Vítejte, dnes je
sobota 16.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Problematika signálové integrity bývá stále častějším tématem diskutovaným při návrhu desek plošných spojů.
Její analýza nám dává obraz o tom, jak vypadá při dosažení svého cíle signál, který po vyslání z výstupu připojeného obvodu prošel plošným spojem. Signálová integrita je tedy v našem případě měřítkem kvality přenosu signálu plošným spojem.
A proč je problematika signálové integrity poslední dobou stále aktuálnější? Problémy s přenosem digitálního signálu plošným spojem jsou spojeny s rychlostí změny stavu z jedné úrovně na druhou. Dokud bývala tato rychlost nízká (což bylo dostačující po mnoho let), choval se plošný spoj jako docela dobrý vodič signálu. Moderní součástky však dokážou spínat velmi rychle. Při rychlých změnách se situace výrazně mění, plošný spoj se začíná chovat jako přenosová linka, která má svoji impedanci, kapacitu a indukčnost. Výsledná charakteristická impedance plošného spoje hraje potom velmi důležitou roli v přenosu signálu, protože navazuje na impedanci výstupu zdroje signálu na jedné straně a na impedanci připojeného vstupu na druhé straně plošného spoje. Pokud tyto impedance nejsou vyrovnané, dochází po dosažení cíle ke zpětnému odrazu signálu, což způsobuje dále zakmitávání, vyzařování a celkovou deformaci průběhu signálu. Připojený obvod potom není schopen správně vyhodnotit logickou úroveň přijímaného signálu a dochází k úplnému nebo náhodnému selhání funkce celého zařízení.
Problémy s přenosem signálu nemusí vždy způsobovat pouze rychlé, opakující se signály, jako jsou např. hodiny. I osamocený signál s rychlou změnou svého stavu způsobuje tytéž problémy, takže je jedno, jestli rychlý obvod vysílá signály v 10MHz nebo 100MHz sledu.
Nevyhovující situaci s přenosem signálu lze změnit na přijatelnou úroveň několika způsoby. Jsou to např. změny typů součástek, zkrácení délky plošného spoje, přesunutí spoje do jiných vrstev desky nebo přizpůsobení pomocí některého typu zakončovacích členů, nejčastěji v podobě sériového rezistoru.
Otázkou je, jak zjistit situaci s přenosem signálu na dané desce plošných spojů. Naštěstí zdaleka ne všechny signály na desce jsou velmi rychlé a podobně ne všechny plošné spoje na desce přenáší velmi rychlé signály. To činí analýzu přenosu signálu na deskách přeci jenom snadnější.
Výrobci součástek jsou si vědomi možných problémů se signálovou integritou, a tak mívají celou řadu praktických doporučení pro aplikaci jejich součástek na desku. Zkušení návrháři desek využívají v první řadě právě těchto doporučení, protože při jejich dodržení lze mnohé problémy úspěšně eliminovat.
Jinou z možností je provést měření s pomocí skutečných měřicích přístrojů, jako jsou osciloskop, spektrální a logický analyzátor, generátor signálu atd. Sestava měřicích přístrojů vhodných pro měření a vyhodnocení velmi rychlých signálů ale není právě levnou záležitostí a často bývá nad finanční možnosti běžných vývojových pracovišť.
Další možností řešení je prototypování, jehož často nutné opakování však může celý vývoj zařízení výrazně prodražit, nehledě na ztrátu času potřebnou pro provedení dodatečných úprav v zapojení obvodů a návrhu desky, takže toto jistě také není rychlá cesta k požadovanému výsledku.
A zde přichází na pomoc softwarová simulace přenosu signálu plošným spojem. Simulace může být provedena na dvou úrovních − ještě před vlastním návrhem desky (pre-layout analýza) nebo na navržené desce (post-layout analýza).
Výsledkem pre-layout simulace jsou doporučené změny v zapojení obvodu (např. použití jiných součástek, vložení sériového rezistoru atd.) a pro návrh desky (např. šířka a délka plošného spoje, použitá vrstva desky). Protože simulace probíhá na základě předpokládané situace na desce, není problém její parametry změnit tak, aby získané výsledky byly co nejlépe vyhovující. Simulace již navržené desky potom vlastně jen ověřuje dosažení optimálních výsledků. Pokud by se simulace signálové integrity prováděla jenom na již navržené desce, musela by se deska v případě nalezených problémů předělat, což představuje zdržení i dodatečné finanční náklady. To je ostatně důvodem, proč se klade důraz právě na pre-layout simulaci.
Tato analýza umožňuje zjistit signálovou integritu na daném plošném spoji nebo jeho sítě s pomocí dat o zamýšleném provedení desky. Vychází se z toho, že mnohé údaje o budoucí desce jsou již známé, např. počet a provedení jednotlivých vrstev, její materiál, šířka a tloušťka plošného spoje, použité součástky. Délka plošného spoje není sice ještě přesně známá, ale je možné ji dopředu odhadnout – propojené součástky mohou být umístěny např. těsně vedle sebe nebo také v určité vzdálenosti, vyjádřené alespoň přibližně.
