Các công cụ phân tích toàn vẹn tín hiệu tốt nhất cho PCB

Khái niệm phân tích tính toàn vẹn tín hiệu để hỗ trợ thiết kế PCB có thể bao hàm nhiều ý nghĩa khác nhau. Trong PCB, nhiều giao diện được sử dụng để kết nối các linh kiện, và mỗi giao diện lại có các yêu cầu riêng về tính toàn vẹn tín hiệu, tất cả đều đòi hỏi một mức độ phân tích nhất định. Để đáp ứng nhu cầu về các khả năng phân tích tốt hơn và nhanh hơn, ngành phần mềm EDA đã đưa ra nhiều giải pháp cho thiết kế và phân tích ở cấp hệ thống, trong đó có một số lựa chọn nhắm riêng đến các tác vụ phân tích tính toàn vẹn tín hiệu trong thiết kế PCB.

Hướng dẫn này cung cấp cái nhìn tổng quan về các lựa chọn khác nhau cho phân tích tính toàn vẹn tín hiệu và các khả năng của chúng. Một số là công cụ phân tích cấp hệ thống, trong khi một số khác được chuyên biệt cho PCB. Một số tùy chọn phần mềm này miễn phí hoặc chi phí thấp, trong khi những tùy chọn khác phù hợp hơn với người dùng cấp doanh nghiệp. Mục tiêu là giúp bạn xác định lựa chọn tốt nhất cho thiết kế, ngân sách và trình độ chuyên môn của mình.

Các loại phần mềm phân tích tính toàn vẹn tín hiệu

Tất cả phần mềm tính toàn vẹn tín hiệu đều thực hiện một dạng mô phỏng nào đó, चाहे là ở cấp mạch, trực tiếp từ bố cục PCB trong 2D hoặc 3D, hay dưới dạng mạng tuyến tính với các mô hình mô phỏng đã được trích xuất. Sau khi mô phỏng được thực hiện, phần mềm sẽ tự động hóa các tác vụ phân tích giúp kỹ sư hiểu hoặc ngăn ngừa các vấn đề tiềm ẩn về tính toàn vẹn tín hiệu trong thiết kế. Các loại phân tích khác nhau có thể thực hiện được trong các gói phần mềm khác nhau, và ngành EDA cung cấp rất nhiều lựa chọn cho phân tích tính toàn vẹn tín hiệu.

Có nhiều tác vụ phân tích tính toàn vẹn tín hiệu có thể được thực hiện với các công cụ phần mềm phù hợp. Việc phân tích thường bao gồm phân tích mạch, mô hình hóa mạng tuyến tính và mô hình hóa cấp hệ thống.

Phân tích mạch

Trong các trình mô phỏng này, các mô hình mạch được thiết kế và sử dụng để hiểu tính toàn vẹn tín hiệu, cả về cách tín hiệu tương tác với linh kiện lẫn với các liên kết vật lý trong thiết kế. Ở trường hợp thứ nhất, phân tích mạch được dùng để hiểu cách một mạch phát hoặc mạch thu tạo ra hoặc diễn giải tín hiệu. Đối với mạch phát, mục tiêu là ngăn méo tín hiệu, còn đối với mạch thu, mạch phải có khả năng trích xuất dữ liệu, thực hiện phép đo hoặc kết cuối tín hiệu đúng cách.

Đây thường là các trình mô phỏng dựa trên SPICE, chẳng hạn như các lựa chọn sau:

• ngspice: Bộ máy SPICE mã nguồn mở hỗ trợ mô phỏng mạch quá độ, AC, nhiễu và tín hiệu hỗn hợp.
• LTspice: Trình mô phỏng SPICE miễn phí được sử dụng rộng rãi, hỗ trợ mạnh cho bộ nguồn chuyển mạch và mạch tương tự.
• Altium Designer: Bao gồm mô phỏng SPICE tích hợp trực tiếp trong trình biên tập sơ đồ nguyên lý và hỗ trợ nhiều định dạng mô hình SPICE, bao gồm mô hình LTspice và PSpice.
• QUCS: Trình mô phỏng mạch dựa trên sơ đồ nguyên lý, hỗ trợ mô phỏng AC, quá độ, tham số S và RF, thường được dùng trong phát triển mạch tương tự và RF.

