Meilleurs outils d’analyse de l’intégrité du signal pour les PCB

Le concept d’analyse de l’intégrité du signal pour prendre en charge les conceptions de PCB peut recouvrir de nombreuses réalités. Dans les PCB, plusieurs interfaces sont utilisées pour connecter les composants, et chacune présente des exigences différentes en matière d’intégrité du signal, nécessitant toutes un certain niveau d’analyse. Pour répondre à la demande de capacités d’analyse meilleures et plus rapides, l’industrie des logiciels EDA a développé de nombreuses solutions de conception et d’analyse au niveau système, avec plusieurs options ciblant spécifiquement les tâches d’analyse de l’intégrité du signal dans la conception de PCB.

Ce guide présente une vue d’ensemble des différentes options d’analyse de l’intégrité du signal et de leurs capacités. Certains de ces outils sont des solutions d’analyse au niveau système, tandis que d’autres sont spécialisés pour les PCB. Certaines de ces options logicielles sont gratuites ou peu coûteuses, tandis que d’autres conviennent davantage aux utilisateurs de niveau entreprise. L’objectif est de vous aider à déterminer la meilleure option en fonction de votre conception, de votre budget et de votre niveau d’expertise.

Types de logiciels d’analyse de l’intégrité du signal

Tous les logiciels d’intégrité du signal effectuent un certain type de simulation, qu’il s’agisse d’une simulation au niveau circuit, directement à partir du routage PCB en 2D ou en 3D, ou sous forme de réseaux linéaires avec des modèles de simulation extraits. Une fois les simulations effectuées, le logiciel automatise les tâches d’analyse qui aident les ingénieurs à comprendre ou à prévenir d’éventuels problèmes d’intégrité du signal dans une conception. Différents types d’analyses sont possibles selon les logiciels, et l’industrie EDA propose de nombreuses options pour l’analyse de l’intégrité du signal.

De nombreuses tâches d’analyse de l’intégrité du signal peuvent être réalisées avec les bons outils logiciels. L’analyse comprend généralement l’analyse de circuits, la modélisation de réseaux linéaires et la modélisation au niveau système.

Analyse de circuits

Dans ces simulateurs, des modèles de circuits sont conçus et utilisés pour comprendre l’intégrité du signal, à la fois en termes d’interaction des signaux avec les composants et avec les interconnexions physiques d’une conception. Dans le premier cas, l’analyse de circuits est utilisée pour comprendre comment un circuit émetteur ou récepteur génère ou interprète un signal. Pour les émetteurs, l’objectif est d’éviter la distorsion, tandis que pour les récepteurs, le circuit doit être capable d’extraire les données, d’effectuer des mesures ou de terminer correctement un signal.

Il s’agit généralement de simulateurs basés sur SPICE, comme les options suivantes :

• ngspice : Moteur SPICE open source prenant en charge les simulations transitoires, AC, de bruit et de circuits mixtes analogiques/numériques.
• LTspice : Simulateur SPICE gratuit largement utilisé, avec une excellente prise en charge des régulateurs à découpage et des circuits analogiques.
• Altium Designer : Inclut une simulation SPICE intégrée directement dans l’éditeur de schémas et prend en charge plusieurs formats de modèles SPICE, y compris les modèles LTspice et PSpice.
• QUCS : Simulateur de circuits basé sur schéma prenant en charge les simulations AC, transitoires, à paramètres S et RF, couramment utilisé pour le développement de circuits analogiques et RF.

Ces outils ne sont normalement pas utilisés pour des simulations complètes de l’intégrité du signal au niveau système. Ils servent plutôt à évaluer la manière dont les circuits interagissent avec les interconnexions ou comment le comportement des circuits affecte l’intégrité du signal sur différentes plages de fréquences. Pour une évaluation plus complète de l’intégrité du signal impliquant des interconnexions physiques, on se tourne vers des applications EDA qui fournissent une analyse de réseaux linéaires.

Analyse de réseaux linéaires

Les réseaux linéaires peuvent être construits à partir de modèles de simulation afin de décrire le comportement complet des interconnexions, de l’émetteur au récepteur. Ces réseaux peuvent être construits à partir de modèles de circuits, de modèles SPICE ou de modèles à paramètres S décrivant le comportement des circuits. Ces modèles peuvent être construits à partir de circuits équivalents, de simulations électromagnétiques full-wave ou de modèles phénoménologiques. L’objectif de l’analyse de réseaux linéaires est de créer une cascade d’éléments d’interconnexion individuels (connecteurs, pistes, vias, etc.) afin de construire un modèle de simulation complet pour analyser l’intégrité du signal.

