Principi dell'integrità del segnale basati su Altium Designer 24

Introduzione alla Alta Velocità e all'Integrità del Segnale

I sistemi digitali rappresentano uno dei settori fondamentali dell'elettronica moderna. Il progresso in processori altamente efficienti o altri sistemi digitali, come FPGA o sistemi di acquisizione dati a larga banda che utilizzano convertitori ADC veloci insieme a DSP o FPGA, richiede un approccio diverso alla progettazione elettronica, specialmente per le PCB che includono interconnessioni tra vari circuiti integrati o moduli. Questo approccio è relativo ai tipi di segnali utilizzati nell'elettronica ad alta velocità moderna.

Interfacce di base e ben note, come RS232 o I2C, sono limitate in termini di throughput dati a centinaia di kilobit al secondo, tuttavia le interconnessioni tra sistemi o moduli ad alta velocità tramite interfacce come PCIe o USB3.0 possono avere tassi di dati superiori ai gigabit al secondo (e da qui il termine sistemi ad alta velocità o progettazione ad alta velocità).

Inoltre, la maggior parte delle moderne interconnessioni ad alto tasso di dati utilizza segnalazioni seriali con solo poche linee di segnale. Una di queste linee seriali è mostrata nella figura 1. Alcuni standard richiedono più linee e nella maggior parte dei casi queste linee sono realizzate come una coppia differenziale. Un buon esempio di tali standard sono PCIe o JESD204.

Figura 1: Collegamento seriale ad alto tasso di dati; si prega di notare che l'adattamento dell'impedenza del trasmettitore, del ricevitore e della linea di trasmissione è fondamentale per l'integrità del segnale

I principi dei progetti ad alta velocità sono simili a quelli delle frequenze radio poiché esiste una relazione diretta tra il tasso di dati del segnale e la larghezza di banda occupata da questo segnale - più alto è il tasso di dati, più ampia è la larghezza di banda occupata da tale segnale. Inoltre, i tempi di salita e discesa dei segnali ad alta velocità sono spesso inferiori a 1ns, spesso con frequenze di commutazione superiori a qualche GHz. Tali segnali si propagano attraverso il PCB in modo diverso rispetto ai segnali utilizzati negli standard a bassa velocità, come SPI, I2C o RS232. È necessaria un'attenzione significativa per progettare correttamente il PCB, tenendo presente la larghezza di banda del segnale, in modo che la fedeltà del collegamento dati sia mantenuta a partire dal trasmettitore (ad es. interfaccia JESD204B di un ADC) fino al ricevitore (ad es. pin di ingresso FPGA). Molto spesso lo standard LVDS (low-voltage differential signaling) viene utilizzato per interconnettere moduli o sistemi ad alta velocità di trasmissione dati così come per fornire una specifica standardizzata per i segnali ad alta velocità (ad es. variazioni di tensione, livelli logici, impedenze e altro).

La natura dei segnali ad alta velocità richiede strumenti di progettazione diversi per il PCB e gli schemi per garantire un'alta fedeltà del collegamento e dei segnali trasmessi sul PCB (insieme alla riduzione del tempo speso nella progettazione). L'alta fedeltà del segnale relativa alle caratteristiche di qualità è chiamata integrità del segnale, che consiste in una serie di parametri del segnale trasmesso che possono essere verificati durante lo sviluppo del PCB/SCH così come in laboratorio mediante misurazioni del segnale con strumenti dedicati.

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Altium Designer supporta tutte le attività correlate ai progetti ad alta velocità e fornisce mezzi di controllo sull'integrità del segnale offrendo una serie di funzionalità, per esempio:

• possibilità di definire coppie differenziali negli schemi e nel PCB;
• routing delle coppie differenziali nell'editor del PCB con abbinamento delle lunghezze;
• definizione di tracce a impedenza controllata per linee di segnale differenziali e monodirezionali;
• accordatura della lunghezza delle linee di segnale all'interno di una coppia differenziale così come all'interno di un bus;
• strumenti di simulazione e controllo DRC per l'integrità del segnale e l'alta velocità;
• possibilità di definire lo stackup del PCB con profili di impedenza che includono fattore di dissipazione, costante dielettrica e rugosità del rame;
• possibilità di definire ritardi di propagazione per i componenti

e altro ancora.

Queste funzionalità aiutano a mitigare gli errori di progettazione legati all'integrità del segnale, offrono flessibilità nella fase di progettazione, riducono i costi di prototipazione e accelerano la consegna del prodotto sul mercato.