Obr. 1 Zapojení pro pre-layout simulaci, konkrétní součástky jsou nahrazeny jejich modely
Jako příklad je zde uvedena simulace přenosu signálu plošným spojem provedená v programu Hyperlynx LineSim. Na obr. 1 je vidět zapojení, které bylo nakresleno v editoru simulátoru – zdroj signálu je připojen přes plošný spoj v podobě přenosové linky na vstup dalšího obvodu. Daným součástkám byly přiřazeny z knihovny odpovídající modely. K plošnému spoji se zadaly předpokládané parametry − spoj je umístěn na vrch- ní straně 4vrstvé desky s definovanou skladbou jednotlivých vrstev včetně jejich materiálových vlastností, šířka spoje je 0,15 mm a odhadovaná délka 7 cm. Simulátor okamžitě vypočítal charakteristickou impedanci spoje 110,8 Ω, zpoždění 0,385 ns, kapacitu 35 pF a indukčnost 42,7 nH. Výsledek simulace, při které byl použit jednorázový signál spuštěný sestupnou hranou, je na obr. 2. Zde je vidět problém s velmi silným zakmitáváním, které dosahuje nepovolených hodnot.
Obr. 2 Výsledek simulace: jednorázový signál (červená – zdroj signálu)
Zkrácení délky na minimum by mohlo vést k lepším výsledkům v přenosu signálu, ale to nelze vždy provést, protože propojené součástky nelze mnohdy položit těsně vedle sebe. Simulaci lze tedy opakovat pro nově zadanou délku spoje. Jinou možností by bylo vyzkoušet použití některého z přizpůsobovacích členů vedení, např. sériového rezistoru za zdrojem signálu s následnou simulací pro jeho určitou hodnotu. Nejlepší výsledek bude ale zřejmě kombinací obou možností – zkrácení délky a použití sériového rezistoru. Aby nebylo potřeba provádět řadu simulací pro různé hodnoty délek a rezistorů, vypočítal program HyperLynx LineSim vhodné řešení: délka spoje 5 cm a rezistor 84 Ω. Nové zapojení pro simulaci se sériovým rezistorem je vidět na obr. 3. Výsledek simulace obvodu se zkrácenou délkou spoje a sériovým rezistorem 84 Ω je pak na obr. 4.
Obr. 3 Upravené zapojení s rezistorem a zkrácenou délkou spoje
Z něho je hned zřejmé, že zákmity zmizely, ale signál je na druhém konci zpožděný o téměř 1 ns – to je daň za použití sériového rezistoru. Uspokojivé výsledky bývají kompromisem – v tomto případě by bylo potřeba provést další simulaci s rezistorem s nižší dostupnou reálnou hodnotou (zkrácení zpoždění) a zkrácenou délkou spoje.
Obr. 4 Průběhy signálu při zkrácení délky a použití sériového rezistoru
Podstata post-layout simulace je vysvětlena na příkladu použití programu HyperLynx BoardSim. Simulace navržené desky spočívá ve vybrání určitého spoje (net) ze seznamu nebo v prověření všech spojů na desce (to však může v závislosti na komplexnosti desky trvat poměrně dlouho). Součástkám připojeným k vybranému spoji jsou opět přiřazeny jim odpovídající modely. Ostatní parametry (šířka, délka spoje, rozložení vrstev desky atd.) si program načte sám z dat navržené desky, naopak fyzikální vlastnosti materiálů desky je potřeba zadat. Na obr. 5 je vidět vybraný kritický spoj a na obr. 6 je již znázorněn výsledek simulace.
Obr. 5 Vybraný spoj na desce (Hyperlynx BoardSim)
Obr. 6 Výsledek simulace pro daný spoj (červená – zdroj signálu)
V následujícím přehledu softwaru pro simulace signálové integrity jsou uvedeny nejčastěji používané programy, které jsou k dispozici samostatně, tzn. Že nejsou vázány na jediný konkrétní program pro návrh desek. Odděleně jsou pak uvedeny expertní systémy, které vyžadují pro své použití specialistu a které jsou určeny pro přesné a detailní analýzy přenosu signálu i v jiných oblastech vývoje než jenom při návrhu desek.
