Целостность сигнала

Смоделированная глазковая диаграмма, отображающая форму сигнала DDR3

Целостность сигнала или SI - это набор мер качества электрического сигнала . В цифровой электронике поток двоичных значений представлен формой волны напряжения (или тока). Однако цифровые сигналы в основном аналоговые по своей природе, и все сигналы подвержены таким эффектам, как шум , искажения и потери. На короткие расстояния и с низкой скоростью передачи данных простой проводник может передавать это с достаточной точностью. При высоких скоростях передачи данныха на больших расстояниях или через различные среды различные эффекты могут ухудшить электрический сигнал до такой степени, что возникают ошибки и система или устройство вырабатываются. Инженерия целостности сигналов - это задача анализа и смягчения этих эффектов. Это важный вид деятельности на всех уровнях упаковки и сборки электроники, от внутренних соединений интегральной схемы (ИС) ^[1] до корпуса , печатной платы (PCB), объединительной платы и межсистемных соединений. ^[2] Хотя есть некоторые общие темы на этих различных уровнях, существуют также практические соображения, в частности, время прохождения межсоединения по сравнению с битовым периодом, которые вызывают существенные различия в подходе к целостности сигнала для соединений на кристалле по сравнению с соединениями между кристаллами .

Некоторые из основных проблем, вызывающих беспокойство по поводу целостности сигнала, - это звон , перекрестные помехи , дребезг от земли , искажение , потеря сигнала и шум источника питания .

История [ править ]

Целостность сигнала в первую очередь связана с электрическими характеристиками проводов и других упаковочных структур, используемых для перемещения сигналов внутри электронного продукта. Такие характеристики являются предметом фундаментальной физики и, как таковые, остаются относительно неизменными с момента появления электронной сигнализации. Первый трансатлантический телеграфный кабель страдал от серьезных проблем с целостностью сигнала , и анализ проблем дал множество математических инструментов, которые до сих пор используются для анализа проблем целостности сигнала, таких как уравнения телеграфа . Продукция такая же старая, как перекрестная телефонная станция Western Electric (около 1940 г.), основанный на проволочно-пружинном реле, претерпел почти все эффекты, наблюдаемые сегодня - звон, перекрестные помехи, скачок заземления и шум источника питания, от которых страдают современные цифровые продукты.

На печатных платах целостность сигнала стала серьезной проблемой, когда времена перехода (нарастания и спада) сигналов начали становиться сопоставимыми со временем распространения по плате. Грубо говоря, это обычно происходит, когда системные скорости превышают несколько десятков МГц. Вначале только некоторые из наиболее важных или высокоскоростных сигналов нуждались в детальном анализе или разработке. По мере увеличения скорости все большей и большей части сигналов требовались методы анализа и проектирования SI. В современных схемах (> 100 МГц) практически все сигналы должны проектироваться с учетом SI.

Для ИС анализ SI стал необходим в результате сокращения правил проектирования. На заре современной эры СБИС проектирование и компоновка цифровых микросхем выполнялись вручную. Использование абстракции и применение методов автоматического синтеза с тех пор позволило дизайнерам выражать свои проекты с использованием языков высокого уровня и применять автоматизированный процесс проектирования для создания очень сложных проектов, в значительной степени игнорируя электрические характеристики базовых схем. Однако тенденции масштабирования (см . Закон Мура) вернул электрические эффекты на первый план в последних технологических узлах. При масштабировании технологии ниже 0,25 мкм задержки проводов стали сравнимыми или даже превышающими задержки затвора. В результате для достижения замыкания по времени необходимо было учитывать задержки в проводе . В нанометровых технологиях при 0,13 мкм и ниже непреднамеренные взаимодействия между сигналами (например, перекрестные помехи) стали важным фактором при разработке цифровых технологий. В этих технологических узлах невозможно гарантировать производительность и правильность конструкции без учета шумовых эффектов.

Большая часть этой статьи посвящена СИ в связи с современными электронными технологиями, особенно с использованием интегральных схем и технологий печатных плат . Тем не менее, принципы SI не ограничиваются используемой сигнальной технологией. SI существовала задолго до появления любой из этих технологий и будет существовать до тех пор, пока будут существовать электронные коммуникации.

