Cos'è l'integrità di segnale?

Zachariah Peterson
|  Creato: October 1, 2021  |  Aggiornato: February 17, 2022
cos'è la Signal Integrity in un progetto PCB

Molte delle linee guida per il routing e il layout PCB attualmente in uso, anche per dispositivi e segnali a velocità moderata, sono pensate al fine di garantire l'integrità del segnale. Se non hai familiarità con la progettazione PCB e non hai mai affrontato problemi di questo genere, garantire la signal integrity in un progetto PCB potrebbe sembrarti un'operazione complessa.

I PCB moderni possono riscontrare diversi problemi che è possibile risolvere o evitare seguendo alcune semplici pratiche di layout. Le pratiche per l'integrità di segnale si focalizzano sull'identificazione e la risoluzione di questi problemi nel layout PCB, in modo che un segnale analogico o digitale non subisca una distorsione durante la propagazione e possa essere recuperato mentre viaggia attraverso un'interconnessione.

In questa guida, offriremo una breve panoramica di alcuni problemi di signal integrity che possono insorgere in un layout PCB, nonché alcune semplici soluzioni per risolverli. Implementando queste tecniche fin dall'inizio della fase di progettazione, sarà molto più semplice garantire l'integrità del segnale una volta sbrogliata la scheda.

Nozioni di base sulla signal integrity

L'implementazione di pratiche per la signal integrity all'interno del layout e del routing PCB ha come obiettivo quello di garantire che il segnale non si degradi durante il trasferimento da un componente del driver a un ricevitore. In altre parole, vogliamo accertarci che il segnale registrato alla fine di un'interconnessione corrisponda al segnale trasmesso al suo inizio. Sebbene sia impossibile prevenire del tutto la distorsione del segnale, esistono alcuni semplici accorgimenti che possono aiutarci a minimizzarla e far sì che il ricevitore registri sempre il segnale corretto.

Ci sono alcune pratiche di progettazione standard per farlo che dovrebbero essere implementate fin dalla cattura degli schemi e dalla progettazione dello stack-up. In effetti, molti problemi di: integrità del segnale, integrità di alimentazione e d'interferenza/compatibilità elettromagnetica possono essere risolti con una progettazione dello stack-up appropriata e con la disposizione di alimentazione, massa e routing su layer separati. Altre semplici soluzioni includono la scelta di un condensatore appropriato e il calcolo dell'impedenza, così come una buona comprensione del funzionamento delle tracce single-ended e differenziali.

Quando bisogna preoccuparsi dell'integrità del segnale?

Tecnicamente, qualsiasi progetto potrebbe presentare problemi di integrità del segnale. Tuttavia, generalmente, questi non interferiscono con la funzionalità del prodotto né creano rumore eccessivo, almeno finché non si inizia a lavorare con segnali digitali ad alta velocità o progetti analogici ad alta frequenza. In questi casi gli aspetti da considerare sono diversi:

  • Calcolo accurato dell'impedenza per prevenire riflessi di segnale
  • Perdite e dispersione durante la propagazione lungo interconnessioni lunghe
  • Crosstalk provocato dalla commutazione rapida dei segnali digitali
  • Perdite d'irradiazione eccessive, che possono manifestarsi come un forte rumore durante i test di compatibilità elettromagnetica
  • Effetti di overshoot e undershoot nei segnali digitali causati da un'induttanza eccessiva (o ground bounce)
  • Accoppiamento dei segnali ad alta frequenza tramite elementi passivi
  • Skew o perdita del segnale di risonanza causata dalla trama della fibra
  • Effetto jitter, dovuto a fluttuazioni casuali nel fronte di transizione o a problemi di integrità del segnale, dell'alimentazione o di interferenza elettromagnetica
  • Ulteriori perdite dovute alla rugosità del rame lungo un'interconnessione

Queste sono più impegnative da risolvere quando si opera ad alte frequenze o a velocità di commutazione più elevate come nelle schede digitali ad alta velocità. Tuttavia, per fare in modo che il progetto non presenti difetti causati da questi problemi, esistono alcuni semplici passaggi che possono essere implementati durante la progettazione per garantire l'integrità di segnale.

Inizia con lo stack-up

Per garantire l'integrità di segnale, è importante definire chiaramente la massa e posizionarla vicino alle tracce importanti durante il routing. Uno stack-up progettato in maniera adeguata, la selezione di piani di alimentazione e di massa, così come la definizione dei layer di segnale, consentiranno di risolvere la maggior parte dei problemi di interferenza elettromagnetica e d'integrità del segnale. Una progettazione adeguata dello stack-up influisce positivamente anche sull'integrità dell'alimentazione.