Integrità del Segnale

Il degrado del segnale menzionato nel primo paragrafo può assumere varie forme e riferirsi a valori temporali del segnale (come il tempo di salita o il jitter) o a parametri legati al livello del segnale (ad esempio, overshoot, oscillazione della tensione). I parametri di base legati alla fedeltà del segnale includono i seguenti fenomeni:

• riflessioni del segnale tra il trasmettitore del segnale e la linea di trasmissione (o il ricevitore e la linea di trasmissione), così come riflessioni del segnale causate da connettori, vie, stub o altri componenti del sistema che distorcono la continuità dell'impedenza lungo il percorso del segnale;
• diafonia tra le linee di segnale;
• sovra- e sottoescursione del segnale;
• degradazione nel rapporto segnale/rumore (causata dal rumore accoppiato), causando difficoltà per il ricevitore nel rilevare i corretti livelli logici;
• attenuazione del segnale lungo il percorso del segnale - incapacità di raggiungere i livelli logici richiesti;
• jitter sul segnale di clock che stabilisce il funzionamento dei convertitori ADC/DAC così come il jitter delle linee di segnale;
• aumento dei livelli di emissione irradiata dalla PCB (o dal sistema) che possono richiedere varie contromisure (ad es. schermatura) al fine di superare la certificazione EMC

e altro.

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Ognuno dei fenomeni elencati sopra può portare ad un aumento del tasso di errore dei dati o alla completa perdita di comunicazione. Inoltre, può verificarsi anche un deterioramento dei parametri del sistema (ad es. la qualità dell'elaborazione del segnale attraverso convertitori ADC ad alta risoluzione). Esempi di disturbi del segnale correlati a una cattiva progettazione sono mostrati in oscillogrammi e simulazioni eseguite in AD24 - vedi figure 2 a 5.

Figura 2: Impulsi runt causati da una terminazione del segnale non corretta lungo il percorso del segnale

Figura 3: Esempio di diafonia - traccia viola - aggressore, traccia gialla - vittima

Figura 4: Sovrascorrimento e sottoscorrimento della forma d'onda digitale

Figura 5: Esempio di risonanza del segnale. Risultato della simulazione dell'integrità del segnale eseguito in AD24

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Figura 6: Ottimizzazione nella risonanza del segnale - variazione del resistore di terminazione in serie

Segnali Singoli e Differenziali

Segnali a bassa velocità come SPI, I2C o RS232, dove le informazioni sono trasportate come differenza di tensione tra la linea del segnale e la terra, sono chiamati segnali singoli. I segnali ad alta velocità, con tassi di trasmissione dati che superano i vari centinaia di Mbit/s, sono solitamente trasmessi da una coppia differenziale - una coppia di tracce del segnale strettamente accoppiate sul PCB - in questo caso le informazioni sono trasportate dalla differenza di tensione tra queste due linee (spesso indicate come P e N) - vedi figura 7 e 8.

Figura 7: Coppie differenziali del controller Ethernet definite in AD24

Figura 8: Coppia differenziale rappresentata sul PCB

I segnali differenziali sono meno suscettibili a disturbi e fluttuazioni del potenziale di terra sulla PCB perché un disturbo viene indotto in entrambe le linee che formano una coppia differenziale, quindi il segnale differenziale (differenza tra una linea e l'altra) non viene distorto. Questo tipo di segnalazione aiuta a minimizzare i problemi legati al rimbalzo di terra nel sistema e migliora i parametri di qualità dei segnali ad alta velocità. Esempi di segnali differenziali e a terminazione singola sono mostrati nella figura 9.

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Figura 9: Segnali a Terminazione Singola e Differenziali

Conclusioni

La corretta implementazione dei principi ad alta velocità nel progetto per garantire l'integrità dei segnali sulla PCB richiede attenzione fin dall'inizio della fase di progettazione - a partire dallo stackup della PCB, dalla definizione delle coppie differenziali o a terminazione singola con le corrette impedenze, dalle strategie di routing così come dalla disposizione dei componenti sulla PCB, ad esempio la posizione della memoria DDR e rispetto a MCU o FPGA.

Inoltre, aspetti importanti relativi alla qualità dei segnali ad alta velocità includono il tipo e il numero di vie lungo i percorsi dei segnali, i monconi di segnale, i connettori e il metodo di collegamento delle tracce di segnale a essi.

La verifica di un PCB prodotto con segnalazione ad alta velocità può essere eseguita tramite simulazione, che consente di rilevare potenziali problemi prima di ordinarlo. Criteri di integrità del segnale come overshoot, undershoot, riflessione o diafonia possono essere definiti in Altium Designer nelle regole di progettazione. Questo aiuta a mantenere sotto controllo l'integrità del segnale.

La nostra prossima estensione, Signal Analyzer di Keysight, potenzierà ulteriormente le potenzialità del tuo processo di progettazione, soprattutto quando ci si concentra sull'analisi dell'integrità del segnale. La première di questa estensione è prevista per metà ottobre 2024.