Лучшие инструменты анализа целостности сигналов для печатных плат

Понятие анализа целостности сигналов для поддержки проектирования печатных плат может означать многое. В печатных платах для соединения компонентов используются различные интерфейсы, и у каждого из них свои требования к целостности сигналов, что требует определенного уровня анализа. В ответ на спрос на более качественные и быстрые средства анализа индустрия EDA-программного обеспечения предложила множество решений для системного проектирования и анализа, включая несколько вариантов, специально ориентированных на задачи анализа целостности сигналов при проектировании PCB.

В этом руководстве представлен обзор различных вариантов программного обеспечения для анализа целостности сигналов и их возможностей. Некоторые из них являются инструментами системного уровня, тогда как другие специализированы для печатных плат. Часть этих программных решений бесплатна или имеет низкую стоимость, тогда как другие больше подходят для пользователей корпоративного уровня. Цель состоит в том, чтобы помочь вам определить лучший вариант с учетом вашего проекта, бюджета и уровня подготовки.

Типы программного обеспечения для анализа целостности сигналов

Любое ПО для анализа целостности сигналов выполняет тот или иной вид моделирования — на уровне схемы, непосредственно по топологии PCB в 2D или 3D либо в виде линейных сетей с извлеченными моделями для симуляции. После выполнения моделирования программное обеспечение автоматизирует аналитические задачи, которые помогают инженерам понять или предотвратить возможные проблемы с целостностью сигналов в проекте. В разных программных пакетах доступны разные виды анализа, и индустрия EDA предлагает множество вариантов для анализа целостности сигналов.

Существует множество задач анализа целостности сигналов, которые можно выполнять с помощью подходящих программных инструментов. Обычно анализ включает схемотехнический анализ, моделирование линейных сетей и моделирование на системном уровне.

Схемотехнический анализ

В таких симуляторах создаются и используются схемные модели для понимания целостности сигналов — как с точки зрения взаимодействия сигналов с компонентами, так и с физическими межсоединениями в проекте. В первом случае схемотехнический анализ используется для понимания того, как передающая или принимающая схема генерирует либо интерпретирует сигнал. Для передатчиков цель состоит в предотвращении искажений, тогда как для приемников схема должна быть способна извлекать данные, выполнять измерения или корректно согласовывать сигнал.

Обычно это симуляторы на базе SPICE, например следующие варианты:

• ngspice: SPICE-движок с открытым исходным кодом, поддерживающий переходные, AC-, шумовые и смешанные схемотехнические симуляции.
• LTspice: Широко используемый бесплатный SPICE-симулятор с сильной поддержкой импульсных стабилизаторов и аналоговых схем.
• Altium Designer: Включает встроенное SPICE-моделирование непосредственно в редактор схем и поддерживает несколько форматов SPICE-моделей, включая модели LTspice и PSpice.
• QUCS: Схемно-ориентированный симулятор, поддерживающий AC-, переходный, S-параметрический и RF-анализ, часто используемый при разработке аналоговых и RF-схем.

Эти инструменты обычно не используются для полноценного моделирования целостности сигналов на уровне всей системы. Вместо этого они оценивают, как схемы взаимодействуют с межсоединениями или как поведение схем влияет на целостность сигналов в различных диапазонах частот. Для более комплексной оценки целостности сигналов с учетом физических межсоединений используются EDA-приложения, предоставляющие анализ линейных сетей.

Анализ линейных сетей

Линейные сети могут строиться на основе моделей симуляции для описания полного поведения межсоединений от передатчика до приемника. Такие сети могут создаваться из схемных моделей, SPICE-моделей или моделей S-параметров, описывающих поведение схемы. Эти модели могут быть построены на основе эквивалентных схем, полноволнового электромагнитного моделирования или феноменологических моделей. Цель анализа линейных сетей состоит в создании каскада отдельных элементов межсоединений (разъемов, трасс, переходных отверстий и т. д.) для построения полной модели симуляции с целью анализа целостности сигналов.

Во многих стандартных инструментах системного моделирования функции линейных сетей встроены изначально. К ним относятся:

• Simbeor: Поддерживает файлы Touchstone и схемные модели в графическом интерфейсе для SI-анализа
• pyBERT: Python-пакет с открытым исходным кодом, поддерживающий те же виды анализа, что и другие EDA-инструменты
• CST: Включает полноволновой электромагнитный симулятор и анализатор линейных сетей
• Ansys: Аналогично CST, но с автоматизацией некоторых задач анализа и построения моделей
• Keysight ADS: Популярное приложение для анализа целостности сигналов в PCB, корпусах и системах
• MATLAB: Включает множество специализированных пакетов для анализа целостности сигналов и RF-проектирования
• QUCS: Quite Universal Circuit Simulator (QUCS) может использовать файлы Touchstone наряду с другими моделями для анализа целостности сигналов
• FastMaxwell: Симулятор с открытым исходным кодом, способный извлекать файлы Touchstone из сложных 3D-структур проводников, таких как печатные RF-схемы

Обычно цель состоит в получении стандартных результатов анализа, необходимых для оценки целостности сигналов, таких как глазковые диаграммы, S-параметры или результаты переходного моделирования. Эти симуляции могут быть дополнительно расширены с помощью более продвинутых приложений для анализа системного проектирования, что дает гораздо более точное описание поведения системы.