L'immagine qui sotto illustra un tipico stack-up con layer di segnale, alimentazione e massa alternati. In questo esempio, il progetto utilizza piani di massa adiacenti a layer di segnale per fornire schermatura, un percorso di ritorno a bassa impedenza e la capacità di definire linee di impedenza controllate (stripline e microstrisce). Fornire un percorso di ritorno a bassa impedenza, con un'impedenza di traccia ben definita e un piano di massa vicino ai segnali, aiuta a prevenire i riflessi, riduce l'irradiazione e i problemi EMI e garantisce una schermatura dai segnali posti su layer diversi.

stackup PCB di base per l'integrità del segnale
Il posizionamento degli strati di segnale adiacenti alla GND consente la progettazione e il routing della traccia di impedenza controllata per supportare segnali ad alta velocità e ad alta frequenza. È possibile aggiungere più coppie Sig/GND alternate in strati interni per supportare più reti che operano ad alta velocità e ad alta frequenza.

È noto come lo spessore dei layer per microstrisce, stripline o posizionamenti complanari influisca sulle perdite nei segnali digitali o analogici. Una scelta attenta dello spessore dielettrico nei layer di segnale che devono supportare segnali ad alta velocità/alta frequenza aiuta a risolvere parte di questi problemi. Inoltre, selezionare materiali e placcature appropriate per le tracce esposte può ridurre le perdite ad alte frequenze. Per esempio, in progetti mmWave che richiedono una precisa integrità del segnale. Insieme, questi accorgimenti possono aiutare a minimizzare le perdite di segnale durante il routing.

L'importanza dell'impedenza e del routing

Una volta determinato lo stack-up e posizionati i componenti importanti, il layout è completato sbrogliando le tracce. Gli standard di segnale utilizzati nelle interfacce digitali e per i segnali analogici ad alta frequenza specificano i requisiti di impedenza che devono essere rispettati per garantire l'integrità del segnale e prevenire problemi nei canali ad alta velocità. Durante il routing, occorre prestare molta attenzione ad alcune importanti qualità geometriche delle tracce nel PCB:

  • Impedenza single-ended e differenziale
  • Spaziatura costante e tolleranze per l'equalizzazione delle tracce nelle coppie differenziali
  • Garantire un percorso di ritorno adatto con fori di via messi a massa e piani uniformi
  • Ridurre al minimo le transizioni tramite fori di via e le curvature eccessive ad alte frequenze (10 GHz)
  • Rimuovere stubs sui percorsi a velocità/frequenza più elevate

I primi due punti hanno lo scopo di garantire che l'impedenza lungo il percorso non si discosti dal valore specificato nello standard di segnale richiesto dal progetto. Il terzo punto si occupa delle interferenze elettromagnetiche e i rumori dovuti all'accoppiamento, assicurando che la corrente di ritorno generata dai segnali ad alta velocità/frequenza abbia una bassa induttanza. Gli ultimi due punti si riferiscono alla necessità di eliminare perdite e riflessioni di segnale causate da eventuali discontinuità dei valori di impedenza lungo il routing. Tenendo conto che elementi come connettori e fori di via possono avere un'impedenza di ingresso diversa dal valore richiesto, vengono usate le regole di progettazione per garantire il conseguimento degli obbiettivi di impedenza.

Routing PCB per garantire l'integrità del segnale
Come esempio di vincoli di routing, la corrispondenza della lunghezza dovrebbe essere applicata nelle coppie differenziali per assicurare la massima soppressione del rumore di modo comune in un progetto.

Gli strumenti di routing del tuo software di progettazione PCB possono codificare i requisiti progettuali come regole di progettazione, per aiutarti a raggiungere i tuoi obiettivi di impedenza, spaziatura, foratura e percorso di ritorno. L'utilizzo del backdrilling richiede un compromesso fra costi e integrità del segnale ed è pertanto indicato solo per i segnali digitali più rapidi e unicamente se non è possibile implementare uno schema di routing alternativo che elimini la necessità del backdrilling. Complessivamente, questi accorgimenti possono mitigare i problemi derivanti dalle riflessioni di segnale, come l'interferenza intersimbolica in un diagramma a occhio o le onde stazionarie su linee di trasmissione non equalizzate.

Identificare i problemi di integrità del segnale

È fondamentale identificare i problemi di integrità del segnale tramite simulazioni o misurazioni. Idealmente, le simulazioni andrebbero eseguite già durante il processo di progettazione per aiutare a individuare eventuali problemi prima della creazione di prototipi. Una pratica comune consiste nel creare schede di test per eseguire le misurazioni necessarie prima che il progetto passi alla fase di produzione vera e propria. Indipendentemente dal modo in cui si prevede di identificare i problemi di integrità del segnale, queste verifiche devono essere completate prima di passare alla produzione su larga scala.

