Signal Integrity prakticky: přeslechy

Tento článek navazuje na první část seriálu o praktickém použití analýz typu Signal Integrity (č. 2/2010), který pojednával o přizpůsobení spoje přenosu signálu. Zde si ukážeme možnosti analýz přeslechů mezi plošnými spoji. Použijeme opět program Hyperlynx firmy Mentor Graphics, který umožňuje simulovat chování přenosu signálu plošným spojem jak před vlastním návrhem desky (pre-layout analysis), tak na již navržené desce (post-layout analysis). Pokud se analýzy přeslechů provádějí až na navržené desce, je mnohdy velmi obtížné realizovat potřebné změny. Z tohoto důvodu je výhodnější zkoumat vliv přeslechů (i přenosu signálu a EMC) ještě před návrhem desky. Problémy se většinou zdaleka netýkají všech spojů, ale v podstatě jen těch, které je možné identifikovat již při kreslení schématu. Výsledkem těchto analýz jsou potom doporučení pro návrh desky. Analýza již navržené desky, kdy program automaticky nalezne všechny problematické spoje, má potom spíše kontrolní charakter.

Je potřeba zdůraznit, že všechny analýzy Signal Integrity lze provézt pouze u desky, která má zemnící napájecí vrstvu, aby při simulaci poměrů byla k dispozici stabilní referenční úroveň. To prakticky předpokládá vícevrstvou desku, kde jsou napájecí plochy většinou umístěny na vnitřních vrstvách.

Obr. 1 Rozložení vrstev desky

Začněme analýzou přeslechů ještě před návrhem desky. Deska bude 6vrstvá, s rozložením vrstev podle obr. 1. Rozložení vrstev je pro analýzu důležité, stejně jako umístění zkoumaných plošných spojů na nich. Počet vrstev i jejich účel lze v programu podle potřeby měnit a testovat tak jejich vliv na kvalitu přenosu signálu.

Obr. 2 Schéma pro analýzy přeslechů mezi 2 paralelními spoji

Na obr. 2 je schematicky znázorněna daná situace. Zapojení bylo nakresleno ve speciálním editoru přímo v programu Hyperlynx. Dva plošné spoje, které představují přenosovou linku, jsou v tomto schématu znázorněny jako válečky. Oba spoje mají určitou šířku a jsou paralelní. Jedním koncem jsou připojeny na vývod součástky, který představuje výstup signálu (levá strana schématu), zatímco na jejich druhý konec jsou připojeny signálové vstupy součástek. Jeden spoj představuje agresora, který svým elektromagnetickým polem ovlivňuje druhý (napadený) spoj. Při analýze přeslechů je agresor připojen na aktivní výstup signálu, zatímco výstup připojený na napadený spoj je pouze statický, držený uměle na nízké úrovni. Pokud se na konci napadeného spoje, kde je připojen vstup součástky (U4.1), objeví signál určité úrovně a průběhu, je tento signál výsledkem přeslechu od agresora. Vstupy a výstupy připojených symbolů reprezentují vývody skutečných součástek, které bývají v programu zastoupeny jejich IBIS modely. Zde jsou vybrány modely pro rychlé CMOS 3,3 V, bez ohledu na skutečné typy, protože se nám jedná pouze o objasnění různých situací při kontrole přeslechů.

Obr. 3 Výsledek pro paralelní délku 50 mm a mezeru 0,2 mm

Při první simulaci nastavíme parametry spojů tak, jak je předpokládáme na skutečné budoucí desce. Zde je paralelní délka spojů 50 mm, šířka a jejich vzájemná mezera 0,2 mm. Oba spoje jsou umístěny na horní straně desky. Na obr. 3 je znázorněn výsledek. Spojem – agresorem se šíří signál z výstupu U1.1 (červená) na připojený vstup U2.1 (žlutá). Zatímco na výstupu U3.1 druhého spoje není aktivní signál, protože je držen na nízké úrovni (tmavě modrá), na připojeném vstupu U4.1 je vidět signál způsobený přeslechem (světle modrá). Z obrázku je hned jasné, že spoj – agresor není vhodně přizpůsobený, protože signál na jeho připojeném vstupu (žlutá) silně zakmitává s nebezpečně velkým rozkmitem. Také vidíme, že indukovaný signál v napadeném spoji (světle modrá) zakmitává s rozkmitem větším než 1 V, který rozhodně s časem hned neklesá.

