Целостность сигнала или SI представляет собой набор мер качества электрического сигнала . В цифровой электронике поток двоичных значений представлен формой волны напряжения (или тока). Однако цифровые сигналы по своей природе являются аналоговыми , и все сигналы подвержены таким эффектам, как шум , искажение и потеря. На коротких расстояниях и при низких скоростях передачи данных простой проводник может передавать их с достаточной точностью. При высоких скоростях передачи данных и на больших расстояниях или через различные среды различные эффекты могут ухудшить электрический сигнал до такой степени, что возникнут ошибки и система или устройство выйдут из строя. Инженерия целостности сигнала — это задача анализа и смягчения этих эффектов. Это важная деятельность на всех уровнях упаковки и сборки электроники, от внутренних соединений интегральной схемы (ИС), [1] через корпус , печатную плату (ПП), объединительную плату и межсистемные соединения. [2] Хотя на этих различных уровнях есть некоторые общие темы, существуют также практические соображения, в частности, время прохождения сигнала между соединениями по сравнению с периодом передачи бита, которые приводят к существенным различиям в подходе к целостности сигнала для соединений на кристалле по сравнению с соединениями между кристаллами.
К основным проблемам, вызывающим беспокойство относительно целостности сигнала, относятся звон , перекрестные помехи , скачки заземления , искажения , потеря сигнала и шум источника питания .
Целостность сигнала в первую очередь касается электрических характеристик проводов и других упаковочных структур, используемых для перемещения сигналов внутри электронного продукта. Такая эффективность является вопросом базовой физики и, как таковая, оставалась относительно неизменной 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 с целостностью сигнала, таких как уравнения телеграфиста . Такие старые продукты, как перекрестная телефонная станция Western Electric (около 1940 г.), основанная на пружинном реле, страдали почти от всех эффектов, наблюдаемых сегодня, — звона, перекрестных помех, отскока заземления и шума источника питания, которые досаждают современным цифровым продуктам.
На печатных платах целостность сигнала стала серьезной проблемой, когда время перехода (нарастания и спада) сигналов стало сопоставимо со временем распространения по всей плате. Грубо говоря, это обычно происходит, когда скорости системы превышают несколько десятков МГц. Сначала только несколько самых важных или самых скоростных сигналов нуждались в детальном анализе или проектировании. По мере увеличения скоростей все большая и большая часть сигналов нуждалась в анализе и проектировании SI. В современных (> 100 МГц) схемах по сути все сигналы должны проектироваться с учетом SI.
Для ИС анализ SI стал необходим в результате сокращения правил проектирования. В ранние дни современной эры СБИС проектирование и компоновка цифровых схем были ручными процессами. Использование абстракции и применение методов автоматического синтеза с тех пор позволило разработчикам выражать свои проекты с помощью 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 ) вернули электрические эффекты на передний план в последних технологических узлах. С масштабированием технологии ниже 0,25 мкм задержки проводов стали сопоставимы или даже больше задержек затворов. В результате задержки проводов необходимо было учитывать для достижения временного закрытия . В нанометровых технологиях при 0,13 мкм и ниже непреднамеренные взаимодействия между сигналами (например, перекрестные помехи) стали важным фактором для цифрового проектирования. В этих технологических узлах производительность и правильность проекта не могут быть гарантированы без учета шумовых эффектов.
Большая часть этой статьи посвящена СИ в связи с современными электронными технологиями, в частности, с использованием интегральных схем и печатных плат. Тем не менее, принципы СИ не являются исключительными для используемой технологии сигнализации. СИ существовала задолго до появления любой из этих технологий и будет существовать до тех пор, пока существуют электронные коммуникации.
Проблемы с целостностью сигнала в современных интегральных схемах (ИС) могут иметь серьезные последствия для цифровых конструкций:
Стоимость этих сбоев очень высока и включает в себя затраты на фотошаблоны , инженерные затраты и альтернативные издержки из-за задержки выпуска продукта. Поэтому были разработаны инструменты автоматизации электронного проектирования (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 КМОП это в первую очередь связано с емкостью связи , но в целом это может быть вызвано взаимной индуктивностью , связью подложки , неидеальной работой затвора и другими источниками. Исправления обычно включают изменение размеров драйверов и/или расстояния между проводами.