Целостность сигнала на кристалле [ править ]

Проблемы целостности сигнала в современных интегральных схемах (ИС) могут иметь множество серьезных последствий для цифровых конструкций:

• Продукты могут вообще не работать или, что еще хуже, стать ненадежными в полевых условиях.
• Конструкция может работать, но только на скоростях ниже запланированных.
• Урожайность может быть снижена, иногда резко

Стоимость этих отказов очень высока и включает затраты на фотошаблоны , инженерные затраты и альтернативные издержки из-за задержки выпуска продукта. Поэтому были разработаны инструменты автоматизации проектирования электроники (EDA) для анализа, предотвращения и исправления этих проблем. ^[1] В интегральных схемах или ИС основной причиной проблем с целостностью сигнала являются перекрестные помехи . В технологиях CMOS это в первую очередь связано с емкостью связи , но в целом это может быть вызвано взаимной индуктивностью , связью с подложкой., неидеальная работа затвора и другие источники. Исправления обычно включают изменение размеров драйверов и / или расстояния между проводами.

В аналоговых схемах проектировщики также заботятся о шумах, возникающих от физических источников, таких как тепловой шум , фликкер-шум и дробовой шум . Эти источники шума, с одной стороны, представляют нижний предел минимального сигнала, который может быть усилен, а с другой стороны, определяют верхний предел полезного усиления.

В цифровых ИС шум в интересующем сигнале возникает в основном из-за эффектов связи при переключении других сигналов. Увеличение плотности межсоединений привело к тому, что у каждого провода есть соседи, которые физически расположены ближе друг к другу, что привело к увеличению перекрестных помех между соседними цепями. Поскольку схемы продолжали сокращаться в соответствии с законом Мура , несколько эффектов сговорились, чтобы усугубить проблемы с шумом:

• Чтобы сохранить допустимое сопротивление, несмотря на меньшую ширину, современные проволоки имеют большую толщину пропорционально расстоянию между ними. Это увеличивает емкость боковой стенки за счет емкости относительно земли, следовательно, увеличивается наведенное шумовое напряжение (выраженное как часть напряжения питания).
• Масштабирование технологии привело к снижению пороговых напряжений для МОП-транзисторов, а также уменьшило разницу между пороговым напряжением и напряжением питания, тем самым уменьшив запас шума .
• Значительно увеличились логические скорости и, в частности, тактовые частоты, что привело к более быстрому переходу (нарастание и спад). Эти более короткие времена перехода тесно связаны с более высокими емкостными перекрестными помехами. Кроме того, на таких высоких скоростях в игру вступают индуктивные свойства проводов, особенно взаимная индуктивность.

Эти эффекты увеличили взаимодействие между сигналами и снизили помехоустойчивость цифровых КМОП-схем. Это привело к тому, что шум стал серьезной проблемой для цифровых ИС, которую каждый разработчик цифровых микросхем должен учитывать перед тем, как записывать на магнитную ленту . Есть несколько проблем, которые необходимо устранить:

• Из-за шума сигнал может принять неверное значение. Это особенно важно, когда сигнал должен быть зафиксирован (или дискретизирован), поскольку неправильное значение может быть загружено в элемент памяти, что приведет к логическому сбою.
• Шум может задержать установление правильного значения сигнала. Это часто называют задержкой шума .
• Шум (например, звон) может привести к падению входного напряжения затвора ниже уровня земли или к превышению напряжения питания. Это может сократить срок службы устройства из-за нагрузки на компоненты, вызвать фиксацию или вызвать многократную циклическую смену сигналов, которые должны повторяться только один раз в заданный период.

