Las mejores herramientas de análisis de integridad de señal para PCB

El concepto de análisis de integridad de señal para respaldar diseños de PCB puede significar muchas cosas. En las PCB, se utilizan múltiples interfaces para conectar componentes, y cada una tiene distintos requisitos de integridad de señal, todos los cuales requieren algún nivel de análisis. En respuesta a la demanda de capacidades de análisis mejores y más rápidas, la industria del software EDA ha dado un paso adelante con muchas soluciones para diseño y análisis a nivel de sistema, con varias opciones dirigidas específicamente a tareas de análisis de integridad de señal en el diseño de PCB.

Esta guía ofrece una visión general de las distintas opciones para el análisis de integridad de señal y sus capacidades. Algunas de estas son herramientas de análisis a nivel de sistema, mientras que otras están especializadas en PCB. Algunas de estas opciones de software son gratuitas o de bajo costo, mientras que otras son más apropiadas para usuarios de nivel empresarial. El objetivo es ayudarle a determinar la mejor opción para su diseño, presupuesto y nivel de experiencia.

Tipos de software de análisis de integridad de señal

Todo software de integridad de señal realiza algún tipo de simulación, ya sea a nivel de circuito, directamente desde el diseño de la PCB en 2D o 3D, o como redes lineales con modelos de simulación extraídos. Una vez realizadas las simulaciones, el software automatiza tareas de análisis que ayudan a los ingenieros a comprender o prevenir posibles problemas de integridad de señal en un diseño. Diferentes tipos de análisis son posibles en distintos paquetes de software, y la industria EDA ofrece muchas opciones para el análisis de integridad de señal.

Hay muchas tareas de análisis de integridad de señal que pueden realizarse con las herramientas de software adecuadas. El análisis normalmente comprende análisis de circuitos, modelado de redes lineales y modelado a nivel de sistema.

Análisis de circuitos

En estos simuladores, los modelos de circuito se diseñan y se utilizan para comprender la integridad de señal, tanto en términos de cómo las señales interactúan con los componentes como con las interconexiones físicas en un diseño. En el primer caso, el análisis de circuitos se utiliza para comprender cómo un circuito transmisor o receptor genera o interpreta una señal. En el caso de los transmisores, el objetivo es evitar la distorsión, mientras que en los receptores, el circuito debe ser capaz de extraer datos, realizar mediciones o terminar correctamente una señal.

Normalmente se trata de simuladores basados en SPICE, como las siguientes opciones:

• ngspice: Motor SPICE de código abierto compatible con simulaciones de circuitos transitorias, AC, de ruido y de señal mixta.
• LTspice: Simulador SPICE gratuito de uso extendido con sólido soporte para reguladores conmutados y circuitos analógicos.
• Altium Designer: Incluye simulación SPICE integrada directamente en el editor esquemático y admite múltiples formatos de modelos SPICE, incluidos modelos LTspice y PSpice.
• QUCS: Simulador de circuitos basado en esquemáticos compatible con simulaciones AC, transitorias, de parámetros S y de RF, comúnmente utilizado para el desarrollo de circuitos analógicos y de RF.

Estas herramientas normalmente no se utilizan para simulaciones completas de integridad de señal a nivel de sistema. En su lugar, evalúan cómo los circuitos interactúan con las interconexiones o cómo el comportamiento del circuito afecta la integridad de señal en distintos rangos de frecuencia. Para una evaluación más completa de la integridad de señal que involucre interconexiones físicas, recurrimos a aplicaciones EDA que proporcionan análisis de redes lineales.

Análisis de redes lineales

Las redes lineales pueden construirse a partir de modelos de simulación para describir el comportamiento completo de la interconexión desde el transmisor hasta el receptor. Estas redes pueden construirse a partir de modelos de circuito, modelos SPICE o modelos de parámetros S que describen el comportamiento del circuito. Estos modelos pueden construirse a partir de circuitos equivalentes, simulaciones electromagnéticas de onda completa o modelos fenomenológicos. El objetivo del análisis de redes lineales es crear una cascada de elementos individuales de interconexión (conectores, pistas, vías, etc.) para construir un modelo de simulación completo para analizar la integridad de señal.