De nombreux outils standard de simulation au niveau système intègrent des fonctions de réseaux linéaires. Parmi eux :

• Simbeor : Prend en charge les fichiers Touchstone et les modèles de circuits dans une interface graphique pour l’analyse SI
• pyBERT : Package Python open source prenant en charge les mêmes analyses que d’autres outils EDA
• CST : Inclut un simulateur électromagnétique full-wave et un analyseur de réseaux linéaires
• Ansys : Identique à CST, mais avec certaines tâches d’analyse et de création de modèles automatisées
• Keysight ADS : Application populaire pour l’analyse de l’intégrité du signal dans les PCB, les boîtiers et les systèmes
• MATLAB : Inclut de nombreux packages spécialisés pour l’intégrité du signal et la conception RF
• QUCS : The Quite Universal Circuit Simulator (QUCS) peut utiliser des fichiers Touchstone avec d’autres modèles pour analyser l’intégrité du signal
• FastMaxwell : Simulateur open source capable d’extraire des fichiers Touchstone à partir de structures conductrices 3D complexes, telles que des circuits RF imprimés

L’objectif est généralement de produire une analyse standard nécessaire à l’intégrité du signal, comme des diagrammes de l’œil, des paramètres S ou des résultats de simulation transitoire. Ces simulations peuvent être étendues davantage à l’aide d’applications plus avancées d’analyse de conception système, ce qui fournit une description beaucoup plus précise du comportement du système.

Applications EDA de conception système

Les outils de conception au niveau système étendent l’approche d’analyse de réseaux linéaires en intégrant des modèles comportementaux, l’égalisation numérique et des fonctions tenant compte des protocoles, qui permettent aux concepteurs d’évaluer des canaux de communication complets. Par exemple, des outils comme Keysight ADS peuvent inclure des modèles IBIS ou IBIS-AMI pour le comportement de l’émetteur et du récepteur, permettant de simuler l’égalisation, la tolérance au jitter et la conformité du canal dans les liaisons SerDes haut débit. Ces applications sont couramment utilisées pour valider des canaux selon des normes telles que PCIe, Ethernet ou USB en générant des paramètres S, des diagrammes de l’œil et des estimations du taux d’erreur binaire à partir de modèles de canaux réalistes.

Simulateurs commerciaux et open source

Bien que les outils d’analyse de l’intégrité du signal aident à analyser des modèles extraits par simulation ou par mesure, une application de simulation peut néanmoins être nécessaire pour développer les modèles utilisés dans les applications d’analyse. Par exemple, lorsqu’il s’agit d’analyser une proposition de conception de connecteur, une application de simulation peut être utilisée pour extraire un modèle à paramètres S sous forme de fichier Touchstone afin de l’utiliser dans une application d’analyse. Des simulateurs commerciaux et open source peuvent être utilisés pour extraire ces modèles. Ils sont résumés dans le tableau suivant.

Ces applications fournissent également leurs propres capacités d’analyse sous forme de fonctions intégrées, automatisées ou semi-automatisées. Dans certains flux de travail, elles peuvent assurer à la fois l’extraction de modèles et l’analyse de l’intégrité du signal, bien que de nombreuses équipes de conception s’appuient encore sur des logiciels SI dédiés pour la vérification des canaux et la validation au niveau système.

Outils d’affichage et d’analyse des données pour l’intégrité du signal

Les flux de travail d’intégrité du signal s’appuient souvent sur des outils capables d’importer des fichiers Touchstone (paramètres S), de tracer les résultats dans le domaine temporel ou fréquentiel, et de générer rapidement des métriques telles que la perte de retour, la perte d’insertion ou des diagrammes de l’œil. Des options commerciales comme Keysight PLTS et l’éditeur Touchstone intégré à HyperLynx offrent ces capacités dans une interface graphique soignée, mais elles nécessitent des licences payantes.

MATLAB est couramment utilisé pour analyser les données de paramètres S, générer des diagrammes de l’œil et mettre en œuvre des simulations de canaux personnalisées. Pour les ingénieurs à la recherche d’une alternative gratuite, GNU Octave fournit un environnement largement compatible capable d’exécuter de nombreux scripts MATLAB avec un minimum de modifications. Octave est également intégré à QUCS, ce qui permet aux ingénieurs d’effectuer un post-traitement avancé et une analyse des données directement sur les résultats de simulation de circuits.

Visualisation des paramètres S dans MATLAB. [Source : MathWorks]

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Questions fréquentes

Quel est le meilleur logiciel pour l’analyse de l’intégrité du signal ?

Il n’existe pas de logiciel unique « meilleur » que les autres. Le bon choix dépend du niveau d’automatisation nécessaire pour construire les modèles de simulation et exécuter les tâches d’analyse. Certains logiciels offrent aux utilisateurs davantage de contrôle sur les options de simulation, la création de modèles et la configuration des tâches d’analyse.

Les logiciels de conception de PCB prennent-ils en charge l’analyse de l’intégrité du signal ?

Oui, les logiciels de conception de PCB permettent l’analyse de l’intégrité du signal. Cela se fait directement grâce à des fonctions intégrées, ou indirectement en autorisant des exportations dans des formats de données standard à utiliser dans d’autres applications de simulation.

SPICE peut-il être utilisé pour l’analyse de l’intégrité du signal dans les PCB ?

SPICE est normalement utilisé pour la validation au niveau circuit. Il ne prend pas en compte les modèles réels de lignes de transmission ni les modèles d’interconnexion extraits de simulateurs électromagnétiques 3D, et ne capture donc pas entièrement le comportement réel du système sur le PCB.

La simulation électromagnétique 3D est-elle nécessaire pour l’analyse de l’intégrité du signal ?

Non, pas pour toutes les analyses. Dans le contexte de l’analyse de l’intégrité du signal, la simulation électromagnétique 3D est utilisée pour le calcul direct du champ électromagnétique, ou pour extraire des modèles destinés à être utilisés dans l’analyse de réseaux linéaires.