Обнаружение проблем целостности сигнала IC [ править ]

Как правило, разработчик ИС предпринимает следующие шаги для проверки SI:

• Выполните извлечение макета, чтобы получить паразиты, связанные с макетом. Обычно паразиты наихудшего случая и паразиты наилучшего случая извлекаются и используются в моделировании. Для ИС, в отличие от печатных плат, физическое измерение паразитных факторов почти никогда не проводится, поскольку измерения на месте с использованием внешнего оборудования чрезвычайно трудны. Более того, любое измерение будет происходить после того, как чип будет создан, что уже слишком поздно, чтобы исправить какие-либо обнаруженные проблемы.
• Составьте список ожидаемых шумовых событий, включая различные типы шума, такие как связь и распределение заряда .
• Создайте модель для каждого шумового события. Очень важно, чтобы модель была настолько точной, насколько это необходимо для моделирования данного шумового события.
• Для каждого события сигнала решите, как возбудить цепь, чтобы произошло событие шума.
• Создание SPICE (или другой цепи имитатора) списка соединений , который представляет желаемое возбуждение, чтобы включать в себя как многие эффекты (такие как паразитной индуктивности и емкости , а также различные эффекты искажения) по мере необходимости.
• Запустите моделирование SPICE. Проанализируйте результаты моделирования и решите, требуется ли какое-либо изменение дизайна. Обычно результаты анализируют по глазковой диаграмме и путем расчета бюджета времени. ^[3]

Современные инструменты обеспечения целостности сигналов для проектирования ИС выполняют все эти шаги автоматически, создавая отчеты, в которых содержится отчет о работоспособности проекта или список проблем, которые необходимо устранить. Однако такие инструменты обычно применяются не ко всей ИС, а только к избранным интересующим сигналам.

Устранение проблем целостности сигнала IC [ править ]

Как только проблема обнаружена, ее необходимо исправить. Типичные исправления для проблем на микросхеме включают:

• Устранение разрывов импеданса. Обнаружение мест, где существуют значительные сдвиги в импедансе, и корректировка геометрии пути, чтобы сдвинуть импеданс для лучшего согласования с остальной частью пути.
• Оптимизация драйверов. У вас может быть слишком много драйва, а также недостаточно.
• Вставка буфера. В этом подходе, вместо увеличения размера драйвера жертвы, буфер вставляется в соответствующую точку в сети жертвы.
• Уменьшение размера агрессора. Это работает за счет увеличения времени перехода атакующей сети за счет уменьшения силы ее водителя.
• Добавьте экранирование. Добавьте экранирование критических цепей или цепей синхронизации с помощью экранов GND и VDD, чтобы уменьшить влияние перекрестных помех (этот метод может привести к накладным расходам маршрутизации).
• Изменения в маршрутизации . Изменения маршрутизации могут быть очень эффективными в устранении проблем с шумом, в основном за счет уменьшения наиболее неприятных эффектов связи посредством разделения.

Каждое из этих исправлений может вызвать другие проблемы. Проблемы этого типа необходимо решать как часть процесса проектирования и закрытия проекта . Повторный анализ после изменения конструкции - разумная мера.

Прекращение действия на смерть [ править ]

Терминатор на кристалле (ODT) или импеданс с цифровым управлением (DCI ^[4] ) - это технология, в которой согласующий резистор для согласования импеданса в линиях передачи расположен внутри полупроводникового кристалла, а не в отдельном дискретном устройстве, установленном на печатной плате. Близость окончания от приемника сокращает отрезок между ними, таким образом улучшая общую целостность сигнала.

Целостность сигнала от кристалла к кристаллу [ править ]

Для проводных соединений важно сравнить время прохождения межсоединения с битовым периодом, чтобы решить, требуется ли соединение с согласованным или несогласованным импедансом.

Время полета канала (задержка) межсоединения составляет примерно 1 нс на 15 см ( 6 в ) из FR-4 полосковых (скорость распространения зависит от диэлектрика и геометрии). ^[5] Отражения предыдущих импульсов при несовпадении импеданса затухают после нескольких скачков вверх и вниз по линии (то есть в порядке времени полета). При низких скоростях передачи эхо-сигналы затухают сами по себе, а к середине импульса они не вызывают беспокойства. Согласование импеданса не является ни необходимым, ни желательным. Существует много типов печатных плат, кроме FR-4, но обычно они более дорогостоящие в производстве.

