIS и модель Verilog-A.
модель SPICE
SPICE — это мощный универсальный симулятор аналоговых схем. Он состоит из двух частей: уравнения модели и параметры модели. Поскольку уравнение модели предоставляется, модель SPICE может быть очень тесно связана с алгоритмом симулятора, что позволяет получить более высокую эффективность анализа и лучшие результаты анализа.
Модель IBIS
Модель IBIS — это модель, специально используемая для анализа целостности цифрового сигнала на уровне печатной платы и на системном уровне. Она использует таблицы I/V и V/T для описания характеристик ячеек ввода-вывода и выводов цифровых интегральных схем. Точность анализа модели IBIS в основном зависит от количества точек данных и точности данных в таблицах 1/V и V/T. По сравнению с моделью SPICE, вычислительная нагрузка модели IBIS очень мала.
Заключение
С непрерывным развитием микроэлектронных технологий растет использование высокоскоростных устройств и проектирование высокоскоростных цифровых систем. Также растут скорость передачи данных в системе, тактовая частота и плотность схем. Поэтому требования к проектированию печатных плат становятся все выше и выше, особенно в отношении целостности сигнала. Чтобы обеспечить хорошую целостность сигнала на печатной плате, необходимо комплексно учитывать различные влияющие факторы.
