Принципы целостности сигнала на основе Altium Designer 24

Введение в высокоскоростные технологии и целостность сигнала

Цифровые системы являются одной из основных областей современной электроники. Прогресс в области высокоэффективных процессоров или других цифровых систем, таких как FPGA или системы сбора данных с широкой полосой пропускания, использующие быстрые АЦП в сочетании с DSP или FPGA, требует особого подхода к проектированию электроники, особенно к печатным платам, которые включают в себя соединения между различными интегральными схемами или модулями. Этот подход связан с типами сигналов, используемых в современной высокоскоростной электронике.

Базовые и хорошо известные интерфейсы, такие как RS232 или I2C, ограничены пропускной способностью данных до сотен килобит в секунду, однако соединения между высокоскоростными системами или модулями через интерфейсы, такие как PCIe или USB3.0, могут иметь скорость передачи данных выше гигабит в секунду (отсюда и термин высокоскоростные системы или высокоскоростное проектирование).

Кроме того, большинство современных интерконнектов с высокой скоростью передачи данных используют последовательную передачу сигналов с использованием всего нескольких сигнальных линий. Одна из таких последовательных линий показана на рисунке 1. Некоторые стандарты требуют нескольких линий, и в большинстве случаев эти линии выполняются в виде дифференциальной пары. Хорошим примером таких стандартов являются PCIe или JESD204.

Рисунок 1: Серийная линия передачи данных с высокой скоростью; обратите внимание, что согласование импеданса передатчика, приемника и линии передачи является фундаментальным для целостности сигнала

Принципы проектирования высокоскоростных устройств схожи с принципами радиочастотного проектирования, поскольку существует прямая связь между скоростью передачи сигнала и занимаемой им полосой частот - чем выше скорость передачи данных, тем шире полоса частот, занимаемая таким сигналом. Также время нарастания и спада высокоскоростных сигналов часто составляет менее 1 нс, при этом частоты переключения превышают несколько ГГц. Такие сигналы распространяются по печатной плате иным образом, чем сигналы, используемые в стандартах низкой скорости, таких как SPI, I2C или RS232. При проектировании печатной платы требуется уделить значительное внимание, учитывая полосу пропускания сигнала, чтобы сохранить достоверность данных от передатчика (например, интерфейс JESD204B АЦП) до приемника (например, входные контакты FPGA). Чаще всего используется стандарт LVDS (low-voltage differential signaling) для соединения модулей или систем с высокой скоростью передачи данных, а также для предоставления стандартизированных спецификаций для высокоскоростных сигналов (например, амплитудные колебания, логические уровни, импедансы и др.).

Особенности высокоскоростных сигналов требуют использования различных инструментов проектирования для печатных плат и схем, чтобы обеспечить высокую достоверность связи и передаваемых по печатной плате сигналов (вместе с уменьшением времени, затрачиваемого на проектирование). Высокая достоверность сигнала, связанная с качественными характеристиками, называется целостностью сигнала, которая состоит из ряда параметров передаваемого сигнала, которые могут быть проверены во время разработки PCB/SCH, а также в лаборатории с помощью измерений сигналов специализированными инструментами.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Altium Designer поддерживает все действия, связанные с проектами высокой скорости, и предоставляет средства контроля за целостностью сигнала, предлагая ряд функций, например:

• возможность определения дифференциальных пар в схемах и на печатной плате;
• трассировка дифференциальных пар в редакторе PCB с согласованием длины;
• определение управляемых импедансных дорожек для дифференциальных и однопроводных сигнальных линий;
• настройка длины сигнальных линий внутри дифференциальной пары, а также внутри шины;
• инструменты моделирования и проверка DRC для целостности сигнала и высокоскоростных сигналов;
• возможность определения стека PCB с профилями импеданса, включающими коэффициент диссипации, диэлектрическую постоянную и шероховатость меди;
• возможность определения задержек распространения для компонентов

и многое другое.

Эти функции помогают снизить количество ошибок в дизайне, связанных с целостностью сигнала, обеспечивают гибкость на этапе проектирования, сокращают стоимость создания прототипов и ускоряют вывод продукта на рынок.

