Integritatea semnalului

Integritatea semnalelor ( ing. Signal Integrity ) - prezența suficiente pentru transmiterea fără erori a caracteristicilor calitative ale unui semnal electric .

Informații generale

Orice semnal digital este în mod inerent analog, adică este reprezentat de diagrame de tensiune (sau curent ) de o anumită formă. Evident, forma unui semnal analogic poate fi schimbată datorită efectelor zgomotului, distorsiunii neliniare, diafoniei, reflexiilor și așa mai departe. La transmiterea semnalelor pe distanțe scurte (în sensul lungimii electrice) și la viteză redusă a informației, aceste efecte nu afectează fiabilitatea informațiilor transmise și primite. Prin creșterea ratei de transmisie, sau creșterea lungimii căii de transmisie (adică prin creșterea lungimii electrice), diferite efecte pot distorsiona semnalul în așa măsură încât informațiile transmise vor fi recepționate cu erori. Munca unui inginer de integritate a semnalului poate fi împărțită în două faze. Prima este analiza integrității semnalului, adică identificarea efectelor care duc la distorsiunea semnalului. A doua etapă este lupta împotriva acestor distorsiuni.

Istorie

Pentru a descrie istoria dezvoltării integrității semnalului ca ramură a ingineriei radio, ne putem referi la cronologia propusă de Douglas Brooks:

etapa 1. În general, nu există idei despre integritatea semnalelor, deoarece nu există probleme cu transmisia.
a 2-a etapă. Există probleme cu inductanțe parazitare.
a 3-a etapă. Există probleme cauzate de faptul că rezistența nu mai poate fi considerată o constantă, dar trebuie luată în considerare dependența ei de frecvență.
etapa a 4-a. Au apărut probleme cu lungimi critice (electrice) care au devenit atât de scurte încât a fost extrem de dificil să rezolvi problemele, chiar dacă erau cunoscute.

Fundamente teoretice

Știința fundamentală pentru specialitatea Integritate a semnalului este în cea mai mare parte teoria electromagnetismului . Teoria electromagnetismului se bazează pe ecuațiile lui Maxwell , pe care le-a notat în 1873. Când se studiază integritatea semnalelor, cel mai des este utilizată forma diferențială intuitivă a ecuațiilor. Cu toate acestea, dacă este necesar, se poate folosi și forma integrală a ecuațiilor.

$\nabla \times {\overrightarrow {E}}+{\frac {\partial {\overrightarrow {B}}}{\partial {t}}}=0,\;\;\;\;\; \;\;\;\;\;$ legea lui Faraday

$\nabla \times {\overrightarrow {H}}={\overrightarrow {J}}+{\frac {\partial {\overrightarrow {D}}}{\partial {t}}},\;\; \;\;\;\;\;\;\;$ legea lui Ampère

$\nabla \cdot {\overrightarrow {D}}=\rho ,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \;\;\;\;\;\;\;$ legea lui Gauss

$\nabla \cdot {\overrightarrow {B}}=0,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\ ;\;\;\;\;\;\;$ Legea lui Gauss pentru magnetism

Unde

${\overrightarrow {E}}=[V/m]-\;\;\;\;$ Intensitatea câmpului electric (în SI - [V/m])

${\overrightarrow {H}}=[A/m]-\;\;\;\;$ Intensitatea câmpului magnetic (SI - [A/m])

${\overrightarrow {B}}=[Wb/m^{2}]-\;\;\;\;$ Inducția magnetică (în sistemul SI - [Wb / m 2 ])

${\overrightarrow {D}}=[C/m^{2}]-\;\;\;\;$ Inductie electrica (in sistemul SI - [C / m 2 ])

${\overrightarrow {J}}=[A/m^{2}]-\;\;\;\;$ Densitatea curentului electric (în sistemul SI - [A / m 2 ])

$\rho =[C/m^{3}]-\;\;\;\;$ Densitatea de sarcină electrică externă (în sistemul SI - [C / m 3 ])

La rândul său, intensitatea câmpului magnetic și inducerea magnetică sunt legate prin relația:

