Это всё аналоговое

«Всё аналоговое!» — эмфатически заявлял я, часто стуча по столу для эффекта. Те, кто меня знали, продолжали работать, те, кто не верили, могли покатать глазами, но иногда я привлекал внимание новичка или кого-то, кто только что окончил школу, и они могли спросить: «А что насчет цифрового?»

Это было в середине 1980-х, и я работал в Commodore Business Systems старшим инженером-конструктором, что означало, что мои ошибки воспроизводились миллионами. Я никогда не учился в колледже и поднялся по служебной лестнице, начав с лицензированного мастера по ремонту телевизоров. Сказать, что я был самоучкой, было бы не совсем верно, так как, попав в различные инженерные отделы, я учился у великолепных людей, которые меня окружали. Я также старался учиться на ошибках, будь то мои собственные или чужие.

Если пропустить момент времени, когда существовало поколение "ECL", то последующее "поколение TTL" испытывало соблазн думать в терминах цифровой номенклатуры, а именно они начали называть сигналы "высокими" или "низкими", или даже короче, "1" или "0". Просто, правда? Конечно, теперь мы знаем и используем такие термины, как целостность сигнала (SI) и сеть распределения питания (PDN), но тогда процессоры в потребительском и небольшом промышленном оборудовании были относительно новыми.

Вдруг появилось поколение новых инженеров, которые "занимались цифровой техникой, но не аналоговой". Я со временем понял, что большинство из них имело в виду, что они не занимались земляными петлями, эмиссиями/чувствительностью FCC, проектированием источников питания и даже схемами сброса были вне их зоны комфорта. Лично я видел работу как всеобъемлющую, прекрасным примером чего было то, что первое, чему я обучал любого должным образом образованного инженера, вошедшего в мои ряды, было как рассчитать температуру перехода чипа.

Как пример, когда я пришел в Commodore, я обнаружил, что предложенная схема сброса для будущих C116/C264/Plus4 состояла из схемы, в которой кто-то подключил конденсатор к резистору, к питанию +5V и к входу логического элемента. Я очень громко заявил, что это просто не будет работать. Представьте себе длинноволосого парня без образования, который говорит вам это на своей первой неделе работы там. По крайней мере, я еще не начал разуваться на работе.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Инженер, как оказалось, уходящий инженер, поскольку он переходил в менее стрессовую обстановку, терпеливо объяснил, что основатель компании установил лимит на количество микросхем в новом компьютере, и это число было девять. Я терпеливо объяснил, что это не имеет значения и что схема не будет работать. В ответ Commodore назначили меня ответственным за новую линейку компьютеров, и теперь это была моя проблема. Я добавил специализированную схему сброса на основе микросхемы таймера 555, и основатель меня не уволил, в конце концов нам нужно было, чтобы это работало при любом количестве, низком и высоком.

Перемотаем вперед к моему последнему гневному выступлению; я был ответственным за дизайн и аппаратную часть Commodore C128 и должен был разместить на двухслойной плате систему с двумя процессорами — с двумя графическими процессорами и общим объемом DRAM 144 мБ, — и добиться ее работоспособности в миллионах экземпляров (и это 1985 год). В самом сердце проблемы лежит то, что большинство дизайнеров могут довольствоваться тем, что работает на 95% или при большинстве напряжений или комбинациях чипов, но миллион раз по 2% проблемы - это ужасно много машин, стоящих на поддонах и в кучах металлолома. Эти числа могут и будут выявлять проблемы чувствительности к маркам чипов и их вариациям и каждой комбинации температуры и напряжения.

