Leiterplattentechnisch - Forschung zur Signalintegrität: Was ist Signalintegrität?

Wenn Sie finden, dass die Design Erfahrungen aus der vorangegangenen Low-Speed-Ära scheinen nicht mehr zu funktionieren, die gleiche Design früher kein Problem, Aber jetzt kann es nicht funktionieren, dann gratulieren, Sie haben das Kernproblem in der Hardware festgestellt DesignSignalintegrität . Es ist gut für Sie, sich einen Tag früher zu treffen.

In der Vergangenheit war die Signalanstiegszeit bei Pegelübergängen relativ lang, meist mehrere ns. Die Verbindungsleitungen zwischen Geräten haben keinen Einfluss auf die Funktion der Schaltung, und es besteht keine Notwendigkeit, sich um Probleme mit der Signalintegrität zu kümmern. Aber in der heutigen High-Speed-Ära, mit der Zunahme der Schaltgeschwindigkeit des IC-Ausgangs, sind viele auf der Pikosekunden-Ebene. Unabhängig von der Signalperiode sind fast alle Designs auf Signalintegritätsprobleme gestoßen. Darüber hinaus macht das Streben nach niedrigem Stromverbrauch die Kernspannung immer niedriger, und die 1.2v Kernspannung ist bereits sehr häufig. Daher wird die Rauschmarge, die das System tolerieren kann, immer kleiner, was auch das Problem der Signalintegrität prominenter macht.

Im Großen und Ganzen, signal integrity refers to all the problems caused by interconnection lines in circuit Design. Es untersucht hauptsächlich, wie die elektrischen Kenngrößen von Verbindungsleitungen mit den Spannungs- und Stromwellenformen digitaler Signale interagieren, um die Produktleistung zu beeinflussen. Vor allem manifestiert sich in der Auswirkung auf das Timing, Signalläuten, Signalreflexion, Nah-End Übersprechen, Ferngespräch, Schaltgeräusch, Nicht-Monotonität, Ground Bounce, Power Bounce, Dämpfung, kapazitive Last, elektromagnetische Strahlung, elektromagnetische Störungen, etc.

Die Ursache des Signalintegritätsproblems liegt in der Reduzierung der Signalanstiegszeit. Selbst wenn sich die Verdrahtungstopologie nicht ändert, wenn ein IC-Chip mit einer geringen Signalanstiegszeit verwendet wird, befindet sich das vorhandene Design in einem kritischen Zustand oder hört auf zu arbeiten.

Lassen Sie uns über mehrere häufige Probleme mit der Signalintegrität sprechen.

Reflexion:

Abbildung 1 zeigt die Wellenformverzerrung, die durch Signalreflexionen verursacht wird. Es sieht aus, als würde es klingeln. Nehmen Sie die Leiterplatte heraus und messen Sie verschiedene Signale, wie Taktausgang oder Hochgeschwindigkeits-Datenlinienausgang, um zu sehen, ob es eine solche Wellenform gibt. Wenn ja, dann sollten Sie ein perzeptuelles Verständnis des Signalintegritätsproblems haben. Ja, das ist ein Problem mit der Signalintegrität.

Viele Hardware-Ingenieure schließen einen kleinen Widerstand in Reihe an das Taktausgangssignal an. Was den Grund betrifft, so sind viele von ihnen nicht klar darüber. Sie werden sagen, dass es viele reife Designs gibt und ihnen folgen. Vielleicht wissen Sie es, aber es stimmt, dass viele Menschen die Funktion dieses kleinen Widerstands nicht erkennen können, darunter viele Hardware-Ingenieure mit drei oder vier Jahren Erfahrung. Sind sie überrascht? Aber das stimmt in der Tat. Ich bin vielen begegnet. In der Tat besteht die Funktion dieses kleinen Widerstands darin, das Signalreflexionsproblem zu lösen. Und wenn der Widerstand zunimmt, wird das Klingeln verschwinden, aber Sie werden feststellen, dass die steigende Kante des Signals nicht mehr so steil ist. Diese Lösung wird Impedanzanpassung genannt. Oh ja, Sie müssen auf Impedanzanpassung achten. Impedanz nimmt eine extrem wichtige Position bei Signalintegritätsproblemen ein.