В аналоговых схемах проектировщики также обеспокоены шумом, который возникает из физических источников, таких как тепловой шум , мерцающий шум и дробовой шум . Эти источники шума, с одной стороны, представляют нижний предел наименьшего сигнала, который может быть усилен, а с другой стороны, определяют верхний предел полезного усиления.
В цифровых ИС шум в интересующем сигнале возникает в первую очередь из-за эффектов связи при переключении других сигналов. Увеличение плотности межсоединений привело к тому, что у каждого провода появились соседи, которые физически находятся ближе друг к другу, что привело к увеличению перекрестных помех между соседними сетями. Поскольку схемы продолжали сжиматься в соответствии с законом Мура , несколько эффектов сговорились усугубить проблемы с шумом:
Эти эффекты увеличили взаимодействие между сигналами и снизили помехоустойчивость цифровых схем CMOS. Это привело к тому, что шум стал существенной проблемой для цифровых ИС, которую должен учитывать каждый разработчик цифровых чипов перед их выпуском . Существует несколько проблем, которые необходимо устранить:
Обычно разработчик ИС выполняет следующие шаги для проверки SI:
Современные инструменты целостности сигнала для проектирования ИС выполняют все эти шаги автоматически, создавая отчеты, которые дают проекту чистую справку о состоянии здоровья или список проблем, которые необходимо устранить. Однако такие инструменты обычно не применяются ко всей ИС, а только к выбранным интересующим сигналам.
После обнаружения проблемы ее необходимо устранить. Типичные исправления проблем с микросхемами включают:
Каждое из этих исправлений может вызвать другие проблемы. Этот тип проблем должен решаться в рамках потоков проектирования и закрытия проекта . Повторный анализ после внесения изменений в проект является разумной мерой.
On-die terminate (ODT) или Digitally Controlled Impedance (DCI [4] ) — это технология, в которой резистор согласования для согласования импеданса в линиях передачи находится внутри полупроводникового чипа, а не в отдельном дискретном устройстве, установленном на печатной плате. Близость окончания от приемника сокращает шлейф между ними, тем самым улучшая общую целостность сигнала.
Для проводных соединений важно сравнить время прохождения сигнала между соединениями и периодом передачи бита, чтобы решить, требуется ли согласованное или несогласованное соединение.
Время пролета канала (задержка) межсоединения составляет примерно 1 нс на 15 см ( 6 дюймов ) полосковой линии FR-4 (скорость распространения зависит от диэлектрика и геометрии). [5] Отражения предыдущих импульсов при несоответствии импеданса затухают после нескольких скачков вверх и вниз по линии (т. е. порядка времени пролета). При низких скоростях передачи данных эхо затухает само по себе, и к середине импульса оно не является проблемой. Согласование импеданса не является ни необходимым, ни желательным. Существует много типов печатных плат, отличных от FR-4, но обычно они более дороги в производстве.
Плавная тенденция к более высоким скоростям передачи данных резко ускорилась в 2004 году с введением Intel стандарта PCI-Express . Следуя этому примеру, большинство стандартов соединений чип-чип претерпели архитектурный сдвиг от параллельных шин к последовательно-десериализационным (SERDES ) связям, называемым «полосами». Такие последовательные связи устраняют перекос тактовой частоты параллельной шины и уменьшают количество трассировок и результирующих эффектов связи, но эти преимущества достигаются ценой значительного увеличения скорости передачи данных на полосах и более коротких периодов передачи битов.
При скоростях передачи данных в несколько гигабит/с проектировщики линий связи должны учитывать отражения при изменениях импеданса (например, когда трассы изменяют уровни в переходных отверстиях , см. Линии передачи ), шум, вызванный плотно упакованными соседними соединениями ( перекрестные помехи ), и высокочастотное затухание, вызванное скин-эффектом в металлической дорожке и тангенсом угла диэлектрических потерь. Примерами методов смягчения этих нарушений являются перепроектирование геометрии переходных отверстий для обеспечения согласования импеданса, использование дифференциальной сигнализации и предыскажения фильтрации, соответственно. [6] [7]
На этих новых скоростях передачи данных в несколько гигабит/с период передачи бит короче времени пролета; эхо предыдущих импульсов может прибыть на приемник поверх основного импульса и исказить его. В технике связи это называется межсимвольной интерференцией (ISI). В технике обеспечения целостности сигнала это обычно называется замыканием глаза (отсылка к помехам в центре типа осциллограммы, называемой глазковой диаграммой). Когда период передачи бит короче времени пролета, устранение отражений с использованием классических микроволновых методов, таких как согласование электрического сопротивления передатчика с межсоединением, секций межсоединения друг с другом и межсоединения с приемником, имеет решающее значение. Оконцовка с источником или нагрузкой является синонимом согласования на двух концах. Сопротивление межсоединения, которое можно выбрать, ограничивается импедансом свободного пространства ( ~377 Ом ), геометрическим форм-фактором и квадратным корнем относительной диэлектрической проницаемости наполнителя полосковой линии (обычно FR-4 с относительной диэлектрической проницаемостью ~4). В совокупности эти свойства определяют характеристическое сопротивление дорожки . 50 Ом — удобный выбор для однопроводных линий [8] , а 100 Ом — для дифференциальных.