Các công cụ này thường không được dùng cho mô phỏng tính toàn vẹn tín hiệu đầy đủ ở cấp hệ thống. Thay vào đó, chúng đánh giá cách các mạch tương tác với liên kết hoặc cách hành vi của mạch ảnh hưởng đến tính toàn vẹn tín hiệu trên các dải tần số khác nhau. Để đánh giá toàn diện hơn về tính toàn vẹn tín hiệu có liên quan đến các liên kết vật lý, chúng ta chuyển sang các ứng dụng EDA cung cấp phân tích mạng tuyến tính.

Phân tích mạng tuyến tính

Mạng tuyến tính có thể được xây dựng từ các mô hình mô phỏng để mô tả đầy đủ hành vi của liên kết từ mạch phát đến mạch thu. Các mạng này có thể được xây dựng từ mô hình mạch, mô hình SPICE hoặc mô hình tham số S mô tả hành vi của mạch. Các mô hình này có thể được xây dựng từ mạch tương đương, mô phỏng điện từ toàn sóng hoặc các mô hình hiện tượng học. Mục tiêu của phân tích mạng tuyến tính là tạo ra một chuỗi ghép tầng của các phần tử liên kết riêng lẻ (đầu nối, đường mạch, via, v.v.) để xây dựng một mô hình mô phỏng hoàn chỉnh phục vụ phân tích tính toàn vẹn tín hiệu.

Nhiều công cụ mô phỏng cấp hệ thống tiêu chuẩn có tích hợp sẵn các tính năng mạng tuyến tính. Bao gồm:

• Simbeor: Hỗ trợ tệp Touchstone và mô hình mạch trong giao diện GUI để phân tích SI
• pyBERT: Gói Python mã nguồn mở hỗ trợ các phân tích tương tự như các công cụ EDA khác
• CST: Bao gồm trình mô phỏng điện từ toàn sóng và bộ phân tích mạng tuyến tính
• Ansys: Tương tự CST, nhưng có một số tác vụ phân tích và xây dựng mô hình được tự động hóa
• Keysight ADS: Một ứng dụng phổ biến cho phân tích tính toàn vẹn tín hiệu trong PCB, package và hệ thống
• MATLAB: Bao gồm nhiều gói chuyên dụng cho tính toàn vẹn tín hiệu và thiết kế RF
• QUCS: Quite Universal Circuit Simulator (QUCS) có thể sử dụng tệp Touchstone cùng với các mô hình khác để phân tích tính toàn vẹn tín hiệu
• FastMaxwell: Trình mô phỏng mã nguồn mở có thể trích xuất tệp Touchstone từ các cấu trúc dây dẫn 3D phức tạp, chẳng hạn như mạch RF in

Mục tiêu thường là tạo ra các phân tích tiêu chuẩn cần thiết cho tính toàn vẹn tín hiệu, chẳng hạn như biểu đồ mắt, tham số S hoặc kết quả mô phỏng quá độ. Các mô phỏng này có thể được mở rộng thêm bằng các ứng dụng phân tích thiết kế hệ thống nâng cao hơn, từ đó cho mô tả chính xác hơn nhiều về hành vi của hệ thống.

Ứng dụng EDA cho thiết kế hệ thống

Các công cụ thiết kế cấp hệ thống mở rộng cách tiếp cận phân tích mạng tuyến tính bằng cách tích hợp các mô hình hành vi, cân bằng số và các tính năng nhận biết giao thức, cho phép nhà thiết kế đánh giá toàn bộ kênh truyền thông. Ví dụ, các công cụ như Keysight ADS có thể bao gồm các mô hình IBIS hoặc IBIS-AMI cho hành vi của bộ phát và bộ thu, cho phép mô phỏng cân bằng, khả năng chịu jitter và mức độ tuân thủ của kênh trong các liên kết SerDes tốc độ cao. Các ứng dụng này thường được dùng để xác thực kênh theo các tiêu chuẩn như PCIe, Ethernet hoặc USB bằng cách tạo tham số S, biểu đồ mắt và ước lượng tỷ lệ lỗi bit dựa trên các mô hình kênh thực tế.

Trình mô phỏng thương mại và mã nguồn mở

Mặc dù các công cụ phân tích tính toàn vẹn tín hiệu giúp phân tích các mô hình được trích xuất từ mô phỏng hoặc phép đo, vẫn có thể cần một ứng dụng mô phỏng để phát triển các mô hình dùng trong các ứng dụng phân tích. Ví dụ, trong trường hợp phân tích một thiết kế đầu nối được đề xuất, một ứng dụng mô phỏng có thể được dùng để trích xuất mô hình tham số S dưới dạng tệp Touchstone để sử dụng trong một ứng dụng phân tích. Các trình mô phỏng thương mại và mã nguồn mở đều có thể được dùng để trích xuất các mô hình này. Chúng được tóm tắt trong bảng sau.