${\overrightarrow {H}}={\frac {\overrightarrow {B}}{\mu _{0}}}-{\overrightarrow {M}}$

Unde

${\overrightarrow {M}}=[A/m]-\;\;\;\;$ Magnetizare (în SI - [A/m])

$\mu _{0}=4\pi \times 10^{-7}[H/m]-\;\;\;\;$ constantă magnetică (în SI - [H/m])

Inducția electrică și intensitatea câmpului electric sunt legate de relația:

${\overrightarrow {D}}=\varepsilon _{0}{\overrightarrow {E}}+{\overrightarrow {P}}$

Unde

${\overrightarrow {P}}=[C/m^{2}]-\;\;\;\;$ Vector de polarizare (în sistemul SI - [C / m 2 ])

$\varepsilon _{0}=1/(\mu _{0}c^{2})\aproximativ 8,85\times 10^{-12}\times 10^{-7}[F/m]- \;\;\;\;$ constantă electrică (în SI - [F/m])

$c=299792458[m/s]-\;\;\;\;$ Viteza luminii constantă (în SI - [m/s])

Analiza integrității semnalului

Analiza integrității semnalelor poate fi împărțită în 3 etape - analiza cipului cipului , pachetului cipului, circuitului imprimat . Problemele care apar în aceste etape sunt adesea similare, dar există o serie de caracteristici fundamentale care nu permit analiza eficientă a unui cip, pachet și placă de circuit imprimat într-un singur CAD ( EDA ), dar dezvoltatorii CAD de vârf lucrează pentru a integra aceste procese. Astăzi, cel mai obișnuit este să analizați matrița și ambalajul separat și apoi să importați datele de analiză sub formă de modele comportamentale IBIS în CAD pentru analiza PCB. Trebuie remarcat faptul că, cu un astfel de traseu de proiectare, este imposibil să se analizeze cu acuratețe toate problemele care pot apărea în cristal și în ambalaj, mai ales atunci când microcircuitul interacționează cu placa de circuit imprimat (datorită împământului neideal și sisteme de alimentare, posibile preluari de la alte microcircuite de pe placă), dar obținerea unor modele de cristal precise la nivel de tranzistor, cum ar fi modelele SPICE , este cel mai adesea imposibilă, deoarece acesta este un secret comercial al producătorului. În cazul în care un producător de cipuri încearcă să-și testeze propriile cipuri în produse finite, el se confruntă cu problema necesității de a utiliza resurse de calcul uriașe. În fiecare dintre aceste etape, analiza integrității semnalului poate fi împărțită în analiză pre-aspect și post-aspect.

Analiza pretopologică

Analiza pre-topologică include un studiu preliminar al sistemului pentru prezența problemelor de integritate a semnalului în acesta, adică un studiu când dimensiunile geometrice exacte ale sistemului și poziția relativă exactă a componentelor sistemului nu sunt încă cunoscute. Pentru a efectua o astfel de analiză, sistemele CAD au un set de elemente standard: linii de transmisie, conectori, elemente aglomerate (condensatori, inductori, rezistențe), căi de transmisie și așa mai departe. În mod obișnuit, analiza prealabilă este făcută pentru a căuta probleme de integritate a semnalului în pachete și plăci de circuite imprimate.

Analiză post-topologică

Analiza posttopologică include cea mai completă examinare a sistemului pentru problemele de integritate a semnalului, luând în considerare rutarea reală, dimensiunile geometrice și pozițiile componentelor și poziția relativă a componentelor. Merită remarcat încă o dată că modelarea întregului sistem este adesea o sarcină de nerezolvat din cauza lipsei datelor necesare și a incapacității de a utiliza resurse de calcul prea mari (inclusiv cele de timp). Sarcina inginerului de integritate a semnalului este să găsească o simplificare rezonabilă și să modeleze circuitul echivalent, astfel încât eroarea să nu o depășească pe cea specificată. Pentru fiecare proiect, o astfel de eroare este determinată individual. Sistemele CAD moderne încearcă să elimine această problemă de la dezvoltatori pe cât posibil și să o automatizeze.