Simulazioni durante il routing

Durante la fase di progettazione è possibile utilizzare alcuni dei pacchetti ECAD più avanzati per identificare i problemi di integrità del segnale utilizzando alcune semplici simulazioni. Due simulazioni standard che possono essere eseguite contemporaneamente sono il calcolo della forma d'onda del crosstalk e le forme d'onda di ringing/riflessione. Entrambe le simulazioni richiedono la definizione della famiglia logica del componente di pilotaggio nel layout PCB, dato reperibile nelle schede tecniche. Queste simulazioni forniscono un'immagine molto chiara dell'efficacia delle terminazioni e della spaziatura tra le interconnessioni, che può essere osservata nella risposta ai transienti di un'interconnessione (vedi sotto).

Simulazione dell'integrità del segnale di un PCB
I calcoli delle forme d'onda di diafonia e di riflessione possono essere eseguiti durante la creazione di un progetto per garantire che le interconnessioni siano conformi agli standard richiesti.

Altri aspetti da verificare durante il routing includono:

  • Effetti di overshoot e undershoot
  • Tempo di salita/discesa durante la commutazione
  • Skew nei bus paralleli e nelle coppie differenziali
  • Continuità del percorso di ritorno

È possibile verificare questi aspetti con gli strumenti di simulazione online contenuti nei pacchetti ECAD avanzati per la progettazione PCB. Una volta completato il routing del progetto, uno strumento di simulazione integrato può verificare questi aspetti, garantendo che i segnali su ciascuna interconnessione rientrino nei margini di rumore consentiti e generino la risposta necessaria sul componente ricevente. Effettuare queste verifiche già all'inizio del processo di progettazione consente di risolvere in anticipo molti problemi di integrità del segnale, riducendo o eliminando del tutto le complesse e laboriose attività di riprogettazione.

Verifica dell'integrità del segnale

Sebbene sia possibile eseguire diversi test per valutare l'integrità del segnale, due delle verifiche più importanti per i progetti digitali includono le misurazioni dei parametri S con un analizzatore di reti vettoriale (VNA) e i test del diagramma a occhio. La controparte di una misurazione dei parametri S nel dominio temporale è una misurazione riflettometrica nello stesso dominio, che richiede uno speciale strumento per fornire un impulso all'interconnessione o al dispositivo oggetto del test. Sebbene i calcoli dei diagrammi a occhio e del BER (Bit Error Rate) siano normalmente eseguiti con un oscilloscopio, anche alcuni strumenti VNA possono generare diagrammi a occhio.

Diagramma a occhio e parametri S
Diagramma a occhio (sinistra) e parametri S (destra).

I calcoli del diagramma a occhio e i valori BER estratti sono fondamentali per la valutazione dei canali digitali, in quanto forniscono una misurazione cumulativa che consente la quantificazione: del jitter, dell'interferenza intersimbolica causata da riflessioni del segnale, delle perdite e della necessità di compensazione tramite l'equalizzazione. Le misurazioni sono quindi un punto di partenza per identificare alcune semplici modifiche da apportare a un progetto, mentre le metriche di integrità del segnale estratte possono essere confrontate con altre simulazioni o calcoli. 

I parametri S, così come altre simulazioni o misurazioni dei parametri di rete, si riferiscono invece al dominio delle frequenze e consentono di qualificare un progetto in termini di valori massimi possibili per quanto riguarda la velocità dati, la frequenza di trasmissione, le perdite o le riflessioni causate della mancata equalizzazione dell'impedenza. Per le interconnessioni lunghe, il parametro più importante è S21 o perdita di inserzione, poiché questi canali sono caratterizzati da perdite dovute al dielettrico, al rame e alle irradiazioni. Nei canali corti, il parametro fondamentale è S11, o perdita di ritorno, considerando il potenziale di forti riflessioni e risonanza nei canali di lunghezza ridotta o moderata.

Simulazioni più complesse per l'integrità del segnale, dell'alimentazione e i parametri EMI/EMC

Una volta completato il layout e prima della sua approvazione, è opportuno che il progetto sia analizzato con uno strumento di simulazione avanzato in grado di esaminare l'intero sistema e non solo le singole interconnessioni. Questi pacchetti di simulazione acquisiscono i dati dal layout PCB completo, calcolandone il campo elettromagnetico direttamente dalle equazioni di Maxwell. Per importare i dati di progettazione in programmi di simulazione esterni è possibile generare file nei formati meccanici standard (IDX) e in quelli speciali dei dati di simulazione. Questi programmi consentono di identificare problemi: EMI/EMC, di integrità dell'alimentazione e di integrità del segnale a livello di sistema prima della prototipazione e della produzione.

Il routing PCB è molto più semplice quando si utilizza il pacchetto completo di strumenti di layout PCB di Altium Designer®. Il motore delle regole di progettazione integrato di Altium Designer controlla automaticamente il routing durante l'inserimento delle tracce, consentendo di individuare e correggere gli eventuali errori prima del completamento della scheda. Ciascun utente di Altium Designer ha inoltre accesso a uno spazio di lavoro dedicato su Altium 365™ dove: progetti, dati dei componenti, dati di produzione e qualsiasi altra documentazione di progetto possono essere archiviati e condivisi con i collaboratori.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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