Nguyên lý Tính toàn vẹn Tín hiệu dựa trên Altium Designer 24

Giới thiệu về Tốc độ Cao và Tính Toàn vẹn Tín hiệu

Hệ thống số là một trong những lĩnh vực cơ bản của điện tử hiện đại. Sự tiến bộ trong việc phát triển các bộ xử lý hiệu quả cao hoặc các hệ thống số khác, như FPGA hoặc hệ thống thu thập dữ liệu băng thông rộng sử dụng bộ chuyển đổi ADC nhanh cùng với DSP hoặc FPGA, đòi hỏi một cách tiếp cận khác với thiết kế điện tử, đặc biệt là PCB bao gồm các kết nối giữa các mạch tích hợp hoặc mô-đun khác nhau. Cách tiếp cận này liên quan đến các loại tín hiệu được sử dụng trong điện tử tốc độ cao hiện đại.

Các giao diện cơ bản và quen thuộc, như RS232 hoặc I2C, bị giới hạn về lưu lượng dữ liệu ở mức hàng trăm kilobit mỗi giây, tuy nhiên, kết nối giữa các hệ thống hoặc mô-đun tốc độ cao qua các giao diện như PCIe hoặc USB3.0 có thể có tốc độ dữ liệu trên gigabit mỗi giây (và do đó có thuật ngữ hệ thống tốc độ cao hoặc thiết kế tốc độ cao).

Ngoài ra, hầu hết các kết nối tốc độ dữ liệu cao hiện đại sử dụng tín hiệu nối tiếp với chỉ một vài dây tín hiệu. Một dây tín hiệu nối tiếp như vậy được hiển thị trong hình 1. Một số tiêu chuẩn yêu cầu nhiều dây hơn và trong hầu hết các trường hợp, những dây này được làm thành một cặp vi sai. Một ví dụ tốt về các tiêu chuẩn như vậy là PCIe hoặc JESD204.

Hình 1: Liên kết tốc độ dữ liệu cao nối tiếp; xin lưu ý việc khớp trở kháng của bộ phát, bộ thu và đường truyền là cơ bản cho tính toàn vẹn tín hiệu

Nguyên lý của các thiết kế tốc độ cao tương tự như thiết kế tần số vô tuyến vì có mối quan hệ trực tiếp giữa tốc độ dữ liệu tín hiệu và băng thông mà tín hiệu này chiếm dụng - tốc độ dữ liệu càng cao, băng thông mà tín hiệu chiếm dụng càng rộng. Ngoài ra, thời gian tăng và giảm của các tín hiệu tốc độ cao thường dưới 1ns với tần số chuyển mạch trên vài GHz. Những tín hiệu này truyền qua PCB theo một cách khác so với các tín hiệu được sử dụng trong các chuẩn tốc độ thấp, như SPI, I2C hoặc RS232. Cần phải chú ý đặc biệt để thiết kế PCB một cách chính xác, giữ trong tâm trí băng thông của tín hiệu, sao cho độ trung thực của liên kết dữ liệu được duy trì từ bộ phát (ví dụ: giao diện JESD204B của một ADC) đến bộ nhận (ví dụ: chân đầu vào FPGA). Thường thì chuẩn LVDS (low-voltage differential signaling) được sử dụng để kết nối các mô-đun hoặc hệ thống tốc độ dữ liệu cao cũng như cung cấp một thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho các tín hiệu tốc độ cao (ví dụ: biên độ dao động điện áp, mức logic, trở kháng và hơn thế nữa).