Мягкая тенденция к более высокой скорости передачи данных резко ускорилась в 2004 году с введением Intel стандарта PCI-Express . Следуя этому примеру, большинство стандартов межкристального соединения претерпели архитектурный сдвиг с параллельных шин на каналы сериализатора / десериализатора ( SERDES ), называемые «дорожками». Такие последовательные каналы устраняют перекос тактовой частоты параллельной шины и уменьшают количество трасс и результирующие эффекты связи, но эти преимущества достигаются за счет значительного увеличения скорости передачи данных на линиях и более коротких периодов передачи данных.

При скоростях передачи данных в несколько гигабит / с разработчики линий связи должны учитывать отражения при изменениях импеданса (например, когда трассы меняют уровни в переходных отверстиях , см. Линии передачи ), шум, вызванный плотно упакованными соседними соединениями ( перекрестные помехи ), и затухание высоких частот, вызванное скин-эффектом. по металлическому следу и тангенсу угла диэлектрических потерь. Примеры методов смягчения этих нарушений являются реконструкция с помощью геометрии , чтобы обеспечить согласование импеданса, использование дифференциальной передачи сигналов , и Preemphasis фильтрации, соответственно. ^{[6] [7]}

При этих новых скоростях передачи данных в несколько гигабит / с битовый период короче, чем время полета; эхо-сигналы предыдущих импульсов могут достигать приемника поверх основного импульса и искажать его. В технике связи это называется межсимвольной интерференцией (ISI). В инженерии целостности сигнала это обычно называется закрытием глаза (ссылка на помехи в центре осциллограммы, называемой глазковой диаграммой). Когда битовый период короче, чем время полета , решающее значение имеет устранение отражений с использованием классических микроволновых методов, таких как согласование электрического импеданса передатчика с межсоединением, участков межсоединения друг с другом и межсоединения с приемником. Завершение с источником или нагрузкойявляется синонимом соответствия на двух концах. Импеданс межсоединения, который можно выбрать, ограничен импедансом свободного пространства ( ~ 377 Ом ), геометрическим форм-фактором и квадратным корнем из относительной диэлектрической проницаемости полоскового наполнителя (обычно FR-4 с относительной диэлектрической проницаемостью). из ~ 4). Вместе эти свойства определяют характеристический импеданс дорожки . 50 Ом - удобный выбор для односторонних линий ^[8] и 100 Ом для дифференциальных.

Вследствие низкого импеданса, необходимого для согласования, сигнальные дорожки печатной платы несут гораздо больший ток, чем их аналоги на кристалле. Этот больший ток вызывает перекрестные помехи в основном в магнитном или индуктивном режиме, а не в емкостном режиме. Чтобы бороться с перекрестными помехами, разработчики цифровых печатных плат должны четко осознавать не только предполагаемый путь прохождения сигнала для каждого сигнала, но также и путь обратного тока сигнала для каждого сигнала. Сам сигнал и путь его обратного сигнала в равной степени способны генерировать индуктивные перекрестные помехи. Пары дифференциальных трасс помогают уменьшить эти эффекты.

Третье различие между соединением внутри кристалла и кристалла с кристаллом заключается в размере поперечного сечения сигнального проводника, а именно в том, что проводники печатной платы намного больше (обычно ширина 100 мкм или более). Таким образом, дорожки на печатной плате имеют небольшое последовательное сопротивление (обычно 0,1 Ом / см) на постоянном токе. Однако высокочастотная составляющая импульса ослабляется дополнительным сопротивлением из-за скин-эффекта и тангенса угла диэлектрических потерь, связанных с материалом печатной платы.

Основная проблема часто зависит от того, является ли проект потребительским приложением, ориентированным на затраты, или инфраструктурным приложением, ориентированным на производительность. ^[9] Они, как правило, требуют тщательной проверки после макета (с использованием ЭМ-симулятора ) и оптимизации предварительного макета (с использованием SPICE и симулятора каналов ), соответственно.