EDA-приложения для системного проектирования

Инструменты проектирования системного уровня расширяют подход анализа линейных сетей за счет включения поведенческих моделей, цифровой эквализации и функций, учитывающих особенности протоколов, что позволяет разработчикам оценивать полные каналы связи. Например, такие инструменты, как Keysight ADS, могут включать модели IBIS или IBIS-AMI для описания поведения передатчика и приемника, что позволяет моделировать эквализацию, устойчивость к джиттеру и соответствие канала требованиям в высокоскоростных линиях SerDes. Эти приложения обычно используются для верификации каналов на соответствие таким стандартам, как PCIe, Ethernet или USB, путем генерации S-параметров, глазковых диаграмм и оценок коэффициента битовых ошибок на основе реалистичных моделей канала.

Коммерческие симуляторы и симуляторы с открытым исходным кодом

Хотя инструменты анализа целостности сигналов помогают анализировать модели, полученные в результате моделирования или измерений, для разработки моделей, используемых в аналитических приложениях, все равно может потребоваться отдельное приложение для симуляции. Например, при анализе предлагаемой конструкции разъема приложение для симуляции может использоваться для извлечения модели S-параметров в виде файла Touchstone для дальнейшего использования в аналитическом приложении. Для извлечения таких моделей могут использоваться как коммерческие симуляторы, так и симуляторы с открытым исходным кодом. Они кратко представлены в следующей таблице.

Эти приложения также предоставляют собственные аналитические возможности в виде встроенных функций — автоматизированных или полуавтоматизированных. В некоторых рабочих процессах они могут выполнять как извлечение моделей, так и анализ целостности сигналов, хотя многие команды разработчиков по-прежнему полагаются на специализированное ПО для SI-анализа при верификации каналов и системной валидации.

Инструменты отображения и анализа данных для оценки целостности сигналов

Рабочие процессы анализа целостности сигналов часто опираются на инструменты, которые импортируют файлы Touchstone (S-параметры), строят графики результатов во временной или частотной области и быстро формируют такие метрики, как обратные потери, вносимые потери или глазковые диаграммы. Коммерческие решения, такие как Keysight PLTS и редактор Touchstone в составе HyperLynx, предоставляют эти возможности в удобном графическом интерфейсе, но требуют платных лицензий.

MATLAB часто используется для анализа данных S-параметров, построения глазковых диаграмм и реализации пользовательских симуляций каналов. Для инженеров, которым нужна бесплатная альтернатива, GNU Octave предоставляет в значительной степени совместимую среду, способную запускать многие скрипты MATLAB с минимальными изменениями. Octave также интегрирован в QUCS, что позволяет инженерам выполнять расширенную постобработку и анализ данных непосредственно по результатам схемотехнического моделирования.

Визуализация S-параметров в MATLAB. [Источник: MathWorks]

Независимо от того, нужно ли вам создавать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования PCB и CAD-инструментов мирового класса от Altium. Altium предоставляет ведущую в мире платформу для разработки электронных изделий, включающую лучшие в отрасли инструменты проектирования печатных плат и средства междисциплинарного взаимодействия для передовых команд разработчиков. Свяжитесь со специалистом Altium уже сегодня!

Часто задаваемые вопросы

Какое программное обеспечение лучше всего подходит для анализа целостности сигналов?

Не существует одного «лучшего» программного обеспечения. Правильный выбор зависит от уровня автоматизации, необходимого при построении моделей симуляции и выполнении аналитических задач. Некоторые программы дают пользователям больше контроля над параметрами моделирования, построением моделей и настройкой аналитических задач.

Поддерживает ли ПО для проектирования печатных плат анализ целостности сигналов?

Да, ПО для проектирования печатных плат позволяет выполнять анализ целостности сигналов. Это делается либо напрямую с помощью встроенных функций, либо косвенно — за счет экспорта в стандартные форматы данных для использования в других приложениях моделирования.

Можно ли использовать SPICE для анализа целостности сигналов в PCB?

SPICE обычно используется для валидации на уровне схемы. Он не учитывает реальные модели линий передачи или модели межсоединений, извлеченные из #D-электромагнитных симуляторов, поэтому не позволяет полностью отразить реальное поведение системы на печатной плате.

Требуется ли 3D-электромагнитное моделирование для анализа целостности сигналов?

Нет, не для всех видов анализа. В контексте анализа целостности сигналов 3D-электромагнитное моделирование используется для прямого вычисления электромагнитного поля или для извлечения моделей с целью их применения в анализе линейных сетей.