Muchas herramientas estándar de simulación a nivel de sistema tienen funciones de redes lineales integradas. Estas incluyen:

• Simbeor: Compatible con archivos Touchstone y modelos de circuito en una GUI para análisis SI
• pyBERT: Un paquete Python de código abierto que admite los mismos análisis que otras herramientas EDA
• CST: Incluye un simulador electromagnético de onda completa y un analizador de redes lineales
• Ansys: Igual que CST, pero con algunas tareas de análisis y construcción de modelos automatizadas
• Keysight ADS: Una aplicación popular para el análisis de integridad de señal en PCB, encapsulados y sistemas
• MATLAB: Incluye muchos paquetes especializados para integridad de señal y diseño de RF
• QUCS: The Quite Universal Circuit Simulator (QUCS) puede usar archivos Touchstone junto con otros modelos para analizar la integridad de señal
• FastMaxwell: Un simulador de código abierto que puede extraer archivos Touchstone de estructuras conductoras 3D complejas, como circuitos RF impresos

El objetivo suele ser producir un análisis estándar necesario para la integridad de señal, como diagramas de ojo, parámetros S o resultados de simulación transitoria. Estas simulaciones pueden ampliarse aún más con aplicaciones más avanzadas de análisis de diseño de sistemas, lo que proporciona una descripción mucho más precisa del comportamiento del sistema.

Aplicaciones EDA para diseño de sistemas

Las herramientas de diseño a nivel de sistema amplían el enfoque de análisis de redes lineales al incorporar modelos de comportamiento, ecualización digital y funciones conscientes del protocolo que permiten a los diseñadores evaluar canales de comunicación completos. Por ejemplo, herramientas como Keysight ADS pueden incluir modelos IBIS o IBIS-AMI para el comportamiento del transmisor y del receptor, lo que permite simular ecualización, tolerancia al jitter y cumplimiento del canal en enlaces SerDes de alta velocidad. Estas aplicaciones se utilizan comúnmente para validar canales para estándares como PCIe, Ethernet o USB mediante la generación de parámetros S, diagramas de ojo y estimaciones de tasa de error de bits basadas en modelos realistas del canal.

Simuladores comerciales y de código abierto

Aunque las herramientas de análisis de integridad de señal ayudan a analizar modelos extraídos de simulación o medición, puede seguir siendo necesaria una aplicación de simulación para desarrollar los modelos utilizados en las aplicaciones de análisis. Por ejemplo, en casos en los que se analiza un diseño propuesto de conector, una aplicación de simulación puede utilizarse para extraer un modelo de parámetros S como archivo Touchstone para usarlo en una aplicación de análisis. Los simuladores comerciales y de código abierto pueden utilizarse para extraer estos modelos. Estos se resumen en la siguiente tabla.

Estas aplicaciones también proporcionan sus propias capacidades de análisis como funciones integradas, ya sean automatizadas o semiautomatizadas. En algunos flujos de trabajo pueden realizar tanto la extracción de modelos como el análisis de integridad de señal, aunque muchos equipos de diseño siguen confiando en software dedicado de análisis SI para la verificación de canales y la validación a nivel de sistema.

Herramientas de visualización y análisis de datos para integridad de señal

Los flujos de trabajo de integridad de señal a menudo dependen de herramientas que importan archivos Touchstone (parámetros S), representan resultados en el dominio del tiempo o de la frecuencia y generan métricas rápidas como pérdida de retorno, pérdida de inserción o diagramas de ojo. Las opciones comerciales como Keysight PLTS y el editor Touchstone dentro de HyperLynx proporcionan estas capacidades en una GUI pulida, pero requieren licencias de pago.

MATLAB se utiliza comúnmente para analizar datos de parámetros S, generar diagramas de ojo e implementar simulaciones personalizadas de canal. Para los ingenieros que buscan una alternativa gratuita, GNU Octave proporciona un entorno ampliamente compatible capaz de ejecutar muchos scripts de MATLAB con modificaciones mínimas. Octave también está integrado en QUCS, lo que permite a los ingenieros realizar posprocesamiento avanzado y análisis de datos directamente sobre los resultados de simulación de circuitos.

Visualización de parámetros S en MATLAB. [Fuente: MathWorks]

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Preguntas frecuentes

¿Cuál es el mejor software para análisis de integridad de señal?

No existe un único software “mejor”. La elección correcta depende del nivel de automatización necesario para construir modelos de simulación y ejecutar tareas de análisis. Algunos programas ofrecen a los usuarios más control u opciones de simulación, construcción de modelos y configuración de tareas de análisis.

¿El software de diseño de PCB admite análisis de integridad de señal?

Sí, el software de diseño de PCB permite el análisis de integridad de señal. Esto se realiza directamente con funciones integradas o indirectamente al permitir exportaciones en formatos de datos estándar para su uso en otras aplicaciones de simulación.

¿Puede usarse SPICE para el análisis de integridad de señal en PCB?

SPICE normalmente se utiliza para validación a nivel de circuito. No considera modelos reales de líneas de transmisión ni modelos de interconexión extraídos de simuladores electromagnéticos #D, por lo que no captura completamente el comportamiento real del sistema en la PCB.

¿Se requiere simulación electromagnética 3D para el análisis de integridad de señal?

No, no para todos los análisis. En el contexto del análisis de integridad de señal, la simulación electromagnética 3D se utiliza para el cálculo directo del campo electromagnético o para extraer modelos que se usarán en el análisis de redes lineales.