Bản chất của các tín hiệu tốc độ cao đòi hỏi các công cụ thiết kế khác nhau cho PCB và sơ đồ để đảm bảo độ trung thực cao của liên kết và các tín hiệu truyền trên PCB (cùng với việc giảm thời gian dành cho việc thiết kế). Độ trung thực của tín hiệu liên quan đến các đặc tính chất lượng được gọi là tính toàn vẹn của tín hiệu, bao gồm một số thông số của tín hiệu truyền đi có thể được kiểm tra trong quá trình phát triển PCB/SCH cũng như trong phòng thí nghiệm bằng cách đo tín hiệu với các công cụ chuyên dụng.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Altium Designer hỗ trợ tất cả các hoạt động liên quan đến các dự án tốc độ cao và cung cấp phương tiện kiểm soát tính toàn vẹn của tín hiệu bằng cách cung cấp một số tính năng, ví dụ:

• khả năng xác định các cặp vi sai trong sơ đồ và PCB;
• định tuyến các cặp vi sai trong trình chỉnh sửa PCB với việc khớp chiều dài;
• định nghĩa các đường dẫn có trở kháng kiểm soát cho các dòng tín hiệu vi sai và đơn;
• điều chỉnh chiều dài các dòng tín hiệu trong một cặp vi sai cũng như trong một bus;
• công cụ mô phỏng và kiểm tra DRC cho tính toàn vẹn tín hiệu và tốc độ cao;
• khả năng xác định cấu trúc xếp chồng PCB với các hồ sơ trở kháng bao gồm hệ số tiêu hao, hằng số điện môi và độ nhám của đồng;
• khả năng xác định độ trễ truyền dẫn cho các thành phần

và hơn thế nữa.

Những tính năng này giúp giảm thiểu lỗi thiết kế liên quan đến tính toàn vẹn của tín hiệu, cung cấp sự linh hoạt trong giai đoạn thiết kế, giảm chi phí chế tạo mẫu, và tăng tốc độ đưa sản phẩm ra thị trường.

Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu

Sự suy giảm tín hiệu được đề cập trong đoạn đầu có thể xuất hiện dưới nhiều hình thức và liên quan đến các giá trị theo thời gian của tín hiệu (như thời gian tăng hoặc jitter) hoặc các tham số liên quan đến mức tín hiệu (ví dụ, overshoot, biên độ điện áp). Các tham số cơ bản liên quan đến độ trung thực của tín hiệu bao gồm các hiện tượng sau:

• sự phản xạ tín hiệu giữa bộ phát tín hiệu và đường truyền tín hiệu (hoặc bộ nhận và đường truyền tín hiệu), cũng như sự phản xạ tín hiệu do các kết nối, vias, stubs hoặc các thành phần khác của hệ thống gây ra, làm méo độ liên tục trở kháng dọc theo đường dẫn tín hiệu;
• sự nhiễu chéo giữa các đường dẫn tín hiệu;
• sự vượt quá và không đạt đến mức tín hiệu;
• sự suy giảm trong tỷ lệ tín hiệu so với nhiễu (do nhiễu ghép nối), gây khó khăn cho bộ nhận trong việc phát hiện các mức logic chính xác;
• sự suy giảm tín hiệu dọc theo đường dẫn tín hiệu - không thể đạt được các mức logic yêu cầu;
• jitter trên tín hiệu đồng hồ điều khiển hoạt động của các bộ chuyển đổi ADC/DAC cũng như jitter của các đường dẫn tín hiệu;
• mức độ phát xạ bức xạ tăng lên từ PCB (hoặc hệ thống) có thể yêu cầu các biện pháp đối phó khác nhau (ví dụ: che chắn) để đạt được chứng nhận EMC

và nhiều hơn nữa.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Mỗi hiện tượng được liệt kê ở trên có thể dẫn đến tăng tỷ lệ lỗi dữ liệu hoặc mất hoàn toàn khả năng giao tiếp. Ngoài ra, sự suy giảm các thông số của hệ thống (ví dụ: chất lượng xử lý tín hiệu qua các bộ chuyển đổi ADC độ phân giải cao) cũng có thể xảy ra. Các ví dụ về sự nhiễu tín hiệu liên quan đến thiết kế kém được hiển thị trong các đồ thị dao động và mô phỏng thực hiện trong AD24 - xem hình 2 đến 5.