Топология маршрутизации [ править ]

Уровни шума на трассе / сети сильно зависят от выбранной топологии маршрутизации. В топологии «точка-точка» сигнал направляется от передатчика непосредственно к приемнику (это применяется в PCIe , RapidIO , GbE , DDR2 / DDR3 / DDR4 DQ / DQS и т. Д.). Топология «точка-точка» имеет наименьшее количество SI-проблем, так как нет больших согласований импеданса, вводимых линией T (двухстороннее разделение трассы).

Для интерфейсов, где несколько пакетов получают по одной и той же линии (например, с конфигурацией объединительной платы), линия должна быть разделена в какой-то момент для обслуживания всех получателей. Считается, что возникают некоторые шлейфы и несоответствия импеданса. Мультипакетные интерфейсы включают B LVDS , DDR2 / DDR3 / DDR4 C / A bank, RS485 и CAN Bus . Существует две основные многопакетные топологии: древовидная и промежуточная.

Обнаружение проблем с целостностью сигнала [ править ]

• Выполните извлечение макета, чтобы получить паразиты, связанные с макетом. Обычно паразиты наихудшего случая и паразиты наилучшего случая извлекаются и используются в моделировании. Из-за распределенной природы многих искажений для извлечения используется электромагнитное моделирование ^[10] .
• Если печатная плата или пакет уже существует, разработчик может также измерить ухудшение, представленное соединением, с помощью высокоскоростных приборов, таких как векторный анализатор цепей . Например, рабочая группа IEEE P802.3ap использует измеренные S-параметры в качестве тестовых примеров ^[11] для предлагаемых решений проблемы 10 Гбит / с Ethernet через объединительные платы.
• Необходимо точное моделирование шума. Составьте список ожидаемых шумовых событий, включая различные типы шума, такие как связь и распределение заряда . Для представления драйверов и приемников могут использоваться Спецификация информации входного выходного буфера (IBIS) или модели схем.
• Для каждого шумового события решите, как возбудить цепь, чтобы произошло шумовое событие.
• Создание SPICE (или другой цепь имитатора) список соединений , который представляет желаемое возбуждение.
• Запустите SPICE и запишите результаты.
• Проанализируйте результаты моделирования и решите, требуется ли какое-либо изменение дизайна. Для анализа результатов довольно часто создается глазок данных и рассчитывается временной бюджет. Пример видео для создания информационного глаза можно найти на YouTube: An Eye is Born .

Существуют специальные инструменты EDA ^[12], которые помогают инженеру выполнять все эти шаги для каждого сигнала в проекте, указывая на проблемы или проверяя готовность проекта к производству. При выборе инструмента, который лучше всего подходит для конкретной задачи, необходимо учитывать характеристики каждого из них, такие как емкость (количество узлов или элементов), производительность (скорость моделирования), точность (насколько хороши модели), сходимость (насколько хорош решатель ), возможности (нелинейная или линейная, частотно-зависимая или частотно-независимая и т. д.) и простота использования.

Устранение проблем с целостностью сигнала [ править ]

Разработчик корпуса ИС или печатной платы устраняет проблемы целостности сигнала с помощью следующих методов:

• Размещение сплошной эталонной плоскости рядом с дорожками сигнала для контроля перекрестных помех
• Управление расстоянием между шириной дорожки и опорной плоскостью для создания согласованного импеданса дорожки
• Использование прерывания для управления звонком
• Прокладывайте трассы перпендикулярно соседним слоям, чтобы уменьшить перекрестные помехи
• Увеличение расстояния между дорожками для уменьшения перекрестных помех
• Обеспечение достаточного количества соединений заземления (и питания) для ограничения дребезга земли (этот раздел целостности сигнала иногда называют отдельно целостностью питания )
• Распределение мощности с помощью сплошных плоских слоев для ограничения шума источника питания
• Добавление фильтра предыскажения к управляющей ячейке передатчика ^[13]
• Добавление эквалайзера в приемную ячейку ^[13]
• Улучшенная схема восстановления тактовой частоты и данных (CDR) с низким джиттером / фазовым шумом ^[14]

Каждое из этих исправлений может вызвать другие проблемы. Проблемы этого типа необходимо решать как часть процесса проектирования и закрытия проекта .

