Najlepsze narzędzia do analizy integralności sygnału dla PCB

Koncepcja analizy integralności sygnału wspierającej projektowanie PCB może oznaczać wiele różnych rzeczy. W płytkach PCB wykorzystuje się wiele interfejsów do łączenia komponentów, a każdy z nich ma inne wymagania dotyczące integralności sygnału, co wymaga określonego poziomu analizy. W odpowiedzi na zapotrzebowanie na lepsze i szybsze możliwości analityczne branża oprogramowania EDA rozwinęła wiele rozwiązań do projektowania i analizy na poziomie systemu, w tym kilka opcji ukierunkowanych konkretnie na zadania związane z analizą integralności sygnału w projektowaniu PCB.

Ten przewodnik przedstawia przegląd różnych opcji analizy integralności sygnału oraz ich możliwości. Część z nich to narzędzia do analizy na poziomie systemu, podczas gdy inne są wyspecjalizowane w zastosowaniach PCB. Niektóre z tych rozwiązań programowych są darmowe lub niedrogie, podczas gdy inne lepiej odpowiadają potrzebom użytkowników korporacyjnych. Celem jest pomoc w określeniu najlepszego rozwiązania dla Twojego projektu, budżetu i poziomu wiedzy.

Rodzaje oprogramowania do analizy integralności sygnału

Całe oprogramowanie do analizy integralności sygnału wykonuje pewien rodzaj symulacji — niezależnie od tego, czy jest to symulacja na poziomie obwodu, bezpośrednio z układu PCB w 2D lub 3D, czy też w postaci sieci liniowych z wyodrębnionymi modelami symulacyjnymi. Po wykonaniu symulacji oprogramowanie automatyzuje zadania analityczne, które pomagają inżynierom zrozumieć lub zapobiegać potencjalnym problemom z integralnością sygnału w projekcie. Różne typy analiz są dostępne w różnych pakietach oprogramowania, a branża EDA oferuje wiele opcji analizy integralności sygnału.

Istnieje wiele zadań związanych z analizą integralności sygnału, które można wykonać przy użyciu odpowiednich narzędzi programowych. Analiza zazwyczaj obejmuje analizę obwodów, modelowanie sieci liniowych oraz modelowanie na poziomie systemu.

Analiza obwodów

W tych symulatorach projektuje się modele obwodów i wykorzystuje je do zrozumienia integralności sygnału, zarówno pod kątem tego, jak sygnały oddziałują z komponentami, jak i z fizycznymi połączeniami w projekcie. W pierwszym przypadku analiza obwodów służy do zrozumienia, w jaki sposób obwód nadajnika lub odbiornika generuje albo interpretuje sygnał. W przypadku nadajników celem jest zapobieganie zniekształceniom, natomiast w przypadku odbiorników obwód powinien być zdolny do odczytu danych, wykonywania pomiarów lub prawidłowego terminowania sygnału.

Są to zazwyczaj symulatory oparte na SPICE, takie jak następujące rozwiązania:

• ngspice: Silnik SPICE typu open source obsługujący symulacje przejściowe, AC, szumowe oraz mieszane analogowo-cyfrowe.
• LTspice: Powszechnie używany darmowy symulator SPICE z silnym wsparciem dla regulatorów impulsowych i obwodów analogowych.
• Altium Designer: Zawiera zintegrowaną symulację SPICE bezpośrednio w edytorze schematów i obsługuje wiele formatów modeli SPICE, w tym modele LTspice i PSpice.
• QUCS: Symulator obwodów oparty na schematach, obsługujący symulacje AC, przejściowe, parametrów S oraz RF, powszechnie stosowany przy projektowaniu obwodów analogowych i RF.

Narzędzia te zwykle nie są używane do pełnych symulacji integralności sygnału na poziomie systemu. Zamiast tego służą do oceny, jak obwody oddziałują z połączeniami lub jak zachowanie obwodu wpływa na integralność sygnału w różnych zakresach częstotliwości. Aby uzyskać bardziej kompleksową ocenę integralności sygnału z uwzględnieniem fizycznych połączeń, przechodzimy do aplikacji EDA oferujących analizę sieci liniowych.

Analiza sieci liniowych

Sieci liniowe można budować z modeli symulacyjnych w celu opisania pełnego zachowania połączeń od nadajnika do odbiornika. Sieci te mogą być tworzone z modeli obwodów, modeli SPICE lub modeli parametrów S opisujących zachowanie obwodu. Modele te mogą być konstruowane na podstawie obwodów zastępczych, pełnofalowych symulacji elektromagnetycznych lub modeli fenomenologicznych. Celem analizy sieci liniowych jest utworzenie kaskady pojedynczych elementów połączeń (złączy, ścieżek, przelotek itd.) w celu zbudowania pełnego modelu symulacyjnego do analizy integralności sygnału.

Wiele standardowych narzędzi do symulacji na poziomie systemu ma wbudowane funkcje sieci liniowych. Należą do nich:

• Simbeor: Obsługuje pliki Touchstone i modele obwodów w środowisku GUI do analizy SI
• pyBERT: Pakiet open source dla Pythona, który obsługuje te same analizy co inne narzędzia EDA
• CST: Zawiera pełnofalowy symulator elektromagnetyczny oraz analizator sieci liniowych
• Ansys: Podobnie jak CST, ale z częściowo zautomatyzowanymi zadaniami analizy i budowy modeli
• Keysight ADS: Popularna aplikacja do analizy integralności sygnału w PCB, obudowach i systemach
• MATLAB: Zawiera wiele wyspecjalizowanych pakietów do analizy integralności sygnału i projektowania RF
• QUCS: Quite Universal Circuit Simulator (QUCS) może używać plików Touchstone wraz z innymi modelami do analizy integralności sygnału
• FastMaxwell: Symulator open source, który może wyodrębniać pliki Touchstone ze złożonych struktur przewodzących 3D, takich jak drukowane obwody RF

Celem jest zazwyczaj uzyskanie standardowych wyników analizy potrzebnych w ocenie integralności sygnału, takich jak diagramy oka, parametry S czy wyniki symulacji przejściowych. Symulacje te można dalej rozszerzać za pomocą bardziej zaawansowanych aplikacji do analizy projektów systemowych, co daje znacznie dokładniejszy opis zachowania systemu.