Целостность сигнала

Упомянутое в первом абзаце ухудшение сигнала может принимать различные формы и относиться к временным характеристикам сигнала (например, время нарастания или джиттер) или параметрам, связанным с уровнем сигнала (например, перерегулирование, амплитуда колебаний). Основные параметры, связанные с верностью сигнала, включают в себя следующие явления:

• отражения сигнала между передатчиком сигнала и линией передачи (или приемником и линией передачи), а также отражения сигнала, вызванные разъемами, переходными отверстиями, ответвлениями или другими компонентами системы, которые искажают непрерывность импеданса вдоль пути сигнала;
• перекрестные помехи между сигнальными линиями;
• перерегулирование и недорегулирование сигнала;
• ухудшение соотношения сигнал/шум (вызванное связанным шумом), затрудняющее для приемника определение правильных логических уровней;
• ослабление сигнала вдоль пути сигнала - невозможность достижения требуемых логических уровней;
• джиттер тактового сигнала, который задает работу преобразователей АЦП/ЦАП, а также джиттер сигнальных линий;
• повышенные уровни излучаемых помех с печатной платы (или системы), которые могут потребовать различных контрмер (например, экранирования) для прохождения сертификации по электромагнитной совместимости

и многое другое.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Каждое из перечисленных выше явлений может привести к увеличению ошибок передачи данных или полной потере связи. Также может произойти ухудшение параметров системы (например, качества обработки сигнала через преобразователи АЦП высокого разрешения). Примеры нарушений сигнала, связанные с плохим проектированием, показаны на осциллограммах и в симуляциях, выполненных в AD24 - см. рисунки 2 до 5.

Рисунок 2: Импульсы с недостаточной амплитудой, вызванные неправильным завершением сигнала вдоль пути сигнала

Рисунок 3: Пример перекрестных помех - фиолетовый след - агрессор, желтый след - жертва

Рисунок 4: Перерегулирование и недорегулирование цифрового сигнала

Рисунок 5: Пример колебаний сигнала. Результат моделирования целостности сигнала, выполненный в AD24

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Рисунок 6: Оптимизация колебаний сигнала - подбор резистора последовательного завершения

Однопроводные и дифференциальные сигналы

Медленные сигналы, такие как SPI, I2C или RS232, при которых информация передается как разность напряжений между линией сигнала и землей, называются однопроводными сигналами. Высокоскоростные сигналы, скорость передачи данных которых превышает несколько сотен Мбит/с, обычно передаются с помощью дифференциальной пары - тесно связанной пары сигнальных дорожек на печатной плате - в этом случае информация передается разностью напряжений между этими двумя линиями (часто обозначаемыми как P и N) - см. рисунок 7 и 8.

Рисунок 7: Дифференциальные пары контроллера Ethernet, определенные в AD24

Рисунок 8: Дифференциальная пара, представленная на печатной плате

Дифференциальные сигналы менее подвержены помехам и колебаниям потенциала земли на печатной плате, поскольку помеха индуцируется в обеих линиях, формирующих дифференциальную пару, таким образом дифференциальный сигнал (разница между одной линией и другой) не искажается. Этот тип сигнализации помогает минимизировать проблемы, связанные с отскоком земли в системе, и улучшает качественные параметры высокоскоростных сигналов. Примеры дифференциальных и однопроводных сигналов показаны на рисунке 9.

PCB Design Solutions

For the Consumer Electronics Industry

Learn More

Рисунок 9: Однопроводные и дифференциальные сигналы

Заключение

Правильная реализация принципов высокоскоростной передачи в проекте для обеспечения целостности сигналов на печатной плате требует внимания с самого начала этапа проектирования - начиная от структуры слоев печатной платы, определения дифференциальных или однопроводных пар с правильными импедансами, стратегий трассировки, а также расположения компонентов на печатной плате, например, местоположения памяти DDR относительно MCU или FPGA.

Кроме того, важные аспекты, связанные с качеством высокоскоростных сигналов, включают тип и количество переходных отверстий (via) вдоль путей сигнала, ответвления сигнала, разъемы и метод подключения сигнальных дорожек к ним.

Проверка изготовленной печатной платы с высокоскоростными сигналами может быть выполнена с помощью симуляции, что позволяет обнаружить потенциальные проблемы до её заказа. Критерии целостности сигнала, такие как перенапряжение, недостаточное напряжение, отражение или перекрестные помехи, могут быть определены в Altium Designer в правилах проектирования. Это помогает контролировать целостность сигнала.

Наше предстоящее расширение, Signal Analyzer от Keysight, дополнительно усилит потенциал вашего процесса проектирования, особенно при сосредоточении на анализе целостности сигнала. Премьера этого расширения запланирована на середину октября 2024 года.