L’INTEGRITÀ DISEGNALE NEL PROCESSO DI PROGETTAZIONE AD ALTA VELOCITÀ

Gli ingegneri sanno che i segnali vengono trasmessi da un trasmettitore a un ricevitore, preferibilmente sulla base di teorie e simulazioni ideali. Tuttavia, le applicazioni del mondo reale hanno in serbo delle sorprese. Il funzionamento dei segnali nella realtà è molto spesso diverso dalle teorie insegnate nelle università e, di conseguenza, passare dalla teoria alla pratica può spesso portare a risultati imprevedibili.

INTRODUZIONE - COS’È L’INTEGRITÀ DISEGNALE?

Quando la corrente scorre attraverso una traccia di rame, possono verificarsi comportamenti diversi a seconda dell'energia proveniente dal driver del componente sorgente (trasmettitore). La simulazione dell'integrità del segnale in un progetto ad alta velocità è un approccio ideale per verificare la qualità del segnale sui componenti in rame della traccia e garantire la sicurezza e il funzionamento del sistema. L’analisi dell’integrità del segnale è un processo di simulazione post-layout che mostra accuratamente ciò che accade nella realtà e nei comportamenti durante l'uso quotidiano di un prodotto, consentendo di progettare prodotti affidabili con una migliore coerenza.

PERCHÉ DOVREI PREOCCUPARMI?

L'utilizzo di componenti ad alta velocità è in aumento nei mercati, mentre l'uso di componenti a bassa velocità è in diminuzione. Questo trend continua e rafforza le difficoltà nel garantire la qualità del segnale nei nostri complessi sistemi.

Un segnale è esposto a una varietà di interferenze, tra cui perdita, diafonia, riflessione, effetto pellicola e molti altri disturbi. Questi problemi sono ancora più complessi con tecnologie come la DDR 2/3/4, dove tutti i segnali devono essere perfettamente sincronizzati per essere letti dalla memoria mantenendo la stessa velocità di clock.

I driver a pin veloci sono comunemente usati per ottenere una buona sincronizzazione del segnale e, allo stesso tempo, fornire una potenza sufficiente su tutta la traccia di rame. Mentre questi pin possono ridurre al minimo i problemi di perdita di integrità del segnale, le lunghe linee di trasmissione sono soggette a disturbi.

Alcune teorie da tenere in mente per l’analisi del segnale:

La lunghezza elettrica transitoria (TEL) è definita come il movimento di un'onda elettromagnetica durante un cambiamento di segnale (tempo di salita (RT) / tempo di discesa (FT)):

• TEL = RT/FT * velocità del segnale

Una traccia su un PCB realizzato con FR-4 ha una velocità di circa:

• 15 cm/ns (6 pollici/ns)

Con un tempo di risalita/discesa di 300 ps:

• TEL = 0,3 ns * 15 cm/ns = 4,5 cm (1,77 pollici)

Se la traccia è più lunga del 20% del TEL, otterremo una linea di trasmissione e riflessioni:

• Inizio di riflessione = 0,3 ns * 15 cm/ns * 0,2 = 9 mm (350 mil)

Cosa significa tutto questo? Le tracce di rame lunghe più di 9 mm (350 mil) agiscono come linee di trasmissione e richiedono particolare attenzione durante il processo di progettazione.

ANALISI DEI RISCHI

Poiché esistono diversi tipi di disturbi che possono influenzare una traccia di rame, è necessario tenere conto di vari rischi e conseguenze se non si controlla la qualità e l’integrità del segnale dei propri sistemi. Ad esempio, esaminiamo un problema di riflessione. Il segnale è inviato dal trasmettitore al ricevitore ma è presente un sovraccarico di energia sul pin del ricevitore, come mostra la seguente Figura 1:

Figura 1 - Schema dell’analisi del segnale che illustra il problema di riflessionedal trasmettitore al ricevitore

Osservando questo effetto, possiamo notare varie distorsioni del segnale, come la sovramodulazione, che potrebbe bruciare il chip, o la sottomodulazione, che potrebbe commutare il dispositivo due volte. Nel secondo caso, dovremmo anche considerare l'anello di ritorno che potrebbe causare nuovamente la commutazione. In entrambi i casi, i rischi sono elevati e questo problema di qualità del segnale comporterà, probabilmente, costi aggiuntivi per i prototipi e aggiornamenti. Può anche comportare guasti al sistema dopo che il prodotto è stato commercializzato. Al di là dei semplici rischi tecnici, occorre tenere conto dell'impatto sul budget dell'azienda, poiché i costi iniziano ad aumentare ad ogni serie di prototipi realizzati.