Hình 2: Xung runt do kết thúc tín hiệu không đúng cách trên đường truyền tín hiệu

Hình 3: Ví dụ về Crosstalk - dấu vết màu tím - kẻ xâm lược, dấu vết màu vàng - nạn nhân

Hình 4: Quá mức và dưới mức của sóng số

Hình 5: Ví dụ về tín hiệu rung. Kết quả mô phỏng tính toán tín hiệu được thực hiện trong AD24

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Hình 6: Tối ưu hóa trong tín hiệu rung - quét điện trở kết thúc chuỗi

Tín hiệu Đơn và Tín hiệu Đối xứng

Tín hiệu tốc độ thấp như SPI, I2C hoặc RS232, nơi thông tin được truyền dưới dạng sự chênh lệch điện áp giữa dây tín hiệu và mặt đất, được gọi là tín hiệu đơn. Tín hiệu tốc độ cao, với tốc độ dữ liệu vượt quá vài trăm Mbits/s thường được truyền bởi cặp tín hiệu đối xứng - một cặp dây tín hiệu gần gũi trên PCB - thông tin trong trường hợp này được truyền bởi sự chênh lệch điện áp giữa hai dây này (thường được gọi là P và N) - xem hình 7 và 8.

Hình 7: Cặp đối xứng của bộ điều khiển Ethernet được định nghĩa trong AD24

Hình 8: Cặp đối xứng được biểu diễn trên PCB

Tín hiệu vi sai ít bị ảnh hưởng bởi sự nhiễu loạn và biến động về tiềm năng mặt đất trên PCB vì một sự nhiễu loạn được gây ra trên cả hai đường dây tạo thành một cặp vi sai, do đó tín hiệu vi sai (sự khác biệt giữa một đường và đường kia) không bị méo mó. Loại tín hiệu này giúp giảm thiểu các vấn đề liên quan đến sự nảy mặt đất trong hệ thống và cải thiện các tham số chất lượng của tín hiệu tốc độ cao. Các ví dụ về tín hiệu vi sai và tín hiệu đơn cuối được hiển thị trong hình 9.

PCB Design Solutions

For the Consumer Electronics Industry

Learn More

Hình 9: Tín hiệu Đơn Cuối và Vi Sai

Kết luận

Việc thực hiện đúng các nguyên tắc tốc độ cao trong dự án để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu trên PCB đòi hỏi sự chú ý từ giai đoạn thiết kế ban đầu - bắt đầu từ việc xếp chồng PCB, định nghĩa các cặp vi sai hoặc đơn cuối với trở kháng chính xác, chiến lược định tuyến cũng như sắp xếp các thành phần trên PCB, ví dụ vị trí của bộ nhớ DDR và vị trí so với MCU hoặc FPGA.

Ngoài ra, các khía cạnh quan trọng liên quan đến chất lượng của tín hiệu tốc độ cao bao gồm loại và số lượng vias dọc theo đường dẫn tín hiệu, các đoạn tín hiệu, kết nối và phương pháp kết nối các đường dẫn tín hiệu với chúng.

Xác minh một PCB được sản xuất với tín hiệu tốc độ cao có thể được thực hiện thông qua mô phỏng, cho phép bạn phát hiện các vấn đề tiềm ẩn trước khi đặt hàng. Các tiêu chí về tính toàn vẹn tín hiệu như overshoot, undershoot, phản xạ hoặc nhiễu chéo có thể được định nghĩa trong Altium Designer trong các quy tắc thiết kế. Điều này giúp kiểm soát tính toàn vẹn tín hiệu.

Phần mở rộng sắp tới của chúng tôi, Signal Analyzer by Keysight, sẽ cải thiện thêm khả năng của quy trình thiết kế của bạn, đặc biệt khi tập trung vào phân tích tính toàn vẹn tín hiệu. Buổi ra mắt phần mở rộng này dự kiến vào giữa tháng 10 năm 2024.