Princípios de Integridade de Sinal baseados no Altium Designer 24

Introdução a Alta Velocidade e Integridade de Sinal

Os sistemas digitais são uma das áreas fundamentais da eletrônica moderna. O avanço em processadores altamente eficientes ou outros sistemas digitais, como FPGAs ou sistemas de aquisição de dados de largura de banda ampla que usam conversores ADC rápidos juntamente com DSPs ou FPGAs, requer uma abordagem diferente para o design eletrônico, especialmente PCBs que incluem interconexões entre vários circuitos integrados ou módulos. Esta abordagem está relacionada aos tipos de sinais usados na eletrônica de alta velocidade moderna.

Interfaces básicas e bem conhecidas, como RS232 ou I2C, são limitadas em taxa de transferência de dados a centenas de kilobits por segundo, no entanto, interconexões entre sistemas ou módulos de alta velocidade através de interfaces como PCIe ou USB3.0 podem ter taxas de dados acima de gigabits por segundo (e daí o termo sistemas de alta velocidade ou design de alta velocidade).

Além disso, a maioria das interconexões modernas de alta taxa de dados usa sinalização serial com apenas algumas linhas de sinal. Uma dessas linhas seriais é mostrada na figura 1. Alguns padrões exigem múltiplas linhas e, na maioria dos casos, essas linhas são feitas como um par diferencial. Um bom exemplo de tais padrões são PCIe ou JESD204.

Figura 1: Link de alta taxa de dados serial; por favor, note que a correspondência de impedância do transmissor, receptor e linha de transmissão é fundamental para a integridade do sinal

Princípios de designs de alta velocidade são semelhantes aos designs de frequência de rádio, pois existe uma relação direta entre a taxa de dados do sinal e a largura de banda ocupada por esse sinal - quanto maior a taxa de dados, mais ampla é a largura de banda ocupada por tal sinal. Além disso, os tempos de subida e descida dos sinais de alta velocidade são frequentemente abaixo de 1ns, muitas vezes com frequências de comutação acima de alguns GHz. Tais sinais se propagam através da PCB de uma maneira diferente dos sinais usados em padrões de baixa velocidade, como SPI, I2C ou RS232. Atenção significativa é necessária para projetar a PCB corretamente, levando em conta a largura de banda do sinal, de modo que a fidelidade da ligação de dados seja mantida desde o transmissor (por exemplo, interface JESD204B de um ADC) até o receptor (por exemplo, pinos de entrada de um FPGA). Mais frequentemente, o padrão LVDS (sinalização diferencial de baixa voltagem) é usado para interconectar módulos ou sistemas de alta taxa de dados, bem como para fornecer uma especificação padronizada para sinais de alta velocidade (por exemplo, variações de tensão, níveis lógicos, impedâncias e mais).

A natureza dos sinais de alta velocidade requer diferentes ferramentas de design para a PCB e esquemáticos para garantir alta fidelidade da ligação e dos sinais transmitidos na PCB (juntamente com a redução do tempo gasto no design). A alta fidelidade do sinal relacionada às características de qualidade é chamada de integridade do sinal, que consiste em uma série de parâmetros do sinal transmitido que podem ser verificados durante o desenvolvimento da PCB/SCH, bem como no laboratório por medições de sinal com ferramentas dedicadas.

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Altium Designer suporta todas as atividades relacionadas a projetos de alta velocidade e fornece meios de controle sobre a integridade do sinal, oferecendo uma série de recursos, por exemplo:

• possibilidade de definir pares diferenciais nos esquemáticos e na PCB;
• roteamento dos pares diferenciais no editor de PCB com correspondência de comprimento;
• definição de trilhas de impedância controlada para linhas de sinal diferencial e de extremidade única;
• ajuste do comprimento das linhas de sinal dentro de um par diferencial, bem como dentro de um barramento;
• ferramentas de simulação e verificação de DRC para integridade de sinal e alta velocidade;
• possibilidade de definir o empilhamento da PCB com perfis de impedância que incluem fator de dissipação, constante dielétrica e rugosidade do cobre;
• possibilidade de definir atrasos de propagação para componentes

e mais.

Essas características ajudam a mitigar erros de projeto relacionados à integridade do sinal, proporcionam flexibilidade na fase de design, reduzem os custos de prototipagem e aceleram a entrega do produto ao mercado.