Nel peggiore dei casi, i problemi non rilevati sui prototipi arriveranno sul mercato con bug e problemi ancora da scoprire. In una situazione del genere, probabilmente dovrai spendere notevoli risorse per riparare o sostituire i prodotti restituiti dai clienti. Il ritiro dei prodotti è ovviamente l'ultima cosa che un'azienda vuole affrontare, con gravi conseguenze in termini di reputazione e di budget.

POSSIBILI SOLUZIONI

Come possiamo evitare problemi di integrità disegnale e proteggerci da tutti questi potenziali problemi? Il primo passo è quello di analizzare il problema in profondità, prendendo buone decisioni di progettazione durante tutto il processo di progettazione. In altre parole, non avviare un progetto senza un piano concreto di successo.

Cosa deve includere? L'approccio più comune è quello di adattare l'impedenza della linea di trasmissione. Ciò richiede un routing a impedenza controllata. Se occorre un adattamento più grande, è possibile aggiungere una terminazione al segnale. Anche l'impedenza verrà regolata, evitando così tracce eccessivamente larghe sul PCB. In questo modo, la terminazione assorbe il sovraccarico di energia sulla linea di trasmissione proteggendo, così, il ricevitore.

Un altro fattore chiave per evitare disturbi è quello di pianificare il percorso di ritorno della corrente. Evita di dividere i piani di energia elettrica nell'area sottostante (o superiore) i segnali critici. Utilizza anche fori di via ciechi e interrati per questi segnali critici, in quanto le loro estremità possono fungere da antenna e generare interferenze indesiderate al segnale.

COME PUÒ AIUTARMI ALTIUM DESIGNER?

Altium Designer include uno strumento completo di analisi dell'integrità di segnale che può rilevare disturbi e distorsioni dei segnali sulla scheda. In primo luogo, un'analisi preliminare ti permette di valutare i problemi che potrebbero sorgere nel tuo progetto. È molto utile per rilevare i problemi di segnale nelle prime fasi del processo di progettazione e per prendere decisioni migliori durante il layout. In questa fase del progetto, l'analisi del segnale ovviamente non fornisce alcuna informazione sulla reale struttura dei livelli e può al massimo fornire una stima dei risultati. Quando la scheda con il routing e tutte le aree in rame sono completate, l'analisi post-layout può essere utilizzata per rilevare i veri disturbi del segnale.

Ovviamente, i modelli di simulazione sono necessari per avviare la simulazione. Per la simulazione dell'integrità del segnale, sono necessari modelli IBIS per tutti i circuiti integrati ai quali sono collegati i segnali da simulare. Altium Designer può gestire modelli IBIS per componenti di base come resistenze, condensatori, bobine, connettori, transistor, diodi e altro ancora. Tutto quello che devi fare è occuparti dei modelli di simulazione per i circuiti integrati. È possibile scaricarli dal sito internet del produttore.

Quando il routing sulla scheda è completo e i modelli IBIS sono stati collegati ai componenti, puoi avviare la simulazione di analisi per l'integrità del segnale. Avvia l’analisi e controlla la qualità del segnale. Se noti disturbi imprevisti, è preferibile eseguire di nuovo la simulazione. Questa volta, modifica le terminazioni che possono essere aggiunte al segnale. Altium Designer genera segnali con queste terminazioni sullo stesso grafico. Ciò permette di vedere quale terminazione è necessaria per regolare il segnale critico.

Ora sai di quale terminazione hai bisogno e puoi eseguire ulteriori analisi per determinare il valore del componente per una corrispondenza ottimale del segnale. Si tratta di una simulazione parametrica che modifica il valore della terminazione e permette di identificare il valore più utile.

Figura 2 - Simulazione parametrica di una terminazione di resistenza pull down per l’analisi dell’integrità di segnale

CONCLUSIONE

Grazie alla simulazione dell'integrità del segnale di Altium Designer, è possibile navigare facilmente attraverso le complesse aree della scheda ad alta velocità prima e dopo il processo di routing. Ma non si tratta solo dello strumento di simulazione. È anche necessario dedicare abbastanza tempo a pianificare il percorso della corrente inversa, i tempi di segnalazione e l'accumulo di livelli prima di instradare le tracce. Con una combinazione di simulazioni pre e post-layout e un'attenta pianificazione, è possibile produrre ogni volta un segnale impeccabile.