I migliori strumenti di analisi dell'integrità del segnale per PCB

Il concetto di analisi dell’integrità del segnale a supporto della progettazione PCB può significare molte cose. Nei PCB vengono utilizzate più interfacce per collegare i componenti, e ciascuna presenta requisiti diversi in termini di integrità del segnale, richiedendo quindi un certo livello di analisi. In risposta alla domanda di capacità di analisi migliori e più rapide, il settore del software EDA ha introdotto numerose soluzioni per la progettazione e l’analisi a livello di sistema, con diverse opzioni specificamente mirate alle attività di analisi dell’integrità del segnale nella progettazione PCB.

Questa guida fornisce una panoramica delle varie opzioni per l’analisi dell’integrità del segnale e delle loro capacità. Alcuni di questi strumenti sono tool di analisi a livello di sistema, mentre altri sono specializzati per i PCB. Alcune di queste opzioni software sono gratuite o a basso costo, mentre altre sono più adatte a utenti di livello enterprise. L’obiettivo è aiutarti a determinare l’opzione migliore per il tuo progetto, il tuo budget e il tuo livello di esperienza.

Tipi di software per l’analisi dell’integrità del segnale

Tutti i software per l’integrità del segnale eseguono qualche tipo di simulazione, che sia a livello di circuito, direttamente dal layout PCB in 2D o 3D, oppure come reti lineari con modelli di simulazione estratti. Una volta eseguite le simulazioni, il software automatizza le attività di analisi che aiutano gli ingegneri a comprendere o prevenire possibili problemi di integrità del segnale in un progetto. Diversi tipi di analisi sono possibili in diversi pacchetti software, e il settore EDA offre molte opzioni per l’analisi dell’integrità del segnale.

Esistono molte attività di analisi dell’integrità del segnale che possono essere eseguite con gli strumenti software appropriati. L’analisi comprende tipicamente l’analisi circuitale, la modellazione di reti lineari e la modellazione a livello di sistema.

Analisi circuitale

In questi simulatori, i modelli circuitali vengono progettati e utilizzati per comprendere l’integrità del segnale, sia in termini di come i segnali interagiscono con i componenti sia con le interconnessioni fisiche in un progetto. Nel primo caso, l’analisi circuitale viene utilizzata per capire come un circuito trasmittente o ricevente generi o interpreti un segnale. Per i driver, l’obiettivo è prevenire la distorsione, mentre per i ricevitori il circuito deve essere in grado di estrarre dati, effettuare misure o terminare correttamente un segnale.

Si tratta tipicamente di simulatori basati su SPICE, come le seguenti opzioni:

• ngspice: Motore SPICE open-source che supporta simulazioni circuitali transitorie, AC, di rumore e mixed-signal.
• LTspice: Simulatore SPICE gratuito ampiamente utilizzato, con un forte supporto per regolatori switching e circuiti analogici.
• Altium Designer: Include la simulazione SPICE integrata direttamente nell’editor degli schemi e supporta più formati di modelli SPICE, inclusi i modelli LTspice e PSpice.
• QUCS: Simulatore circuitale basato su schemi che supporta simulazioni AC, transitorie, a parametri S e RF, comunemente utilizzato per lo sviluppo di circuiti analogici e RF.

Questi strumenti normalmente non vengono utilizzati per simulazioni complete dell’integrità del segnale a livello di sistema. Valutano invece come i circuiti interagiscono con le interconnessioni o come il comportamento del circuito influisce sull’integrità del segnale in diversi intervalli di frequenza. Per una valutazione più completa dell’integrità del segnale che coinvolga le interconnessioni fisiche, ci rivolgiamo ad applicazioni EDA che forniscono analisi di reti lineari.

Analisi di reti lineari

Le reti lineari possono essere costruite a partire da modelli di simulazione per descrivere il comportamento completo dell’interconnessione dal driver al ricevitore. Queste reti possono essere costruite da modelli circuitali, modelli SPICE o modelli a parametri S che descrivono il comportamento del circuito. Questi modelli possono essere costruiti a partire da circuiti equivalenti, simulazioni elettromagnetiche full-wave o modelli fenomenologici. L’obiettivo nell’analisi di reti lineari è creare una cascata di singoli elementi di interconnessione (connettori, tracce, via, ecc.) per costruire un modello di simulazione completo per l’analisi dell’integrità del segnale.

