Zasady integralności sygnału oparte na Altium Designer 24

Wprowadzenie do wysokich prędkości i integralności sygnału

Systemy cyfrowe stanowią jedną z podstawowych dziedzin współczesnej elektroniki. Postęp w dziedzinie wydajnych procesorów lub innych systemów cyfrowych, takich jak FPGA czy systemy akwizycji danych o szerokim paśmie, które używają szybkich przetworników ADC w połączeniu z DSP lub FPGA, wymaga innego podejścia do projektowania elektronicznego, szczególnie PCB, które obejmuje połączenia między różnymi układami scalonymi lub modułami. Podejście to jest związane z rodzajami sygnałów używanych we współczesnej elektronice wysokich prędkości.

Podstawowe i dobrze znane interfejsy, takie jak RS232 czy I2C, są ograniczone do przepustowości danych do setek kilobitów na sekundę, jednak połączenia między systemami wysokich prędkości lub modułami za pośrednictwem interfejsów takich jak PCIe czy USB3.0 mogą mieć przepustowość danych powyżej gigabitów na sekundę (stąd termin systemy wysokiej prędkości lub projektowanie wysokich prędkości).

Ponadto, większość nowoczesnych połączeń o wysokiej przepustowości danych używa sygnalizacji szeregowej z tylko kilkoma liniami sygnałowymi. Jedna taka linia szeregowa jest pokazana na rysunku 1. Niektóre standardy wymagają wielu linii i w większości przypadków te linie są wykonane jako para różnicowa. Dobrym przykładem takich standardów są PCIe lub JESD204.

Rysunek 1: Szeregowe połączenie o wysokiej przepustowości danych; zwróć uwagę, że dopasowanie impedancji nadajnika, odbiornika i linii transmisyjnej jest fundamentalne dla integralności sygnału

Zasady projektowania układów wysokiej prędkości są podobne do projektowania układów radiowych, ponieważ istnieje bezpośredni związek między szybkością transmisji sygnału a pasmem zajmowanym przez ten sygnał - im wyższa szybkość transmisji, tym szersze pasmo zajmuje taki sygnał. Ponadto, czas narastania i opadania sygnałów wysokiej prędkości często jest poniżej 1ns, często z częstotliwościami przełączania powyżej kilku GHz. Takie sygnały propagują przez PCB inaczej niż sygnały używane w standardach niskiej prędkości, takich jak SPI, I2C czy RS232. Wymagana jest znaczna uwaga, aby prawidłowo zaprojektować PCB, mając na uwadze pasmo sygnału, tak aby wierność łącza danych była zachowana począwszy od nadajnika (np. interfejs JESD204B przetwornika ADC) do odbiornika (np. piny wejściowe FPGA). Najczęściej używanym standardem do łączenia modułów lub systemów o wysokiej szybkości transmisji danych, jak również do zapewnienia standaryzowanej specyfikacji dla sygnałów wysokiej prędkości (np. zmiany napięć, poziomy logiczne, impedancje i więcej), jest LVDS (low-voltage differential signaling).

Natura sygnałów wysokiej prędkości wymaga różnych narzędzi projektowych dla PCB i schematów, aby zapewnić wysoką wierność łącza i sygnałów przesyłanych na PCB (wraz z redukcją czasu spędzonego na projektowaniu). Wysoka wierność sygnału, odnosząca się do cech jakościowych, nazywana jest integralnością sygnału, która składa się z licznych parametrów przesyłanego sygnału, które mogą być weryfikowane podczas rozwoju PCB/SCH, jak również w laboratorium przez pomiary sygnałów za pomocą dedykowanych narzędzi.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Altium Designer wspiera wszystkie działania związane z projektami wysokiej prędkości i zapewnia środki kontroli nad integralnością sygnału, oferując szereg funkcji, na przykład:

• możliwość definiowania par różnicowych w schematach i PCB;
• trasowanie par różnicowych w edytorze PCB z dopasowaniem długości;
• definicja ścieżek o kontrolowanej impedancji dla linii sygnałowych różnicowych i jednostronnych;
• dostrojenie długości linii sygnałowych w obrębie pary różnicowej, jak również w obrębie magistrali;
• narzędzia symulacyjne i kontrola DRC dla integralności sygnału i wysokich prędkości;
• możliwość definiowania układu warstw PCB z profilami impedancji, które uwzględniają współczynnik strat, stałą dielektryczną i chropowatość miedzi;
• możliwość definiowania opóźnień propagacji dla komponentów

i więcej.

Te funkcje pomagają minimalizować błędy projektowe związane z integralnością sygnału, zapewniają elastyczność w fazie projektowania, redukują koszty prototypowania i przyspieszają wprowadzenie produktu na rynek.