См. Также [ править ]

• Целостность власти
• Электромагнитная интерференция
• Электромагнитная совместимость

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

• Говард Джонсон; Мартин Грэм. (2002). Высокоскоростное распространение сигнала: продвинутая черная магия . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall PTR. ISBN 0-13-084408-X. Справочный текст расширенного уровня для опытных цифровых дизайнеров, которые хотят довести свои проекты до верхних пределов скорости и расстояния.
• Эрик Богатин. (2009). Целостность сигнала и мощности - упрощенное, второе издание . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall. ISBN 978-0-13-234979-6. Архивировано из оригинала на 2011-09-10. CS1 maint: discouraged parameter (link) С обложки: заимствован из производственного опыта автора и его работы по обучению более пяти тысяч инженеров.
• Стивен Х. Холл; Гарретт В. Холл; Джеймс А. Макколл. (2000). Проектирование высокоскоростных цифровых систем: справочник по теории и практике проектирования межсоединений . Нью-Йорк: Вили. ISBN 0-471-36090-2.
• Уильям Дж. Далли; Джон У. Поултон. (1999). Цифровая системная инженерия . Кембридж: Cambridge Univ. Нажмите. ISBN 0-521-59292-5. Учебник по проблемам построения цифровых систем, в том числе целостности сигналов.
• Дуглас Брукс. (2003). Проблемы целостности сигнала и конструкция печатной платы . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall PTR. ISBN 0-13-141884-X. В этой книге принципы электротехники и целостности сигналов рассматриваются на базовом уровне, при условии небольшого предварительного понимания.
• Джефф Лоудей; Дэвид Айрленд и Грег Эдлунд. (2008). Помощник инженера по обеспечению целостности сигналов: испытания, измерения и моделирование конструкции в реальном времени . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall. ISBN 0-13-186006-2.
• Радж; А. Эге Энгин. (2008). Моделирование и проектирование целостности питания для полупроводников и систем . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall. ISBN 978-0-13-615206-4.Используя реалистичные тематические исследования и загружаемые примеры программного обеспечения, два ведущих эксперта демонстрируют лучшие современные методы проектирования и моделирования межсоединений для эффективного распределения энергии и минимизации шума. Авторы тщательно представляют основные концепции проектирования распределения мощности, систематически представляют и сравнивают ведущие методы моделирования шума и связывают эти методы с конкретными приложениями. Их множество примеров варьируется от простейших (с использованием аналитических уравнений для вычисления шума источника питания) до сложных приложений системного уровня.
• Целостность сигнала для разработчиков печатных плат
• Центр целостности сигналов Altera
• Основные принципы целостности сигнала
• Agilent EEsof EDA - Ресурсы для анализа целостности сигналов
• «Совет по проектированию: моделируйте инструменты для улучшения симуляции целостности сигнала», EETimes , Джон Олах, 25 октября 2007 г.
• Вопросы целостности сигналов обсуждались на DesignCon 2008 с 4 по 7 февраля 2008 г.
• «Понимание целостности сигнала - целостность сигнала становится все более серьезной проблемой по мере увеличения тактовой частоты» Эрик Богатин, GigaTest Labs, Agilent Application Note 5988-5978EN, апрель 2002 г., 8 страниц, PDF, 0,9 МБ
• «Серия анализа целостности сигналов, часть 1: однопортовый TDR, TDR / TDT и 2-портовый TDR» (Примечания по применению Agilent 5989-5763EN, февраль 2007 г., 72 страницы, PDF, 5,2 МБ)
• «Серия анализа целостности сигналов, часть 2: 4-портовый TDR / VNA / PLTS» (Примечания по применению Agilent 5989-5764EN, февраль 2007 г., 56 страниц, PDF, 3,6 МБ)
• «Серия анализа целостности сигналов, часть 3: Азбука деэмбедирования » (Примечания по применению Agilent 5989-5765EN, июль 2007 г., 48 страниц, PDF, 2,5 МБ)