Probleme majore de integritate a semnalului

Integritatea semnalului pe liniile de date

Semnalul electric care iese din transmițător, propagat în linia de transmisie, trebuie recunoscut corect la intrarea receptorului. Forma, nivelurile de tensiune, sincronizarea trebuie să se potrivească exact cu standardul de semnal. Sarcina menținerii integrității semnalului în linia de transmisie presupune păstrarea formei inițiale a tensiunii, pe care linia de transmisie sau influențele externe o pot modifica doar, încălcând integritatea inițială. Linia de transmisie, în general, este mediul de propagare. Este important să înțelegeți că o linie de transmisie cu fir include toate elementele dintre ieșirea emițătorului și intrarea receptorului. Și anume, conductoarele plăcii de circuit imprimat, firele de conectare între placa de circuit imprimat și conectorii bloc, contactele conectorului, atât cabluri electrice placă la placă, cât și instrumentale. Pentru a obține o linie de transmisie omogenă (în ea semnalul se va propaga la distanțe maxime fără reflexii), la fiecare joncțiune a acestor elemente, este necesar să se potrivească impedanța undei. Impedanța caracteristică a liniei de transmisie pentru linii simple poate avea valori standard de 50,75 ohmi. Pentru liniile de transmisie diferenţială, valoarea impedanţei undei diferenţiale poate fi 90, 100, 120 ohmi. Rezistența la valuri poate avea alte semnificații. Este important ca această rezistență să nu se modifice brusc pe toată linia de transmisie. Odată cu o schimbare bruscă a rezistenței undelor, apar neomogenități, care sunt cauza reflexiilor. Copiile semnalului reflectat din neomogenități îi afectează originalul și conduc la distorsiunea acestuia. Pentru aprecierea gradului de reflexie se foloseste conceptul de coeficient de reflexie. Acesta arată cât de mult din energia semnalului este reflectată de neomogenitate, pe baza diferenței de rezistență la locul neomogenității. Dacă linia este potrivită, coeficientul de reflexie este zero. Acest mod se numește modul unde călătorii și se obține atunci când impedanța de ieșire a emițătorului este egală cu impedanța de sarcină. Dacă linia nu este potrivită, reflectanța are o valoare maximă de -1. Acest mod se numește modul unde staționare și se obține în absența sarcinii (mod inactiv). În modul de scurtcircuit, rezistența de sarcină poate fi luată egală cu zero, iar coeficientul de reflexie va fi egal cu 1. Pentru a potrivi impedanțe, se folosesc diverse metode de potrivire: serie, paralelă, combinată, schema Thevenin etc. Dacă problema de uniformitatea liniei de transmisie este rezolvată, al doilea lucru care este necesar pentru a menține integritatea semnalului, pentru a oferi o astfel de caracteristică amplitudine-frecvență a liniei de transmisie, care va permite transmiterea tuturor componentelor semnificative ale spectrului de semnal. Acestea sunt fie primele cinci armonice, fie banda de frecvență determinată de rata de creștere/scădere a pulsului. Dacă răspunsul în frecvență al liniei de transmisie nu are scăderi, declinare atât în frecvențe joase, cât și înalte, creșteri rezonante și explozii locale, toate componentele spectrului de semnal vor fi transmise fără distorsiuni și forma de undă nu va fi perturbată. Frontul și recesiunea vor rămâne monotone, iar zona de impuls va rămâne plată. Dacă se rezolvă și a doua problemă - iar răspunsul în frecvență al liniei de transmisie este uniform, rămâne de rezolvat a treia problemă. Protejați semnalul de influența semnalelor externe, a diafoniei, a puterii și a zgomotului la sol. Dacă se rezolvă și a treia sarcină, integritatea semnalului la intrarea receptorului va fi păstrată. Este important să înțelegem că sarcina de a menține integritatea semnalelor este relevantă nu numai pentru semnalele din domeniul de microunde, ci și pentru semnalele de joasă frecvență cu o rată mare de creștere/scădere a impulsului.