Crosstalk:

Wenn Sie vorsichtig genug sind, werden Sie feststellen, dass es manchmal für eine bestimmte Signalleitung kein Ausgangssignal in Bezug auf die Funktion gibt, aber beim Messen wird es eine regelmäßige Wellenform mit einer kleinen Amplitude geben, genau wie es einen Signalausgang gibt. Zu diesem Zeitpunkt messen Sie die Signalleitung daneben, um zu sehen, ob es ein ähnliches Muster gibt! Ja, wenn die beiden Signalleitungen dicht beieinander liegen, wird es das normalerweise tun. Das ist Übersprechen. Natürlich ist die Wellenform auf der vom Übersprechen betroffenen Signalleitung nicht notwendigerweise der Wellenform des benachbarten Signals ähnlich, noch hat sie notwendigerweise offensichtliche Regeln, und sie ist mehr in Form von Rauschen. Crosstalk war schon immer ein Kopfschmerzen in den heutigen Leiterplatten mit hoher Dichte. Aufgrund des geringen Verdrahtungsraums müssen die Signale sehr nah sein, so dass Sie sich ihm stellen müssen. Es kann nur kontrolliert, aber nicht beseitigt werden. Für Signalleitungen, die Übersprechen unterworfen sind, ist die Störung durch benachbarte Signale für ihn gleichbedeutend mit Rauschen.

Die Größe des Übersprechens hängt mit vielen Faktoren auf der Leiterplatte zusammen, nicht nur wegen des Abstandes zwischen den beiden Signalleitungen. Natürlich ist Distanz die am einfachsten zu kontrollierende und am häufigsten verwendete Methode, um Übersprechen zu lösen, aber es ist nicht die einzige Methode. Das ist auch etwas, das viele Ingenieure missverstehen. Für vertiefte Diskussionen werde ich sie in folgenden Artikeln weiter vorstellen.

Gleiskollaps:

Rauschen gibt es nicht nur im Signalnetz, sondern auch im Stromverteilungssystem. Wir wissen, dass es zwangsläufig eine Impedanz im Stromfluss zwischen Stromversorgung und Masse gibt, es sei denn, man kann alles auf der Leiterplatte zu einem Supraleiter machen. Wenn sich dann der Strom ändert, tritt unweigerlich ein Spannungsabfall auf. Daher nimmt die Spannung, die tatsächlich an die Stromversorgungspins des Chips gesendet wird, manchmal stark ab, so wie die Spannung plötzlich zusammenbricht, was der Schienenkollaps ist. Gleiskollaps kann manchmal fatale Probleme verursachen, die die Funktion Ihrer Leiterplatte beeinträchtigen können. Die Anzahl der integrierten Gates von Hochleistungsprozessoren steigt, die Schaltgeschwindigkeit wird immer schneller, mehr Schaltstrom wird in kürzerer Zeit verbraucht und das tolerierbare Rauschen wird immer kleiner. Gleichzeitig wird es aber immer schwieriger, Lärm zu kontrollieren. Aufgrund der hohen Anforderungen von Hochleistungsprozessoren an das Stromversorgungssystem wird es immer schwieriger, ein niederohmiges Stromverteilungssystem aufzubauen. Sie haben vielleicht bemerkt, dass es wieder Impedanz ist. Das Verständnis der Impedanz ist der Schlüssel zum Verständnis von Signalintegritätsproblemen.

Signalintegrität Fragen betreffen ein breites Spektrum von Aspekten, hier nur eine kurze Einführung in einige Phänomene, Ich hoffe, dieser Artikel wird Ihnen ein vorläufiges Verständnis der Signalintegrität geben. Signalintegrität wird ein Pflichtkurs für jeden Hardware-Ingenieur sein. Kontaktieren Sie einen Tag früher und profitieren Sie einen Tag früher.