Obr. 7 Simulační software nWave – definování via otvoru pro simulaci
Felicitas Customized Engineering / Německo
Německá firma Felicitas je sice nováčkem na trhu s programy pro simulaci signálové integrity, ale se svými bohatými zkušenostmi se simulacemi se z ní může brzy stát významný dodavatel. Její pre-layout simulátor obvodů je založený na časové doméně, která zahrnuje frekvenční rozsah od DC až po přibližně 100 GHz (v závislosti na vlastnostech materiálu). Ještě v tomto roce se má program rozšířit o možnosti simulací přeslechů a vlivu via otvorů. Rovněž se připravuje možnost zobrazení diagramu oka (Eye Diagram). Program běží pod Windows i Linux a v současné době využívá schematického editoru programu Eagle, z čehož lze usuzovat, že je primárně určen návrhářům desek a že je zřejmě cenově přijatelný (přesnou cenu výrobce na svých webových stránkách neuvádí). Podrobnější informace o tomto programu jsme přinesli v minulém čísle tohoto časopisu.
Mentor Graphics / USA
Firma HyperLynx byla v 90. letech minulého století průkopníkem v simulacích signálové integrity určených běžným návrhářům desek. Později se stala divizí společnosti PADS, aby se nakonec stala součástí firmy Mentor Graphics, která programy HyperLynx poskytuje jak v návaznosti na svůj další software, tak i uživatelům jiných návrhových systémů. HyperLynx LineSim je určen pro pre- -layout simulaci přenosu signálu a nevyžaduje tak návaznost na konkrétní program pro návrh desek. HyperLynx BoardSim analyzuje již navrženou desku v návaznosti na programy PADS, Visula, Zuken CRxx, Allegro, Xpedition nebo na programy s výstupy ODB++ či Specctra. Oba programy mají také moduly pro simulace typu Crosstalk, EMC a simulace v GHz pásmu, případně pro speciální aplikace, jako jsou DDR paměti, SERDES, MultiBoard (více vzájemně propojených desek) atd. Simulován může být i vliv via otvorů na přenos signálu plošným spojem. Programy HyperLynx Line- Sim i BoardSim běží pod Windows, Linux a Solaris 10.
Signal Integrity Software (Sisoft) / USA
U nás zřejmě nepříliš známá společnost nabízí programy pro pre-layout i post-layout simulace v oblasti signal integrity a crosstalk, se specializovanými moduly pro DDR4 a Multiboard. Post- -layout simulace navazuje na návrh desek v programech Allegro, Xpedition, PADS, Board Station, Pantheon, Altium Designer, Zuken CR-5000 a v programech s výstupem ODB++.
Polar Instruments / Velká Británie
Programy firmy Polar Instruments sice přímo nemají možnosti simulací signálové integrity tak, jak byly popsány výše, ale i tak jsou v této problematice užitečnými pomocníky. Umožňují velmi detailně a precizně modelovat přenosovou linku vytvořenou plošným spojem při dané frekvenci a extrahovat všechny její potřebné parametry (včetně impedance atd.). Používají k tomu více než 90 různých možných struktur plošného spoje, které berou v úvahu i detaily, jako jsou skutečný tvar průřezu plošného spoje ovlivněného leptáním při výrobě nebo drsnost mědi na povrchu, která výrazně ovlivňuje přenos signálu vysokých frekvencí.
Sonnet Software / USA
I když je tento software určen hlavně pro analýzu na 3D planárních strukturách a anténách, může být použit i při simulaci signálové integrity na deskách plošných spojů, a to včetně vlivu via otvorů.
Simberian/USA
Software pro simulace signálové integrity na deskách plošných spojů a spojíchpro komunikační linky s přenosem 6−100 Gb/s a více. Zahrnuje pre-layout i post-layout simulace včetně vlivu via otvorů. Podle popisu programu na webových stránkách výrobce se jedná o poměrně zajímavý program. Cena není uvedena.
Jako příklad uvádíme několik produktů, u kterých je simulace signálové integrity na deskách jen jedním z možných využití. Širšímu záběru s přesným zpracováním simulací odpovídá i vyšší nárok na znalosti uživatele a vyšší cena softwaru.
Sigrity, Inc./ USA
Kompletní software pro simulace signálové a power integrity desek plošných spojů včetně EMC. Tento software je dodáván mnohým výrobcům návrhových systémů desek.
Nimbic / USA
Velmi rychlý a přesný simulační program pro signálovou a power integritu včetně EMC, který nepotřebuje pro svoji práci referenční vrstvu desky. Je používán i některými významnými dodavateli programů pro návrh desek.
Remcom, USA
XFdtd − simulační software pro signálovou integritu je zaměřen zejména na velké desky plošných spojů s backplane. Umožňuje také simulovat přeslechy a EMC poměry desek i v uzavřeném prostoru. Simulace používá časové domény.
AWR Corporation / USA
Simulační software firmy AWR má poměrně velký záběr možností různých simulací, zejména v oblasti mikrovlnných spojů.
ANSYS /USA
Simulační software pro signálovou integritu a EMC od firmy Ansys – průkopníka simulačních technik nejen pro elektroniku, ale i další obory.