Molti strumenti standard di simulazione a livello di sistema hanno funzionalità di rete lineare integrate. Tra questi:

• Simbeor: Supporta file Touchstone e modelli circuitali in una GUI per l’analisi SI
• pyBERT: Pacchetto Python open-source che supporta le stesse analisi di altri strumenti EDA
• CST: Include un simulatore elettromagnetico full-wave e un analizzatore di reti lineari
• Ansys: Come CST, ma con alcune attività di analisi e costruzione dei modelli automatizzate
• Keysight ADS: Applicazione molto diffusa per l’analisi dell’integrità del segnale in PCB, package e sistemi
• MATLAB: Include molti pacchetti specializzati per l’integrità del segnale e la progettazione RF
• QUCS: The Quite Universal Circuit Simulator (QUCS) può utilizzare file Touchstone insieme ad altri modelli per analizzare l’integrità del segnale
• FastMaxwell: Simulatore open-source che può estrarre file Touchstone da strutture conduttive 3D complesse, come i circuiti RF stampati

L’obiettivo è tipicamente produrre un’analisi standard necessaria per l’integrità del segnale, come diagrammi a occhio, parametri S o risultati di simulazioni transitorie. Queste simulazioni possono essere ulteriormente estese con applicazioni più avanzate di analisi per la progettazione di sistemi, che forniscono una descrizione molto più accurata del comportamento del sistema.

Applicazioni EDA per la progettazione di sistemi

Gli strumenti di progettazione a livello di sistema estendono l’approccio dell’analisi di reti lineari incorporando modelli comportamentali, equalizzazione digitale e funzionalità consapevoli del protocollo che consentono ai progettisti di valutare canali di comunicazione completi. Ad esempio, strumenti come Keysight ADS possono includere modelli IBIS o IBIS-AMI per il comportamento di trasmettitori e ricevitori, consentendo la simulazione di equalizzazione, tolleranza al jitter e conformità del canale nei collegamenti SerDes ad alta velocità. Queste applicazioni sono comunemente utilizzate per validare canali per standard come PCIe, Ethernet o USB generando parametri S, diagrammi a occhio e stime del bit error rate basate su modelli di canale realistici.

Simulatori commerciali e open-source

Sebbene gli strumenti di analisi dell’integrità del segnale aiutino ad analizzare modelli estratti da simulazione o misura, può comunque essere necessaria un’applicazione di simulazione per sviluppare i modelli utilizzati nelle applicazioni di analisi. Ad esempio, nei casi in cui si analizzi un progetto di connettore proposto, un’applicazione di simulazione può essere utilizzata per estrarre un modello a parametri S come file Touchstone da usare in un’applicazione di analisi. Simulatori commerciali e open-source possono essere utilizzati per estrarre questi modelli. Questi sono riepilogati nella tabella seguente.

Queste applicazioni forniscono anche proprie capacità di analisi come funzionalità integrate, automatizzate o semi-automatizzate. In alcuni flussi di lavoro possono eseguire sia l’estrazione dei modelli sia l’analisi dell’integrità del segnale, sebbene molti team di progettazione continuino ad affidarsi a software SI dedicati per la verifica del canale e la validazione a livello di sistema.

Strumenti di visualizzazione e analisi dei dati per l’integrità del segnale

I flussi di lavoro per l’integrità del segnale si basano spesso su strumenti che importano file Touchstone (parametri S), tracciano i risultati nel dominio del tempo o della frequenza e generano rapidamente metriche come return loss, insertion loss o diagrammi a occhio. Opzioni commerciali come Keysight PLTS e l’editor Touchstone all’interno di HyperLynx offrono queste capacità in una GUI raffinata, ma richiedono licenze a pagamento.

MATLAB è comunemente utilizzato per analizzare dati a parametri S, generare diagrammi a occhio e implementare simulazioni personalizzate del canale. Per gli ingegneri che cercano un’alternativa gratuita, GNU Octave offre un ambiente ampiamente compatibile in grado di eseguire molti script MATLAB con modifiche minime. Octave è inoltre integrato in QUCS, consentendo agli ingegneri di eseguire post-processing avanzato e analisi dei dati direttamente sui risultati delle simulazioni circuitali.

Visualizzazione dei parametri S in MATLAB. [Fonte: MathWorks]

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Domande frequenti

Qual è il miglior software per l’analisi dell’integrità del segnale?

Non esiste un unico software “migliore”. La scelta corretta dipende dal livello di automazione necessario nella costruzione dei modelli di simulazione e nell’esecuzione delle attività di analisi. Alcuni software offrono agli utenti maggiore controllo o più opzioni di simulazione, di costruzione dei modelli e di configurazione delle attività di analisi.

Il software di progettazione PCB supporta l’analisi dell’integrità del segnale?

Sì, il software di progettazione PCB consente l’analisi dell’integrità del segnale. Questo avviene direttamente tramite funzionalità integrate, oppure indirettamente permettendo esportazioni in formati dati standard da utilizzare in altre applicazioni di simulazione.

SPICE può essere utilizzato per l’analisi dell’integrità del segnale nei PCB?

SPICE viene normalmente utilizzato per la validazione a livello di circuito. Non considera modelli reali di linee di trasmissione o modelli di interconnessione estratti da simulatori elettromagnetici #D, quindi non cattura completamente il comportamento reale del sistema sul PCB.

La simulazione elettromagnetica 3D è necessaria per l’analisi dell’integrità del segnale?

No, non per tutte le analisi. Nel contesto dell’analisi dell’integrità del segnale, la simulazione elettromagnetica 3D viene utilizzata per il calcolo diretto del campo elettromagnetico oppure per estrarre modelli da utilizzare nell’analisi di reti lineari.