Целостность сигнала

Имитированная глазковая диаграмма , отображающая форму сигнала DDR3

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) до через корпус , печатную плату (PCB), объединительную плату и межсистемные соединения. Несмотря на то, что на этих различных уровнях есть некоторые общие темы, существуют также практические соображения, в частности, время прохождения соединения в зависимости от периода бита, которые вызывают существенные различия в подходе к обеспечению целостности сигнала для соединений внутри кристалла и соединений между кристаллами. .

Некоторые из основных проблем , вызывающих обеспокоенность в отношении целостности сигнала, — это звон , перекрестные помехи , отражения от земли , искажения , потери сигнала и шум источника питания .

История

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 - звон, перекрестные помехи, отскок земли и шум 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 анализе SI 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 сравнимы или даже больше, чем задержки на затворе. необходимо было учитывать задержки проводов В результате для достижения замыкания по времени . 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 производительность и правильность конструкции не могут быть гарантированы 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.

Целостность сигнала на кристалле

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

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

Цена этих сбоев очень высока и включает в себя стоимость фотомаски , инженерные затраты и альтернативные издержки из-за задержки внедрения продукта. Поэтому автоматизации электронного проектирования (EDA) для анализа, предотвращения и исправления этих проблем. были разработаны инструменты В интегральных схемах (ИС) 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 соседи каждого провода физически расположены ближе друг к другу, что привело к увеличению перекрестных помех между соседними сетями. Поскольку схемы продолжают сжиматься в соответствии с законом Мура , несколько эффектов усугубляют проблемы с шумом:

• Чтобы сохранить допустимое сопротивление, несмотря на уменьшенную ширину, современная геометрия проводов становится толще пропорционально расстоянию между ними. Это увеличивает емкость боковой стенки за счет емкости относительно земли, тем самым увеличивая напряжение наведенного шума (выраженное как доля напряжения питания).
• Масштабирование технологии привело к снижению пороговых напряжений для МОП-транзисторов, а также уменьшило разницу между пороговым и питающим напряжениями, тем самым снизив запас по шуму .
• Логические скорости и, в частности, тактовые частоты значительно возросли, что привело к сокращению времени перехода (нарастания и спада). Более быстрое время перехода тесно связано с более высокими емкостными перекрестными помехами. Также на таких высоких скоростях вступают в силу индуктивные свойства проводов, особенно взаимная индуктивность.

Эти эффекты увеличили взаимодействие между сигналами и снизили помехоустойчивость цифровые КМОП-схемы. 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:

• Шум может привести к тому, что сигнал примет неправильное значение. Это особенно критично, когда сигнал собирается зафиксироваться (или дискретизироваться), поскольку неправильное значение может быть загружено в элемент хранения, что приведет к логическому сбою.
• Шум может задержать установление правильного значения сигнала. Это часто называют шумом при задержке .
• Шум (например, звон) может привести к тому, что входное напряжение затвора упадет ниже уровня земли или превысит напряжение питания. Это может сократить срок службы устройства из-за нагрузки на компоненты, вызвать фиксацию или вызвать многократное повторение сигналов, которые должны повторяться только один раз за определенный период.

Обнаружение проблем с целостностью сигнала IC

Обычно разработчик микросхемы предпринимает следующие шаги для проверки SI:

• Выполните извлечение макета , чтобы получить паразиты, связанные с макетом. Обычно паразиты наихудшего и наилучшего случая извлекаются и используются в моделировании. Для ИС, в отличие от печатных плат, физические измерения паразитных составляющих практически никогда не проводятся, поскольку измерения на месте с использованием внешнего оборудования чрезвычайно сложны. Кроме того, любые измерения будут проводиться после того, как чип будет создан, а это уже слишком поздно для устранения обнаруженных проблем.
• Создайте список ожидаемых шумовых событий, включая различные типы шума, такие как связь и распределение заряда .
• Создайте модель для каждого шумового события. Крайне важно, чтобы модель была настолько точной, насколько это необходимо для моделирования данного шумового явления.
• Для каждого сигнального события решите, как возбудить цепь, чтобы возникло шумовое событие.
• Создайте SPICE (или другого симулятора схем) список соединений , который представляет желаемое возбуждение, чтобы включить столько эффектов (таких как паразитная индуктивность и емкость , а также различные эффекты искажения), сколько необходимо.
• Запустите моделирование SPICE. Проанализируйте результаты моделирования и решите, требуется ли какое-либо изменение конструкции. Обычно результаты анализируют с помощью глазковой диаграммы и расчета временного бюджета.

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.