Obr. 4 Výsledek pro paralelní délku 50 mm a mezeru 0,6 mm

Bez ohledu na skutečnost, že spoj – agresor není přizpůsobený, zkusíme omezit přeslechy do napadeného spoje zvětšením mezery mezi oběma spoji. Na obr. 4 je vidět výsledek, když je vzdálenost mezi spoji zvětšena o 200 % na 0,6 mm. Indukovaný signál u vstupu připojeného na napadený spoj (světle modrá) i nadále zakmitává, byť s menší amplitudou. Je vidět, že zvětšení mezery na trojnásobek přeslechy zcela neodstraní. Mezera by musela být podstatně větší, což však nelze vždy provést.

Obr. 5 Výsledek pro spoje s paralelní délkou 50 mm oddělené napájecí vrstvou

Zkusíme další možnost omezení přeslechů, a to oddělením plošných spojů napájecí vrstvou. Spoj – agresor zůstane na vrchní straně desky a druhý spoj přesuneme do třetí vnitřní vrstvy (druhá je napájecí vrstva VCC). Výsledek na obr. 5 je v souladu s očekáváním. Napájecí vrstva mezi oběma spoji znemožnila přeslechy a v napadeném spoji není žádný indukovaný signál. Zde je potřeba zmínit, že je jedno, jestli se jedná o GND, VCC nebo jinou napájecí vrstvu. Takovéto vzájemné oddělení spojů ovšem nelze provést vždy (např. v případě sběrnice, kdy jednotlivé spoje jsou taženy na stejné vrstvě desky).

Mohlo by se zdát, že problém s přeslechem je způsoben tím, že spoj – agresor není ničím omezen a tak při svém šíření silně zakmitává. Podívejme se tedy na situaci, kdy je šíření signálu tímto spojem ovlivněno vložením sériového rezistoru. Program Hyperlynx spočítá potřebnou hodnotu rezistoru. Ta je v tomto případě pro dané parametry spoje 57 W. Spoje jsou i nadále paralelní v délce 50 mm, mezera mezi nimi je opět 0,2 mm a oba jsou zpět na horní straně desky.

Obr. 6 Výsledek pro paralelní délku 50 mm a mezeru 0,2 mm s rezistorem

Výsledek takové úpravy je na obr. 6. Zařazením sériového rezistoru se při větším zpoždění sice šíření signálu ve spoji – agresoru zklidnilo (žlutá), ale ani to přeslechům zcela nezabránilo (světle modrá).

Obr. 7 Výsledek pro paralelní délku 25 mm a mezeru 0,2 mm

Zkusíme nyní omezit přeslechy zkrácením paralelní délky obou spojů na polovinu tj. na 25 mm. Z obr. 7 je patrné, že zkrácení paralelní délky opravdu výrazně pomohlo přeslechy omezit (světle modrá).

Obr. 8 Analýza přeslechů vybraných spojů na desce

Analýza přeslechů na již navržené desce v programu Hyperlynx je na obr. 8. Navržená deska je do programu Hyperlynx načtena z programu PADS, ale importovat desku lze i z jiných návrhových systémů. Na desce vybereme spoj, u kterého budeme zkoumat přeslechy. Program automaticky vybere ty okolní spoje, které mohou mít na námi vybraný spoj vliv. Součástkám desky jsou přiřazeny jejich odpovídající IBIS modely.

Obr. 9 Přeslechy na desce způsobené souběžným vedlejším spojem

Po spuštění analýzy se zobrazí průběhy (obr. 9). Přestože jsou vybrané spoje souběžné pouze v relativně krátkém úseku, je zde jasně patrný vliv agresora (kratší spoj) na druhý (delší) spoj. Na obr. 9 je průběh signálu u agresora vykreslen tmavě modrou barvou pro připojený výstup a zeleně pro připojený vstup. Průběh indukovaného signálu na vstupu připojeného k napadanému spoji je znázorněn červeně. Výstup připojený k napadenému spoji nemá vlastní signál – je nastaven na nízkou úroveň (světle modrá).

Analýzu přeslechů (a přenosu signálu i EMC) vybraných nebo všech spojů může program Hyperlynx provést na pozadí zcela automaticky. Výsledkem je výpis s informacemi o problematických spojích. Tyto informace obsahují jak charakteristické údaje o spojích (délka, charakteristická impedance, zpoždění atd.), tak i návrh řešení vzniklé situace (zkrácení délky, hodnoty rezistorů atd.).