Целостность сигнала или СИ — это совокупность показателей качества электрического сигнала . В цифровой электронике поток двоичных значений представлен формой волны напряжения (или тока). Однако цифровые сигналы по своей сути являются аналоговыми , и все сигналы подвержены таким эффектам, как шум , искажения и потери. На короткие расстояния и при низкой скорости передачи данных простой проводник может передать сигнал с достаточной точностью. При высоких скоростях передачи данных и на больших расстояниях или в различных средах различные эффекты могут ухудшить электрический сигнал до такой степени, что возникают ошибки и происходит сбой системы или устройства. Проектирование 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] до корпуса , печатной платы (PCB), объединительной платы и межсистемных соединений. [2] Хотя на этих различных уровнях есть некоторые общие темы, существуют также практические соображения, в частности, время прохождения межсоединения в зависимости от периода бита, которые вызывают существенные различия в подходах к обеспечению целостности сигнала для соединений внутри кристалла и между чипом и чипом. -чиповые соединения.
Некоторые из основных проблем , вызывающих обеспокоенность в отношении целостности сигнала, — это звон , перекрестные помехи , отражения от земли , искажения , потери сигнала и шум источника питания .
Целостность сигнала в первую очередь связана с электрическими характеристиками проводов и других упаковочных конструкций, используемых для перемещения сигналов внутри электронного продукта. Такие характеристики являются вопросом фундаментальной физики и, как таковые, остались относительно неизменными с момента появления электронной сигнализации. Первый трансатлантический телеграфный кабель страдал от серьезных проблем с целостностью сигнала , и анализ этих проблем привел к появлению многих математических инструментов, которые до сих пор используются для анализа проблем целостности сигнала, таких как уравнения телеграфиста . Такие старые продукты, как перекрестная телефонная станция Western Electric (около 1940 года), основанная на проволочно-пружинном реле, страдают почти от всех эффектов, наблюдаемых сегодня - звона, перекрестных помех, отражения земли и шума источника питания, от которых страдают современные цифровые продукты.
На печатных платах целостность сигнала стала серьезной проблемой, когда время перехода (нарастания и спада) сигналов стало сравнимым со временем распространения по плате. Грубо говоря, обычно это происходит, когда скорость системы превышает несколько десятков МГц. Поначалу только некоторые из наиболее важных или наиболее скоростных сигналов нуждались в детальном анализе или разработке. По мере увеличения скорости все большая и большая часть сигналов нуждалась в SI-анализе и методах проектирования. В современных (> 100 МГц) схемах 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 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 основных схем. Однако тенденции масштабирования (см. закон Мура ) вернули электрические эффекты на передний план в новейших технологических узлах. При масштабировании технологии ниже 0,25 мкм задержки на проводах стали сопоставимы или даже больше, чем задержки на затворе. В результате для достижения замыкания по времени необходимо было учитывать задержки проводов . В нанометровых технологиях размером 0,13 мкм и ниже непреднамеренные взаимодействия между сигналами (например, перекрестные помехи) стали важным фактором при цифровом проектировании. В этих технологических узлах невозможно гарантировать производительность и правильность конструкции без учета шумовых эффектов.
Большая часть этой статьи посвящена СИ применительно к современным электронным технологиям, в частности к использованию интегральных схем и технологии печатных плат. Тем не менее, принципы SI не являются исключительными для используемой технологии сигнализации. SI существовал задолго до появления любой из технологий и будет существовать до тех пор, пока существуют электронные коммуникации.
Проблемы целостности сигнала в современных интегральных схемах (ИС) могут иметь множество серьезных последствий для цифровых проектов:
Цена этих ошибок очень высока и включает в себя стоимость фотомаски , инженерные затраты и альтернативные издержки из-за задержки внедрения продукта. Поэтому были разработаны инструменты автоматизации электронного проектирования (EDA) для анализа, предотвращения и исправления этих проблем. [1] В интегральных схемах основной причиной проблем с целостностью сигнала являются перекрестные помехи . В КМОП- технологиях это происходит в первую очередь из-за емкости связи , но в целом это может быть вызвано взаимной индуктивностью , связью подложек , неидеальной работой затвора и другими причинами. Исправления обычно включают изменение размеров драйверов и/или расстояния между проводами.