Aplikacje EDA do projektowania systemów

Narzędzia do projektowania na poziomie systemu rozszerzają podejście analizy sieci liniowych poprzez uwzględnienie modeli behawioralnych, cyfrowej equalizacji oraz funkcji uwzględniających protokoły, które pozwalają projektantom oceniać pełne kanały komunikacyjne. Na przykład narzędzia takie jak Keysight ADS mogą uwzględniać modele IBIS lub IBIS-AMI opisujące zachowanie nadajnika i odbiornika, umożliwiając symulację equalizacji, tolerancji jittera oraz zgodności kanału w szybkich łączach SerDes. Aplikacje te są powszechnie używane do walidacji kanałów dla standardów takich jak PCIe, Ethernet czy USB poprzez generowanie parametrów S, diagramów oka oraz estymacji współczynnika błędów bitowych na podstawie realistycznych modeli kanału.

Symulatory komercyjne i open source

Chociaż narzędzia do analizy integralności sygnału pomagają analizować modele wyodrębnione z symulacji lub pomiarów, aplikacja symulacyjna może być nadal potrzebna do opracowania modeli używanych w aplikacjach analitycznych. Na przykład w przypadku analizy proponowanego projektu złącza aplikacja symulacyjna może zostać użyta do wyodrębnienia modelu parametrów S jako pliku Touchstone do wykorzystania w aplikacji analitycznej. Do wyodrębniania tych modeli można używać symulatorów komercyjnych i open source. Zostały one podsumowane w poniższej tabeli.

Aplikacje te zapewniają również własne możliwości analityczne jako funkcje zintegrowane, automatyczne lub półautomatyczne. W niektórych przepływach pracy mogą wykonywać zarówno ekstrakcję modeli, jak i analizę integralności sygnału, chociaż wiele zespołów projektowych nadal polega na dedykowanym oprogramowaniu SI do weryfikacji kanałów i walidacji na poziomie systemu.

Narzędzia do prezentacji danych i analizy integralności sygnału

Przepływy pracy związane z integralnością sygnału często opierają się na narzędziach, które importują pliki Touchstone (parametry S), przedstawiają wyniki w dziedzinie czasu lub częstotliwości oraz generują szybkie metryki, takie jak strata odbiciowa, strata wtrąceniowa czy diagramy oka. Komercyjne rozwiązania, takie jak Keysight PLTS i edytor Touchstone w HyperLynx, oferują te możliwości w dopracowanym środowisku GUI, ale wymagają płatnych licencji.

MATLAB jest powszechnie używany do analizy danych parametrów S, generowania diagramów oka oraz implementacji niestandardowych symulacji kanałów. Dla inżynierów poszukujących darmowej alternatywy GNU Octave zapewnia w dużej mierze zgodne środowisko, zdolne do uruchamiania wielu skryptów MATLAB przy minimalnych modyfikacjach. Octave jest również zintegrowany z QUCS, co pozwala inżynierom wykonywać zaawansowane przetwarzanie końcowe i analizę danych bezpośrednio na wynikach symulacji obwodów.

Wizualizacja parametrów S w MATLAB. [Źródło: MathWorks]

Niezależnie od tego, czy chcesz tworzyć niezawodną elektronikę mocy, czy zaawansowane systemy cyfrowe, skorzystaj z kompletnego zestawu funkcji do projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD od Altium. Altium oferuje wiodącą na świecie platformę do rozwoju produktów elektronicznych, obejmującą najlepsze w branży narzędzia do projektowania PCB oraz funkcje współpracy międzydyscyplinarnej dla zaawansowanych zespołów projektowych. Skontaktuj się z ekspertem Altium już dziś!

Najczęściej zadawane pytania

Jakie jest najlepsze oprogramowanie do analizy integralności sygnału?

Nie istnieje jedno „najlepsze” oprogramowanie. Właściwy wybór zależy od poziomu automatyzacji potrzebnego do budowy modeli symulacyjnych i wykonywania zadań analitycznych. Niektóre programy dają użytkownikom większą kontrolę nad opcjami symulacji, budową modeli i konfiguracją zadań analitycznych.

Czy oprogramowanie do projektowania PCB obsługuje analizę integralności sygnału?

Tak, oprogramowanie do projektowania PCB umożliwia analizę integralności sygnału. Odbywa się to bezpośrednio za pomocą wbudowanych funkcji lub pośrednio poprzez eksport w standardowych formatach danych do wykorzystania w innych aplikacjach symulacyjnych.

Czy SPICE może być używany do analizy integralności sygnału w PCB?

SPICE jest zwykle używany do walidacji na poziomie obwodu. Nie uwzględnia rzeczywistych modeli linii transmisyjnych ani modeli połączeń wyodrębnionych z symulatorów elektromagnetycznych #D, dlatego nie oddaje w pełni rzeczywistego zachowania systemu na PCB.

Czy do analizy integralności sygnału wymagana jest symulacja elektromagnetyczna 3D?

Nie, nie dla wszystkich analiz. W kontekście analizy integralności sygnału symulacja elektromagnetyczna 3D jest używana do bezpośrednich obliczeń pola elektromagnetycznego lub do ekstrakcji modeli wykorzystywanych w analizie sieci liniowych.