Исправление проблем с целостностью сигнала IC

Как только проблема обнаружена, ее необходимо устранить. Типичные решения проблем, связанных с микросхемой, включают в себя:

• Устранение разрывов импеданса. Нахождение мест, где существуют значительные изменения импеданса, и корректировка геометрии пути, чтобы сместить импеданс так, чтобы он лучше соответствовал остальной части пути.
• Оптимизация драйверов. Драйва может быть как слишком много, так и недостаточно.
• Вставка буфера. В этом подходе вместо увеличения размера драйвера жертвы в соответствующую точку сети жертвы вставляется буфер.
• Сокращение численности агрессора. Это работает за счет увеличения времени перехода атакующей сети за счет уменьшения силы ее водителя.
• Добавьте экранирование. Добавьте экранирование критических цепей или цепей тактовой частоты с использованием экранов GND и VDD, чтобы уменьшить влияние перекрестных помех (этот метод может привести к накладным расходам на маршрутизацию).
• Изменения маршрутизации . Изменения маршрутизации могут быть очень эффективными для решения проблем с шумом, главным образом за счет уменьшения наиболее неприятных эффектов связи за счет разделения.

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.

Прекращение на кристалле

Согласование на кристалле (ODT) или импеданс с цифровым управлением (DCI) ) — 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 приемника сокращает шлейф между ними, тем самым улучшая общую целостность сигнала.

чипами

Отражения, возникающие вследствие несоответствия окончаний. импульс имеет время нарастания 100 пс. Моделирование с использованием Qucs . См. Рефлектометрия во временной области .

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 ) FR-4 полосковой линии (скорость распространения зависит от диэлектрика и геометрии). Отражения предыдущих импульсов при рассогласовании импедансов затухают после нескольких скачков вверх и вниз по линии (т.е. порядка времени пролета). 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.

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 трассировку. характеристический импеданс . 50 Ом — удобный выбор для несимметричных линий, и 100 Ом для дифференциала.

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 сигнала для каждого сигнала, но и путь обратного тока сигнала 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 угла 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. Они, как правило, требуют обширной проверки после компоновки (с использованием EM-симулятора ) и оптимизации конструкции перед компоновкой (с использованием SPICE и симулятора канала ) соответственно.

Топология маршрутизации

Топология дерева аналогична топологии DDR2. банка команд/адресов (CA)

Топология Fly-by аналогична топологии DDR3. банка команд/адресов (CA)

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 импедансов. Мультипакетные интерфейсы включают B LVDS , банк C/A DDR2/DDR3/DDR4, RS485 и шину CAN . Существует две основные топологии мультипакетов: древовидная и полётная.

Поиск проблем с целостностью сигнала

• Выполните извлечение макета , чтобы получить паразиты, связанные с макетом. Обычно паразиты наихудшего и наилучшего случая извлекаются и используются в моделировании. Из-за распределенного характера многих нарушений электромагнитное моделирование используется для добычи.
• Если печатная плата или корпус уже существуют, разработчик может также измерить ухудшение соединения, используя высокоскоростные инструменты, такие как векторный анализатор цепей . Например, рабочая группа IEEE P802.3ap использует измеренные S-параметры в качестве тестовых примеров. за предложенные решения проблемы 10 Гбит/с Ethernet через объединительные платы.
• Точное моделирование шума является обязательным. Создайте список ожидаемых шумовых событий, включая различные типы шума, такие как связь и распределение заряда . Спецификация информации о входном-выходном буфере (IBIS) или модели схем могут использоваться для представления драйверов и приемников.
• Для каждого шумового события решите, как возбудить цепь, чтобы возникло шумовое событие.
• Создайте SPICE (или другого симулятора схемы) список соединений , который представляет желаемое возбуждение.
• Запустите SPICE и запишите результаты.
• Проанализируйте результаты моделирования и решите, требуется ли какое-либо изменение конструкции. Для анализа результатов довольно часто создается глазок данных и рассчитывается временной бюджет. Пример видео по созданию глаза данных можно найти на YouTube: An Eye is Born .

Существуют EDA специального назначения. инструменты которые помогают инженеру выполнять все эти действия 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.