В аналоговых схемах проектировщики также обеспокоены шумом, возникающим из физических источников, таких как тепловой шум , фликкер-шум и дробовой шум . Эти источники шума, с одной стороны, представляют нижний предел наименьшего сигнала, который можно усилить, а с другой, 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 каждый провод имеет соседей, которые физически расположены ближе друг к другу, что приводит к увеличению перекрестных помех между соседними сетями. Поскольку цепи продолжают сжиматься в соответствии с законом Мура , несколько эффектов усугубляют проблемы с шумом:
Эти эффекты увеличили взаимодействие между сигналами и снизили помехоустойчивость цифровых КМОП-схем. Это привело к тому, что шум стал серьезной проблемой для цифровых микросхем, которую каждый разработчик цифровых микросхем должен учитывать перед выводом их на пленку . Есть несколько проблем, которые необходимо смягчить:
Обычно разработчик микросхемы предпринимает следующие шаги для проверки SI:
Современные инструменты обеспечения целостности сигналов при проектировании микросхем выполняют все эти шаги автоматически, создавая отчеты, которые дают проекту отчет о работоспособности или список проблем, которые необходимо устранить. Однако такие инструменты обычно применяются не ко всей ИС, а только к избранным интересующим сигналам.
Как только проблема обнаружена, ее необходимо устранить. Типичные решения проблем, связанных с микросхемой, включают в себя:
Каждое из этих исправлений может вызвать другие проблемы. Этот тип проблем необходимо решать в рамках процессов проектирования и завершения проектирования . Повторный анализ после внесения изменений в проект является разумной мерой.
Согласование на кристалле (ODT) или сопротивление с цифровым управлением (DCI [4] ) — это технология, в которой согласующий резистор для согласования импеданса в линиях передачи расположен внутри полупроводникового чипа, а не в отдельном дискретном устройстве, установленном на печатной плате. Близость окончания приемника сокращает шлейф между ними, тем самым улучшая общую целостность сигнала.
Для проводных соединений важно сравнить время прохождения межсоединения с периодом бита, чтобы решить, требуется ли согласованное или несогласованное соединение по импедансу.
Время прохождения 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 рассогласовании импедансов затухают после нескольких скачков вверх и вниз по линии (т.е. порядка времени полета). При низкой скорости передачи данных эхо затухает само по себе, и к середине импульса оно уже не вызывает беспокойства. Согласование импеданса не является ни необходимым, ни желательным. Существует множество типов печатных плат, отличных от FR-4, но обычно их производство обходится дороже.
Тенденция к повышению скорости передачи данных резко усилилась в 2004 году с введением Intel стандарта PCI-Express . Следуя этому примеру, большинство стандартов межчипового соединения претерпели архитектурный сдвиг от параллельных шин к каналам сериализатора/десериализатора ( SERDES ), называемым «дорожками». Такие последовательные каналы устраняют рассогласование тактовой частоты параллельной шины и уменьшают количество трассировок и результирующие эффекты связи, но эти преимущества достигаются за счет значительного увеличения скорости передачи данных на линиях и более коротких периодов передачи битов.
При скорости передачи данных в несколько гигабит/с проектировщики каналов связи должны учитывать отражения при изменении импеданса (например, при изменении уровней трасс на переходных отверстиях , см. Линии передачи ), шум, вызванный плотно упакованными соседними соединениями ( перекрестные помехи ), а также высокочастотное затухание, вызванное скин-эффектом. в металлическом следе и тангенсе диэлектрических потерь. Примерами методов смягчения этих ухудшений являются изменение геометрии переходного отверстия для обеспечения согласования импедансов, использование дифференциальной сигнализации и фильтрации предыскажения соответственно. [6] [7]
При этих новых скоростях передачи данных в несколько гигабит/с период передачи данных короче времени полета; эхо предыдущих импульсов может прийти к приемнику поверх основного импульса и исказить его. В технике связи это называется межсимвольной интерференцией (ISI). В технике обеспечения целостности сигнала это обычно называют закрытием глазка (отсылка к помехам в центре осциллограммы, называемой глазковой диаграммой). Когда период бита короче времени полета, решающее значение имеет устранение отражений с использованием классических микроволновых методов, таких как согласование электрического импеданса передатчика и межсоединения, участков межсоединения друг с другом и межсоединения с приемником. Завершение с источником или нагрузкой является синонимом согласования на двух концах. Импеданс межсоединений, 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 трассы . 50 Ом — удобный выбор для несимметричных линий, [8] и 100 Ом для дифференциальных.