Integridade do Sinal

A degradação do sinal mencionada no primeiro parágrafo pode assumir várias formas e referir-se a valores relacionados ao tempo do sinal (como tempo de subida ou jitter) ou parâmetros relacionados ao nível do sinal (por exemplo, overshoot, oscilação de tensão). Os parâmetros básicos relacionados com a fidelidade do sinal incluem os seguintes fenômenos:

• reflexões de sinal entre o transmissor de sinal e a linha de transmissão (ou receptor e a linha de transmissão), bem como reflexões de sinal causadas por conectores, vias, ramificações ou outros componentes do sistema que distorcem a continuidade da impedância ao longo do caminho do sinal;
• diafonia entre linhas de sinal;
• sobressalto e queda do sinal;
• degradação na relação sinal-ruído (causada pelo ruído acoplado), causando dificuldades para o receptor detectar os níveis lógicos corretos;
• atenuação do sinal ao longo do caminho do sinal - incapacidade de alcançar os níveis lógicos requeridos;
• jitter no sinal de relógio que define a operação dos conversores ADC/DAC, bem como o jitter das linhas de sinal;
• aumento dos níveis de emissão radiada da PCB (ou do sistema) que pode exigir várias contramedidas (por exemplo, blindagem) para passar na certificação EMC

e mais.

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Cada um dos fenômenos listados acima pode levar a um aumento da taxa de erro de dados ou à perda completa de comunicação. Além disso, a deterioração dos parâmetros do sistema (por exemplo, a qualidade do processamento de sinal através de conversores ADC de alta resolução) também pode ocorrer. Exemplos de distúrbios de sinal relacionados com um design pobre são mostrados em oscilogramas e simulações realizadas no AD24 - veja as figuras 2 a 5.

Figura 2: Pulsações curtas causadas por terminação de sinal inadequada ao longo do caminho do sinal

Figura 3: Exemplo de diafonia - traço roxo - agressor, traço amarelo - vítima

Figura 4: Sobressinal e subssinal da forma de onda digital

Figura 5: Exemplo de oscilação de sinal. Resultado da simulação de integridade de sinal realizada no AD24

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Figura 6: Otimização na oscilação de sinal - varredura do resistor de terminação em série

Sinais Simples e Diferenciais

Sinais de baixa velocidade, como SPI, I2C ou RS232, onde a informação é transportada como a diferença de tensão entre a linha de sinal e o terra, são chamados sinais simples. Sinais de alta velocidade, com taxas de dados superiores a várias centenas de Mbits/s, são geralmente transmitidos por um par diferencial - um par de trilhas de sinal estreitamente acopladas na PCB - a informação, neste caso, é transportada pela diferença de tensão entre estas duas linhas (frequentemente referidas como P e N) - veja figura 7 e 8.

Figura 7: Pares diferenciais do controlador Ethernet definidos no AD24

Figura 8: Par diferencial representado na PCB

Sinais diferenciais são menos suscetíveis a distúrbios e flutuações no potencial de terra na PCB porque um distúrbio é induzido em ambas as linhas que formam um par diferencial, assim o sinal diferencial (diferença entre uma linha e a outra) não é distorcido. Esse tipo de sinalização ajuda a minimizar problemas relacionados ao salto de terra no sistema e melhora os parâmetros de qualidade de sinais de alta velocidade. Exemplos de sinais diferenciais e de extremidade única são mostrados na figura 9.

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Figura 9: Sinais de Extremidade Única e Diferenciais

Conclusões

A implementação correta de princípios de alta velocidade no projeto para garantir a integridade dos sinais na PCB requer atenção desde o início da fase de design - começando pelo empilhamento da PCB, definição dos pares diferencial ou de extremidade única com impedâncias corretas, estratégias de roteamento bem como o arranjo dos componentes na PCB, por exemplo, a localização da memória DDR e a relação dela com o MCU ou FPGA.

Além disso, aspectos importantes relacionados à qualidade dos sinais de alta velocidade incluem o tipo e a quantidade de vias ao longo dos caminhos dos sinais, stubs de sinal, conectores e o método de conectar trilhas de sinal a eles.

A verificação de uma PCB fabricada com sinalização de alta velocidade pode ser realizada por meio de simulação, o que permite detectar problemas potenciais antes de encomendá-la. Critérios de integridade de sinal, como overshoot, undershoot, reflexão ou diafonia, podem ser definidos no Altium Designer nas regras de design. Isso ajuda a manter a integridade do sinal sob controle.

Nossa próxima extensão, Signal Analyzer by Keysight, irá aprimorar ainda mais o potencial do seu processo de design, especialmente quando focado na análise de integridade de sinal. A estreia desta extensão está programada para meados de outubro de 2024.