Вследствие низкого импеданса, требуемого для согласования, сигнальные дорожки печатной платы переносят гораздо больший ток, чем их аналоги на кристалле. Этот больший ток вызывает перекрестные помехи, прежде всего, в магнитном или индуктивном режиме, а не в емкостном режиме. Чтобы бороться с этими перекрестными помехами, проектировщики цифровых печатных плат должны четко осознавать не только предполагаемый путь сигнала для каждого сигнала, но и путь возврата тока сигнала для каждого сигнала. Сам сигнал и его путь возврата тока сигнала в равной степени способны генерировать индуктивные перекрестные помехи. Дифференциальные пары дорожек помогают уменьшить эти эффекты.
Третье различие между соединением на кристалле и соединением кристалл-кристалл заключается в размере поперечного сечения сигнального проводника, а именно, что проводники печатной платы намного больше (обычно 100 мкм или более в ширину). Таким образом, дорожки печатной платы 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, связанного с материалом печатной платы.
Основная проблема часто зависит от того, является ли проект потребительским приложением, ориентированным на стоимость, или инфраструктурным приложением, ориентированным на производительность. [9] Они, как правило, требуют обширной проверки после макета (с использованием симулятора ЭМ ) и оптимизации проекта до макета (с использованием SPICE и симулятора канала) соответственно.
Уровень шума на трассе/сети сильно зависит от выбранной топологии маршрутизации. В топологии «точка-точка» сигнал направляется от передатчика напрямую к приемнику (это применяется в PCIe , RapidIO , Gigabit Ethernet , DDR2 / DDR3 / DDR4 DQ/DQS и т. д.). Топология «точка-точка» имеет наименьшее количество проблем SI, поскольку нет больших сопротивлений, вносимых линиями T (двухстороннее разделение трассы).
Для интерфейсов, где несколько пакетов получаются с одной и той же линии (например, с конфигурацией объединительной платы), линия должна быть разделена в некоторой точке для обслуживания всех приемников. Предполагается, что могут возникнуть некоторые шлейфы и несоответствия импеданса. Многопакетные интерфейсы включают B LVDS , DDR2/DDR3/DDR4 C/A bank, RS485 и CAN Bus . Существует две основные многопакетные топологии: Tree и fly-by.
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 (сколько узлов или элементов), производительность (скорость моделирования), точность (насколько хороши модели), сходимость (насколько хорош решатель), возможности (нелинейные против линейных, частотно-зависимые против частотно-независимых и т. д.) и простоту использования.
Разработчик корпусов ИС или печатных плат устраняет проблемы целостности сигнала с помощью следующих методов:
Каждое из этих исправлений может, возможно, вызвать другие проблемы. Этот тип проблем должен быть рассмотрен как часть потоков проектирования и закрытия проекта .
{{cite book}}: |author=имеет общее название ( помощь ) Обзор области автоматизации электронного проектирования . Части раздела ИС этой статьи были получены (с разрешения) из Тома II, Глава 21, Рассмотрение шума в цифровых ИС , Винода Кариата.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Для потребительских приложений, ориентированных на снижение затрат... [и]скушением является уплотнить [параллельные шины], но риск заключается в отказе после компоновки... Для приложений, ориентированных на производительность, точка нехватки [является] предварительным исследованием пространства проектирования...
...с постоянным ростом тактовых частот цифровых схем области радиочастот и цифровых схем теперь связаны теснее, чем когда-либо прежде.