Integralność sygnału

Degradacja sygnału, o której wspomniano w pierwszym akapicie, może przyjmować różne formy i odnosić się do wartości czasowych sygnału (takich jak czas narastania czy jitter) lub parametrów związanych z poziomem sygnału (np. przekroczenie, wahania napięcia). Podstawowe parametry związane z wiernością sygnału obejmują następujące zjawiska:

• odbicia sygnału między nadajnikiem sygnału a linią transmisyjną (lub odbiornikiem a linią transmisyjną), jak również odbicia sygnału spowodowane przez złącza, przelotki, zastawki lub inne komponenty systemu, które zakłócają ciągłość impedancji wzdłuż ścieżki sygnału;
• przesłuchy między liniami sygnałowymi;
• przekroczenie i niedociągnięcie poziomu sygnału;
• degradacja stosunku sygnału do szumu (spowodowana sprzężonym szumem), powodująca trudności dla odbiornika w wykrywaniu poprawnych poziomów logicznych;
• tłumienie sygnału wzdłuż ścieżki sygnału - niemożność osiągnięcia wymaganych poziomów logicznych;
• jitter sygnału zegarowego, który ustala działanie przetworników ADC/DAC, jak również jitter linii sygnałowych;
• zwiększone poziomy emisji promieniowanej z PCB (lub systemu), które mogą wymagać różnych środków zaradczych (np. ekranowania) w celu uzyskania certyfikacji EMC

i więcej.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Każde z wymienionych zjawisk może prowadzić do zwiększonej stopy błędów danych lub całkowitej utraty komunikacji. Również pogorszenie parametrów systemu (np. jakości przetwarzania sygnału przez przetworniki ADC o wysokiej rozdzielczości) może wystąpić. Przykłady zakłóceń sygnału związanych ze słabym projektem są pokazane na oscylogramach i symulacjach przeprowadzonych w AD24 - patrz rysunki od 2 do 5.

Rysunek 2: Impulsy runt spowodowane nieprawidłowym zakończeniem sygnału wzdłuż ścieżki sygnałowej

Rysunek 3: Przykład przeplotu - fioletowy ślad - agresor, żółty ślad - ofiara

Rysunek 4: Przekroczenie i niedociągnięcie formy fali cyfrowej

Rysunek 5: Przykład dzwonienia sygnału. Wynik symulacji integralności sygnału wykonany w AD24

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Rysunek 6: Optymalizacja dzwonienia sygnału - przesuwanie rezystora zakończeniowego szeregowo

Sygnały jedno- i różnicowe

Sygnały niskoszybkościowe takie jak SPI, I2C czy RS232, gdzie informacja jest przenoszona jako różnica napięć między linią sygnałową a masą, nazywane są sygnałami jednozakończeniowymi. Sygnały wysokoszybkościowe, z prędkościami transmisji przekraczającymi kilkaset Mbit/s, zazwyczaj są transmitowane przez parę różnicową - ściśle sprzężoną parę ścieżek sygnałowych na PCB - informacja w tym przypadku jest przenoszona przez różnicę napięć między tymi dwoma liniami (często określanymi jako P i N) - patrz rysunek 7 i 8.

Rysunek 7: Pary różnicowe kontrolera Ethernetu zdefiniowane w AD24

Rysunek 8: Para różnicowa przedstawiona na PCB

Sygnały różnicowe są mniej podatne na zakłócenia i wahania potencjału masy na PCB, ponieważ zakłócenie jest indukowane w obu liniach tworzących parę różnicową, co sprawia, że sygnał różnicowy (różnica między jedną linią a drugą) nie jest zniekształcony. Ten typ sygnalizacji pomaga minimalizować problemy związane z odbiciem masy w systemie i poprawia parametry jakości sygnałów wysokiej prędkości. Przykłady sygnałów różnicowych i jednostronnych są pokazane na rysunku 9.

PCB Design Solutions

For the Consumer Electronics Industry

Learn More

Rysunek 9: Sygnały jednostronne i różnicowe

Wnioski

Poprawna implementacja zasad wysokiej prędkości w projekcie w celu zapewnienia integralności sygnałów na PCB wymaga uwagi od początku etapu projektowania - począwszy od układu warstw PCB, definiowania par różnicowych lub jednostronnych z poprawnymi impedancjami, strategii trasowania oraz rozmieszczania komponentów na PCB, np. lokalizacji pamięci DDR i jej stosunku do MCU lub FPGA.

Dodatkowo, ważne aspekty związane z jakością sygnałów wysokiej prędkości obejmują typ i liczbę przelotek wzdłuż ścieżek sygnałowych, odgałęzienia sygnałów, złącza oraz metodę łączenia ścieżek sygnałowych z nimi.

Weryfikacja wyprodukowanej PCB z szybkim sygnałem może być przeprowadzona poprzez symulację, co pozwala wykryć potencjalne problemy przed złożeniem zamówienia. Kryteria integralności sygnału takie jak przekroczenie, niedociągnięcie, odbicie czy przeplot mogą być zdefiniowane w Altium Designer w zasadach projektowania. Pomaga to utrzymać integralność sygnału pod kontrolą.

Nasze nadchodzące rozszerzenie, Signal Analyzer by Keysight, jeszcze bardziej zwiększy potencjał Twojego procesu projektowego, szczególnie przy skupieniu się na analizie integralności sygnału. Premiera tego rozszerzenia jest zaplanowana na połowę października 2024.