Lățimea de bandă a sistemului

Secțiunea de inginerie radio „Integritatea semnalului” a apărut relativ recent, în special în știința și inginerie rusă. Ca rezultat, inginerii de integritate a semnalului sunt cel mai adesea foști ingineri cu microunde . Ca rezultat, există adesea o înțelegere greșită a termenului „lățime de bandă” pentru un semnal digital. Orice semnal digital este caracterizat de rata sa de date. Luați în considerare, de exemplu, un semnal digital pseudo-aleatoriu , transmis la o rată de 1000 Mbps. Înseamnă asta că spectrul semnalului se află și în domeniul de frecvență de până la 1 GHz? Răspunsul la întrebare poate fi dat printr-o analiză spectrală efectuată cu ajutorul instrumentului Fast Fourier Transform ( FFT / FFT). Figura arată că spectrul semnalului este mult mai larg decât frecvența sa de ceas, iar limita superioară corespunde frecvenței „break”, care este determinată de abruptul frontului semnalului. Această frecvență este determinată de formula:

$F_{genunchi}={\frac {1}{2T_{r)})$ ,

unde este timpul de ridicare (cădere) al frontului . $T_{r}$

Reflecții

Reflecție - fenomenul de întoarcere a unei părți din energia undei înapoi la linia de transmisie cu o sarcină de neegalat. Sarcina este potrivită, a cărei impedanță complexă este egală cu impedanța de undă complexă a liniei. Cu cât diferența dintre aceste două impedanțe este mai mare, cu atât reflexia va fi mai mare. Fenomenul de reflexie devine vizibil atunci când lungimea electrică crește (adică atunci când lungimea frontului și lungimea liniei devin comparabile). Cele două cazuri limită ale unei linii inconsistente sunt o linie scurtată și o linie deschisă . $(Z_{0}=0)$ $(Z_{0}\rightarrow \infty )$

Impedanță de linie

Impedanța undei este rezistența pe care o întâlnește o undă electromagnetică atunci când se propagă de-a lungul unei linii uniforme fără reflexii. Definit ca raportul dintre tensiunea undei incidente și curentul undei incidente:

$Z_{0}={\frac {U_{\Pi }}{I_{\Pi }}}$ .

Pentru conductoarele tipărite, impedanța de undă a liniei depinde de lățimea acesteia și de distanța până la stratul de referință (masă sau putere). Impedanța caracteristică a conductorilor imprimați variază de obicei în intervalul de la 50 la 75 ohmi (pot exista abateri atât în sus, cât și în jos, dar acest lucru poate fi asociat cu o sarcină foarte specializată).

Scurtcircuit Linie deschisă Linie de acord

Pierderi în liniile de transport

Pierderi ohmice

Pierderile ohmice în liniile de transmisie sunt cauzate de imperfecțiunea conductorilor utilizați, care au o conductivitate finită (conductivitate a cuprului S/m). Deoarece conductorii au o grosime foarte specifică în fabricarea PCB-ului (18 µm pentru conductorii de semnal și 36 µm pentru straturile de pământ și putere), rezistența ohmică poate fi calculată cu ușurință dacă se cunoaște valoarea rezistivității pe pătrat. Pentru conductoarele de cupru cu o grosime de 18 µm, această valoare este de aproximativ 1 mΩ/pătrat. De exemplu, un conductor de 200 µm lățime și 20 mm lungime ar avea o rezistență de 100 mΩ. Aceeași rezistență va avea un conductor de 100 de microni lățime și 10 mm lungime (deoarece ambii conductori au o „arie” de 100 de pătrate). $5,7\cdot 10^{7)$

Efect de suprafață

Pentru fiecare parametru electric trebuie luat în considerare domeniul de frecvență în care este aplicabil. Acest lucru se aplică și rezistenței active în serie. Curentul continuu și curentul de joasă frecvență sunt distribuite uniform în secțiune transversală, adică densitatea curentului este aceeași atât în centrul conductorului, cât și la suprafață. La frecvențe înalte, densitatea de curent crește lângă suprafața conductorului și scade până la aproape zero în centru. S-a stabilit că sub influența efectului de suprafață, densitatea de curent scade exponențial de-a lungul razei de la suprafața conductorului până la centrul acestuia. Evident, cu o astfel de distribuție, rezistența efectivă a conductorului la frecvențe înalte va crește. Grosimea stratului (stratul de piele) în care va curge curentul depinde de frecvență:

