Melhores Ferramentas de Análise de Integridade de Sinal para PCBs

O conceito de análise de integridade de sinal para dar suporte a projetos de PCB pode significar muitas coisas. Em PCBs, múltiplas interfaces são usadas para conectar componentes, e cada uma tem requisitos diferentes de integridade de sinal, todos exigindo algum nível de análise. Em resposta à demanda por recursos de análise melhores e mais rápidos, a indústria de software EDA avançou com muitas soluções para projeto e análise em nível de sistema, com várias opções voltadas especificamente para tarefas de análise de integridade de sinal no projeto de PCB.

Este guia apresenta uma visão geral das várias opções para análise de integridade de sinal e suas capacidades. Algumas dessas ferramentas são de análise em nível de sistema, enquanto outras são especializadas em PCBs. Algumas dessas opções de software são gratuitas ou de baixo custo, enquanto outras são mais apropriadas para usuários em nível corporativo. O objetivo é ajudar você a determinar a melhor opção para seu projeto, orçamento e nível de experiência.

Tipos de Software de Análise de Integridade de Sinal

Todo software de integridade de sinal realiza algum tipo de simulação, seja em nível de circuito, diretamente a partir do layout da PCB em 2D ou 3D, ou como redes lineares com modelos de simulação extraídos. Depois que as simulações são executadas, o software automatiza tarefas de análise que ajudam os engenheiros a entender ou prevenir possíveis problemas de integridade de sinal em um projeto. Diferentes tipos de análise são possíveis em diferentes pacotes de software, e a indústria de EDA oferece muitas opções para análise de integridade de sinal.

Há muitas tarefas de análise de integridade de sinal que podem ser realizadas com as ferramentas de software adequadas. A análise normalmente compreende análise de circuitos, modelagem de redes lineares e modelagem em nível de sistema.

Análise de Circuitos

Nesses simuladores, modelos de circuito são projetados e usados para entender a integridade de sinal, tanto em termos de como os sinais interagem com os componentes quanto com as interconexões físicas em um projeto. No primeiro caso, a análise de circuitos é usada para entender como um circuito transmissor ou receptor gera ou interpreta um sinal. Para transmissores, o objetivo é evitar distorção, enquanto para receptores, o circuito deve ser capaz de extrair dados, realizar medições ou terminar corretamente um sinal.

Normalmente, esses são simuladores baseados em SPICE, como as seguintes opções:

• ngspice: Motor SPICE de código aberto com suporte a simulações transitórias, AC, de ruído e de sinais mistos.
• LTspice: Simulador SPICE gratuito amplamente utilizado, com forte suporte para reguladores chaveados e circuitos analógicos.
• Altium Designer: Inclui simulação SPICE integrada diretamente no editor esquemático e oferece suporte a vários formatos de modelo SPICE, incluindo modelos LTspice e PSpice.
• QUCS: Simulador de circuitos baseado em esquemático com suporte a simulações AC, transitórias, de parâmetros S e RF, comumente usado no desenvolvimento de circuitos analógicos e de RF.

Essas ferramentas normalmente não são usadas para simulações completas de integridade de sinal em nível de sistema. Em vez disso, elas avaliam como os circuitos interagem com interconexões ou como o comportamento do circuito afeta a integridade de sinal em diferentes faixas de frequência. Para uma avaliação mais abrangente da integridade de sinal envolvendo interconexões físicas, recorremos a aplicações EDA que fornecem análise de redes lineares.

Análise de Redes Lineares

Redes lineares podem ser construídas a partir de modelos de simulação para descrever o comportamento completo da interconexão do transmissor ao receptor. Essas redes podem ser construídas a partir de modelos de circuito, modelos SPICE ou modelos de parâmetros S que descrevem o comportamento do circuito. Esses modelos podem ser construídos a partir de circuitos equivalentes, simulações eletromagnéticas de onda completa ou modelos fenomenológicos. O objetivo da análise de redes lineares é criar uma cascata de elementos individuais de interconexão (conectores, trilhas, vias etc.) para montar um modelo completo de simulação para análise de integridade de sinal.

Muitas ferramentas padrão de simulação em nível de sistema têm recursos de redes lineares integrados. Entre elas estão:

• Simbeor: Oferece suporte a arquivos Touchstone e modelos de circuito em uma GUI para análise de SI
• pyBERT: Um pacote Python de código aberto que oferece suporte às mesmas análises que outras ferramentas EDA
• CST: Inclui um simulador eletromagnético de onda completa e um analisador de redes lineares
• Ansys: Igual ao CST, mas com algumas tarefas de análise e construção de modelos automatizadas
• Keysight ADS: Uma aplicação popular para análise de integridade de sinal em PCBs, encapsulamentos e sistemas
• MATLAB: Inclui muitos pacotes especializados para integridade de sinal e projeto de RF
• QUCS: O Quite Universal Circuit Simulator (QUCS) pode usar arquivos Touchstone juntamente com outros modelos para analisar integridade de sinal
• FastMaxwell: Um simulador de código aberto que pode extrair arquivos Touchstone de estruturas complexas de condutores 3D, como circuitos RF impressos

O objetivo normalmente é produzir uma análise padrão necessária para integridade de sinal, como diagramas de olho, parâmetros S ou resultados de simulação transitória. Essas simulações podem ser estendidas ainda mais com aplicações mais avançadas de análise de projeto de sistemas, o que fornece uma descrição muito mais precisa do comportamento do sistema.