Вследствие низкого импеданса, необходимого для согласования, сигнальные дорожки печатной платы пропускают гораздо больший ток, чем их аналоги на кристалле. Этот больший ток вызывает перекрестные помехи преимущественно в магнитном или индуктивном режиме, а не в емкостном режиме. Чтобы бороться с этими перекрестными помехами, разработчики цифровых печатных плат должны четко понимать не только предполагаемый путь прохождения каждого сигнала, но и путь обратного тока для каждого сигнала. Сам сигнал и путь тока обратного сигнала в равной степени способны генерировать индуктивные перекрестные помехи. Дифференциальные пары трасс помогают уменьшить эти эффекты.
Третье различие между соединением «на кристалле» и соединением «чип-чип» связано с размером поперечного сечения сигнального проводника, а именно с тем, 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) при постоянном токе. Однако высокочастотная составляющая импульса ослабляется дополнительным сопротивлением из-за скин-эффекта и тангенса диэлектрических потерь, связанных с материалом печатной платы.
Основная проблема часто зависит от того, является ли проект экономичным потребительским приложением или инфраструктурным приложением, ориентированным на производительность. [9] Они, как правило, требуют обширной проверки после компоновки (с использованием EM-симулятора ) и оптимизации конструкции перед компоновкой (с использованием SPICE и симулятора канала) соответственно.
Уровни шума в трассе/сети сильно зависят от выбранной топологии маршрутизации. В топологии «точка-точка» сигнал направляется от передатчика непосредственно 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 линии T не создают больших совпадений импедансов (двустороннее разделение трассы).
Для интерфейсов, в которых несколько пакетов получают по одной линии (например, с конфигурацией объединительной платы), линия должна быть разделена в какой-то момент для обслуживания всех получателей. Предполагается, что имеют место некоторые шлейфы и несоответствия импеданса. Мультипакетные интерфейсы включают B LVDS , банк C/A DDR2/DDR3/DDR4, RS485 и шину CAN . Существует две основные топологии мультипакетов: древовидная и пролетная.
Существуют специальные инструменты EDA [12] , которые помогают инженеру выполнять все эти шаги для каждого сигнала в конструкции, указывая на проблемы или проверяя готовность конструкции к производству. При выборе того, какой инструмент 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 или линейные, частотно-зависимые или частотно-независимые и т. д.) и простота использования.
Разработчик корпуса микросхемы или печатной платы устраняет проблемы целостности сигнала с помощью следующих методов:
Каждое из этих исправлений может вызвать другие проблемы. Этот тип проблем необходимо решать в рамках процессов проектирования и завершения проектирования .
{{cite book}}: |author=имеет общее название ( помощь ) Обзор области автоматизации электронного проектирования . Части раздела этой статьи, посвященного микросхемам, взяты (с разрешения) из тома II, главы 21, « Учет шума в цифровых микросхемах» , написанного Винодом Кариатом.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Для потребительских приложений, ориентированных на стоимость... [я] заманчиво уплотнить [параллельные шины], но риск заключается в сбое после компоновки... Для приложений, ориентированных на производительность, проблемными точками [является] исследование пространства проектирования перед компоновкой.. .
...с продолжающимся увеличением тактовой частоты цифровых схем, сферы радиочастотных и цифровых схем теперь связаны более тесно, чем когда-либо прежде.