Các ứng dụng này cũng cung cấp khả năng phân tích riêng như các tính năng tích hợp, ở dạng tự động hoặc bán tự động. Trong một số quy trình làm việc, chúng có thể thực hiện cả trích xuất mô hình lẫn phân tích tính toàn vẹn tín hiệu, mặc dù nhiều nhóm thiết kế vẫn dựa vào phần mềm phân tích SI chuyên dụng để xác minh kênh và thẩm định ở cấp hệ thống.

Công cụ hiển thị và phân tích dữ liệu cho tính toàn vẹn tín hiệu

Quy trình làm việc về tính toàn vẹn tín hiệu thường dựa vào các công cụ có thể nhập tệp Touchstone (tham số S), vẽ kết quả trong miền thời gian hoặc miền tần số, và tạo nhanh các chỉ số như suy hao phản xạ, suy hao chèn hoặc biểu đồ mắt. Các lựa chọn thương mại như Keysight PLTS và trình biên tập Touchstone bên trong HyperLynx cung cấp các khả năng này trong một GUI hoàn thiện, nhưng yêu cầu giấy phép trả phí.

MATLAB thường được dùng để phân tích dữ liệu tham số S, tạo biểu đồ mắt và triển khai các mô phỏng kênh tùy chỉnh. Đối với các kỹ sư tìm kiếm một giải pháp thay thế miễn phí, GNU Octave cung cấp một môi trường tương thích ở mức cao, có khả năng chạy nhiều script MATLAB chỉ với rất ít chỉnh sửa. Octave cũng được tích hợp vào QUCS, cho phép kỹ sư thực hiện hậu xử lý nâng cao và phân tích dữ liệu trực tiếp trên kết quả mô phỏng mạch.

Hiển thị tham số S trong MATLAB. [Nguồn: MathWorks]

Dù bạn cần xây dựng hệ thống điện tử công suất đáng tin cậy hay các hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB hoàn chỉnh và các công cụ CAD đẳng cấp thế giới của Altium. Altium cung cấp nền tảng phát triển sản phẩm điện tử hàng đầu thế giới, hoàn chỉnh với các công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong ngành và các tính năng cộng tác liên ngành dành cho các nhóm thiết kế tiên tiến. Liên hệ với chuyên gia của Altium ngay hôm nay!

Câu hỏi thường gặp

Phần mềm nào tốt nhất cho phân tích tính toàn vẹn tín hiệu?

Không có một phần mềm nào là “tốt nhất” duy nhất. Lựa chọn phù hợp phụ thuộc vào mức độ tự động hóa cần thiết trong việc xây dựng mô hình mô phỏng và chạy các tác vụ phân tích. Một số phần mềm cho người dùng nhiều quyền kiểm soát hơn đối với các tùy chọn mô phỏng, việc xây dựng mô hình và cấu hình các tác vụ phân tích.

Phần mềm thiết kế PCB có hỗ trợ phân tích tính toàn vẹn tín hiệu không?

Có, phần mềm thiết kế PCB hỗ trợ phân tích tính toàn vẹn tín hiệu. Việc này được thực hiện trực tiếp bằng các tính năng tích hợp sẵn, hoặc gián tiếp bằng cách cho phép xuất dữ liệu theo các định dạng tiêu chuẩn để sử dụng trong các ứng dụng mô phỏng khác.

SPICE có thể được dùng để phân tích tính toàn vẹn tín hiệu trong PCB không?

SPICE thường được dùng để xác thực ở cấp mạch. Nó không xét đến các mô hình đường truyền thực hoặc các mô hình liên kết được trích xuất từ các trình mô phỏng điện từ #D, vì vậy nó không nắm bắt đầy đủ hành vi thực của hệ thống trên PCB.

Mô phỏng điện từ 3D có bắt buộc cho phân tích tính toàn vẹn tín hiệu không?

Không, không phải cho mọi loại phân tích. Trong bối cảnh phân tích tính toàn vẹn tín hiệu, mô phỏng điện từ 3D được dùng để tính toán trực tiếp trường điện từ, hoặc để trích xuất các mô hình dùng trong phân tích mạng tuyến tính.