Aplicações EDA para Projeto de Sistemas

As ferramentas de projeto em nível de sistema ampliam a abordagem de análise de redes lineares ao incorporar modelos comportamentais, equalização digital e recursos sensíveis ao protocolo que permitem aos projetistas avaliar canais completos de comunicação. Por exemplo, ferramentas como Keysight ADS podem incluir modelos IBIS ou IBIS-AMI para o comportamento do transmissor e do receptor, permitindo a simulação de equalização, tolerância a jitter e conformidade do canal em links SerDes de alta velocidade. Essas aplicações são comumente usadas para validar canais para padrões como PCIe, Ethernet ou USB, gerando parâmetros S, diagramas de olho e estimativas de taxa de erro de bits com base em modelos realistas de canal.

Simuladores Comerciais e de Código Aberto

Embora as ferramentas de análise de integridade de sinal ajudem a analisar modelos extraídos de simulação ou medição, ainda pode ser necessária uma aplicação de simulação para desenvolver os modelos usados nas aplicações de análise. Por exemplo, em casos de análise de um projeto proposto de conector, uma aplicação de simulação pode ser usada para extrair um modelo de parâmetros S como um arquivo Touchstone para uso em uma aplicação de análise. Simuladores comerciais e de código aberto podem ser usados para extrair esses modelos. Eles estão resumidos na tabela a seguir.

Essas aplicações também fornecem seus próprios recursos de análise como funcionalidades integradas, automatizadas ou semiautomatizadas. Em alguns fluxos de trabalho, elas podem realizar tanto a extração de modelos quanto a análise de integridade de sinal, embora muitas equipes de projeto ainda dependam de software dedicado de análise de SI para verificação de canal e validação em nível de sistema.

Ferramentas de Exibição e Análise de Dados para Integridade de Sinal

Os fluxos de trabalho de integridade de sinal frequentemente dependem de ferramentas que importam arquivos Touchstone (parâmetros S), plotam resultados no domínio do tempo ou da frequência e geram métricas rápidas como perda de retorno, perda de inserção ou diagramas de olho. Opções comerciais como Keysight PLTS e o editor Touchstone dentro do HyperLynx oferecem esses recursos em uma GUI refinada, mas exigem licenças pagas.

O MATLAB é comumente usado para analisar dados de parâmetros S, gerar diagramas de olho e implementar simulações personalizadas de canal. Para engenheiros que buscam uma alternativa gratuita, o GNU Octave oferece um ambiente amplamente compatível, capaz de executar muitos scripts MATLAB com modificações mínimas. O Octave também é integrado ao QUCS, permitindo que engenheiros realizem pós-processamento avançado e análise de dados diretamente sobre resultados de simulação de circuitos.

Visualização de parâmetros S no MATLAB. [Fonte: MathWorks]

Se você precisa desenvolver eletrônica de potência confiável ou sistemas digitais avançados, use o conjunto completo de recursos de projeto de PCB da Altium e ferramentas CAD de classe mundial. A Altium fornece a principal plataforma mundial de desenvolvimento de produtos eletrônicos, completa com as melhores ferramentas de projeto de PCB do setor e recursos de colaboração multidisciplinar para equipes avançadas de projeto. Entre em contato com um especialista da Altium hoje mesmo!

Perguntas Frequentes

Qual é o melhor software para análise de integridade de sinal?

Não existe um único software “melhor”. A escolha correta depende do nível de automação necessário para construir modelos de simulação e executar tarefas de análise. Alguns softwares oferecem aos usuários mais controle sobre opções de simulação, construção de modelos e configuração de tarefas de análise.

O software de projeto de PCB oferece suporte à análise de integridade de sinal?

Sim, o software de projeto de PCB permite a análise de integridade de sinal. Isso é feito diretamente com recursos integrados ou indiretamente ao permitir exportações em formatos de dados padrão para uso em outras aplicações de simulação.

O SPICE pode ser usado para análise de integridade de sinal em PCBs?

O SPICE normalmente é usado para validação em nível de circuito. Ele não considera modelos reais de linha de transmissão nem modelos de interconexão extraídos de simuladores eletromagnéticos #D, portanto não captura totalmente o comportamento real do sistema na PCB.

A simulação eletromagnética 3D é necessária para análise de integridade de sinal?

Não, não para todas as análises. No contexto da análise de integridade de sinal, a simulação eletromagnética 3D é usada para cálculo direto do campo eletromagnético ou para extração de modelos para uso em análise de redes lineares.