Я упорно старался донести до всех, кто был готов слушать, что то, что они называли «низким» уровнем, на самом деле было пороговым напряжением в 0,8 В, как видел его чип, когда выходное напряжение драйвера могло достигать 0,4 В, оставляя скудный запас в 0,4 В для шумов. Мы шутили, что логические элементы ИЛИ были «более шумными», так как любой скачок напряжения более 0,4 В на любом входе мог заставить выход начать выдавать неверные сигналы.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Усложняло задачу то, что мы никогда даже не думали использовать многослойную плату в потребительском отделе, ни разу, никогда. Это означало, что наши силовые дорожки были не чем иным, как увеличенными сигнальными дорожками по сегодняшним меркам, а импеданс как силовых, так и сигнальных дорожек сильно варьировался в зависимости от удачи при разводке.

Это были времена до появления практических инструментов для предсказания плохого поведения; следовательно, мы просто предполагали, что поведение будет плохим. Даже разработчики интегральных схем не имели инструментов, которые говорили бы им, соответствует ли чип схеме, только создание чипа и его тестирование могли дать окончательный ответ. То же самое и для систем, мы должны были построить их, чтобы увидеть, что у нас получилось.

У меня было два основных принципа при начале нового проекта; первый заключался в том, чтобы сделать сетку для всех линий питания и земли, каждый чип должен иметь два пути к питанию и земле, что в теории означало отсутствие "хвостов". Второй принцип был своего рода отправной точкой, и это было размещение и трассировка DRAM, которые были, безусловно, самым коварным элементом того времени. Не все DRAM были изготовлены корректно, не все блоки питания сохраняли свои допуски (DRAM чувствительны к напряжению в некоторых аспектах), и даже чипы, создающие тайминг, имели проблемы. Наше преимущество заключалось в попытке убедиться, что разводка платы питания также не способствовала этим проблемам.

Затем мы размещали графические чипы, включая главные тактовые генераторы — самые высокие основные частоты на плате. Мы автоматически предусматривали небольшой экран для защиты этой части проекта, наши грехи начались, и началось их замазывание.

По завершении у нас обычно получался беспорядок по сегодняшним меркам, и снова нашим испытанием было не то, сможем ли мы произвести несколько штук или несколько тысяч. Минимум составлял миллион, и, как правило, мы производили более пяти миллионов.

Возвращаясь к вопросу о высоких и низких сигналах, тогда сигналы могли звенеть как колокольчики или появляться с полудюжиной отражений или перекрестных помех, которые они подхватывали по пути. На плате больше не оставалось места для заземления, экранов или разделения, и в графике больше не было времени для "начала сначала" в каком-либо значимом смысле. Это означало, что нам приходилось понимать и адаптироваться к нашему окружению. К сожалению, то, что мы тогда делали, это "настраивали" беспорядок так, чтобы он казался нормально работающим. Мы мирились с артефактами, до тех пор, пока они не устаканивались в критические моменты, такие как переходы сигналов управления DRAM.

Одно из действий, к которому мы прибегали, это использование последовательного терминирования пачками. Мы пытались поднять значение до 68 Ом, но оптимальным для нас обычно было 22 Ома, 33 Ома, если у нас было время на дополнительный RC-компонент. Я также нашел несколько случаев подъема земли и также приходилось вручную настраивать адресную линию, добавляя отдельный провод: к 5,7 миллионам устройств.

Я показал новоприбывшим "цифровым" инженерам, что нельзя считать время, в течение которого сигнал колеблется, как высокое или низкое, пока он не перестанет колебаться. Вдруг аналоговое начало входить в их цифровое видение мира, когда я заставил их пересчитать их расчеты времени на основе реальных артефактов. "Все аналоговое", - громко заявлял я, пока однажды инженер по имени Хедли не спросил: "А как насчет квантовых эффектов?"

После этого моим девизом стало "ВСЕ АНАЛОГОВОЕ... пока, конечно, вы не дойдете до квантовых эффектов, в таком случае это не так".

Хотите прочитать больше вдохновляющих историй о технологиях? Читайте статьи в Altium OnTrack Newsletter, подготовленные Джуди Уорнер. Или узнайте больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы и поговорите с экспертом в Altium о применении печатных плат и использовании единственного в своем роде унифицированного программного обеспечения для проектирования печатных плат на рынке.