Исправление проблем с целостностью сигнала

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

• Размещение сплошной опорной плоскости рядом с трассами сигнала для контроля перекрестных помех.
• Управление расстоянием между шириной трассы и базовой плоскостью для создания постоянного импеданса трассы.
• Использование терминаторов для контроля звонка
• Прокладывайте трассы перпендикулярно соседним слоям, чтобы уменьшить перекрестные помехи.
• Увеличение расстояния между дорожками для уменьшения перекрестных помех.
• Обеспечение достаточных соединений заземления (и питания) для ограничения отражения заземления (этот раздел целостности сигнала иногда называют отдельно целостностью питания )
• Распределение мощности с помощью сплошных плоских слоев для ограничения шума источника питания
• предыскажения Добавление фильтра в управляющую ячейку передатчика
• Добавление эквалайзера в приемную ячейку
• Улучшенная схема тактового сигнала и восстановления данных (CDR) с низким уровнем джиттера/фазового шума.

Каждое из этих исправлений может вызвать другие проблемы. Этот тип проблем необходимо решать в рамках процессов проектирования и завершения проектирования .

См. также

• Силовая целостность
• Электромагнитная интерференция
• Электромагнитная совместимость

Ссылки

• Говард Джонсон; Мартин Грэм. (2002). Высокоскоростное распространение сигнала: продвинутая черная магия . Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси: PTR Prentice Hall. ISBN  0-13-084408-Х . Справочный текст продвинутого уровня для опытных цифровых дизайнеров, которые хотят максимально приблизить свои проекты к верхним пределам скорости и расстояния.
• Эрик Богатин. (2009). Целостность сигналов и электропитания – упрощенное издание, второе издание . Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN  978-0-13-234979-6 . Архивировано из оригинала 10 сентября 2011 г. На задней обложке: В основу книги положен производственный опыт автора и его работа по обучению более пяти тысяч инженеров.
• Стивен Х. Холл; Гарретт В. Холл; Джеймс А. МакКолл. (2000). Проектирование высокоскоростных цифровых систем: справочник по теории межсоединений и практике проектирования . Нью-Йорк: Уайли. ISBN  0-471-36090-2 .
• Уильям Дж. Далли; Джон В. Поултон. (1999). Цифровая системная инженерия . Кембридж: Кембриджский университет. Нажимать. ISBN  0-521-59292-5 . Учебник по проблемам построения цифровых систем, включая целостность сигналов.
• Дуглас Брукс. (2003). Проблемы целостности сигнала и конструкция печатной платы . Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси: PTR Prentice Hall. ISBN  0-13-141884-Х . В этой книге рассматриваются принципы электротехники и целостности сигналов с базового уровня, без предварительного понимания.
• Джефф Лоудей; Дэвид Айрлэнд и Грег Эдлунд. (2008). Напарник инженера по обеспечению целостности сигналов: испытания, измерения и моделирование проектирования в реальном времени . Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN  978-0-13-186006-3 .
• Радж; А. Эге Энгин. (2008). Моделирование и проектирование целостности электропитания полупроводников и систем . Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN  978-0-13-615206-4 . Используя реалистичные тематические исследования и примеры программного обеспечения, которые можно загрузить, два ведущих эксперта демонстрируют лучшие на сегодняшний день методы проектирования и моделирования межсоединений для эффективного распределения мощности и минимизации шума. Авторы тщательно знакомят с основными концепциями проектирования распределения мощности, систематически представляют и сравнивают ведущие методы моделирования шума и связывают эти методы с конкретными приложениями. Их многочисленные примеры варьируются от самых простых (с использованием аналитических уравнений для расчета шума источника питания) до сложных приложений на уровне системы.
• Целостность сигнала для разработчиков печатных плат
• Центр целостности сигналов Altera
• Основные принципы целостности сигнала
• Agilent EEsof EDA — ресурсы по анализу целостности сигнала
• «Совет по проектированию: моделируйте инструменты для улучшения моделирования целостности сигнала», EETimes , Джон Ола, 25 октября 2007 г.
• Темы целостности сигнала обсуждались на DesignCon 2008 с 4 по 7 февраля 2008 г.
• «Понимание целостности сигнала. Целостность сигнала становится все более серьезной проблемой по мере увеличения тактовых частот», Эрик Богатин, GigaTest Labs, Agilent Application Note 5988-5978EN, апрель 2002 г., 8 страниц, PDF, 0,9 МБ.
• «Серия анализов целостности сигналов, часть 1: однопортовые TDR, TDR/TDT и 2-портовые TDR» (Agilent Application Note 5989-5763EN, февраль 2007 г., 72 страницы, PDF, 5,2 МБ)
• «Серия анализа целостности сигнала, часть 2: 4-портовый TDR/VNA/PLTS» (Agilent Application Note 5989-5764EN, февраль 2007 г., 56 страниц, PDF, 3,6 МБ)
• «Серия анализов целостности сигналов, часть 3: Азбука извлечения» (Agilent Application Note 5989-5765EN, июль 2007 г., 48 страниц, PDF, 2,5 МБ)