$s=\left({\frac {2\rho }{\omega \mu }}\right)^{\frac {1}{2}}$ ,

unde este rezistivitatea conductorului, este frecvența (în radiani pe secundă), este permeabilitatea magnetică absolută a conductorului. $\rho$ $\omega$ $\mu$

Pierderi dielectrice

O undă fără pierderi se poate propaga doar în vid. Pierderile apar în orice dielectric real. Mărimea acestor pierderi depinde de tipul de dielectric și de frecvență și este determinată de factorul de pierdere dielectrică. Evident, cu cât pierderile dielectrice sunt mai mari, cu atât este mai puternică atenuarea semnalului în timpul propagării. Specificațiile pentru material de obicei nu indică factorul de pierdere, ci tangenta pierderii. Pentru comoditate, luați în considerare un condensator ideal. Vectorul curent dintr-un astfel de condensator conduce vectorul tensiune cu 90°. Dacă apar pierderi în conductor, atunci unghiul se deplasează cu o cantitate δ, numită unghi de pierdere. Tangenta acestui unghi este înregistrată în specificația pentru material. Uneori folosesc reciproca tangentei de pierdere și numesc factor de calitate:

$Q={\frac {1}{\mathrm {tg} (\delta )\,))$

Tangenta de pierdere standard pentru materialul FR-4 este 0,025.

Crosstalk

Diafonia este fenomenul de apariție a unui semnal într-un conductor atunci când este expus la conductoare adiacente. În dispozitivele digitale moderne, acest fenomen nu poate fi evitat, dar poate fi minimizat. Când vorbim despre diafonie, sunt introduși doi termeni - agresor și victimă. Agresorul este conductorul căruia i se aplică influența, iar victima este conductorul de la care se îndepărtează răspunsul acestei influențe. Într-un circuit real, când diferitele tampoane sunt comutate constant, orice conductor este atât agresor, cât și victimă în același timp. Pentru a studia diafonia, victimei i se aplică o tensiune joasă sau înaltă și un meandre, sau o secvență pseudo-aleatorie, cu niveluri date de „0” și „1” logic, ratele de creștere și scădere ale fronturilor și, de asemenea, cu o anumită frecvență de ceas se aplică agresorilor.

Zgomot de putere

Zgomote de comutare simultane

Jitter

Vezi „ Jtter ”

Măsuri de integritate a semnalului

Aplicație

Vezi și

Literatură

Bogatin Eric. Integritatea semnalului - simplificat. - Prentice Hall PTR, SUA 2003. ISBN: 0-13-066946-6
Brooks Douglas. Probleme de integritate a semnalului și designul plăcii de circuit imprimat. - Prentice Hall PTR, SUA 2003. ISBN: 0-131-41884-X
Howard Johnson, Design digital de mare viteză: un manual de magie neagră ISBN 0133957241
- G. Johnson, M. Graham, Proiectarea dispozitivelor digitale de mare viteză. Curs pentru începători în magia neagră
Howard Johnson, Martin Graham. Propagarea semnalului de mare viteză: magie neagră avansată . - Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall PTR , 2002. - ISBN 0-13-084408-X .
- G. Johnson Transmiterea de date digitale de mare viteză: cel mai înalt curs de magie neagră

Integritatea semnalului

Informații generale

Istorie

Fundamente teoretice

Analiza integrității semnalului

Analiza pretopologică

Analiză post-topologică

Probleme majore de integritate a semnalului

Integritatea semnalului pe liniile de date

Lățimea de bandă a sistemului

Reflecții

Pierderi în liniile de transport

Crosstalk

Zgomot de putere

Zgomote de comutare simultane

Jitter

Măsuri de integritate a semnalului

Aplicație

Vezi și

Literatură

Link -uri