Dati PCB - Analisi del segnale transitorio nella progettazione di schede PCB

Le risposte transitorie nelle interconnessioni e sulle linee elettriche nella scheda PCB sono la causa di errori di bit, jitter di temporizzazione e altri problemi di integrità del segnale. È possibile determinare i passaggi di progettazione da intraprendere nella progettazione del circuito perfetto utilizzando l'analisi del segnale transitorio. L'analisi del segnale transitorio in circuiti semplici può essere controllata e calcolata manualmente, consentendo di tracciare la risposta transitoria nel tempo. Circuiti più complessi possono essere difficili da analizzare manualmente. Invece, è possibile utilizzare il simulatore per l'analisi del segnale transitorio del dominio temporale durante la progettazione del simulatore. Non hai nemmeno bisogno di competenze di codifica se usi il giusto software di progettazione. Formalmente, i transienti possono verificarsi in circuiti che possono essere scritti come un insieme di equazioni differenziali lineari o non lineari accoppiate di primo ordine (autonome o non autonome). La risposta transitoria può essere determinata in diversi modi.

Una risposta transitoria senza feedback in un circuito invariante temporale cade in una delle tre situazioni:

1) Overdamped: risposta lentamente decadente, nessuna oscillazione

2) smorzamento critico: risposta veloce di decadimento, nessuna oscillazione

3) Ammortizzazione insufficiente: risposta oscillatoria smorzata

Per la simulazione del circuito, è possibile eseguire simulazioni di analisi del segnale transitorio direttamente dallo schema. Ciò richiede la considerazione di due aspetti del comportamento del circuito:

1) Segnale di azionamento. Questo definisce il cambiamento nel livello di tensione/corrente in ingresso che causa la risposta transitoria. Ciò potrebbe comportare un cambiamento tra due livelli di segnale (cioè la commutazione di segnali digitali), un dip o un picco nel livello corrente del segnale in ingresso, o qualsiasi altra modifica arbitraria nel segnale dell'unità. Potresti prendere in considerazione la guida con un segnale sinusoidale o una forma d'onda periodica arbitraria. Si può anche considerare il tempo di salita finito del segnale quando passa tra i due livelli.

2) Condizioni iniziali. Questo definisce lo stato del circuito quando il segnale dell'azionamento oscilla o la forma d'onda dell'azionamento è accesa. Supponiamo che al momento t=0, il circuito sia inizialmente in uno stato stazionario (cioè, non c'è risposta transitoria precedente nel circuito). Se non sono specificate condizioni iniziali, si presume che la tensione e la corrente siano pari a zero a t=0. Dopo aver eseguito la simulazione, ti verrà dato un'uscita che sovrappone il segnale in ingresso e l'uscita, consentendo di vedere esattamente come diversi cambiamenti nel livello del segnale producono risposte transitorie. Di seguito è mostrato un esempio di commutazione dei segnali digitali. In questo circuito, presumiamo che le condizioni iniziali non siano specificate. La risposta transitoria della corrente mostra gravi eccessi e sottoshoot a causa dell'insufficiente smorzamento. Una soluzione qui è quella di aggiungere una certa resistenza di serie alla fonte per aumentare lo smorzamento. Una soluzione migliore è ridurre l'induttanza o aumentare la capacità nel circuito per portare la risposta in uno stato smorzato.

Analisi del segnale transitorio dopo schema e layout

L'output è simile a quello visto nella simulazione della forma d'onda riflessa, dove l'incidente e le onde riflesse vengono confrontate in una simulazione post-layout. La differenza, in questo caso, è che stiamo lavorando su uno schema che non tiene conto dei parassiti nella scheda PCB. In una simulazione post-layout, i parassiti sono considerati e i risultati dell'analisi del segnale transitorio potrebbero informarti di apportare alcune modifiche al layout o stack up per ridurre il suono descritto sopra. Se i risultati di cui sopra sono visti nella simulazione dell'integrità del segnale post-layout della linea di trasmissione, una soluzione è ridurre l'induttanza del loop nell'interconnessione e ridimensionare la capacità. Questo aumenterà lo smorzamento del circuito senza modificare l'impedenza caratteristica. Questo sposta anche la frequenza di risonanza nel circuito ad un valore più alto, riducendo l'ampiezza dell'anello. Un'altra opzione è la terminazione di serie al conducente.

Analisi Pole Zero

Un'alternativa alla simulazione del dominio temporale è quella di utilizzare l'analisi pole-zero. Questa tecnica porta il circuito nel dominio Laplace e calcola i poli e gli zeri nel circuito. Ciò consente di vedere immediatamente come si comporta la risposta del segnale transitorio nel circuito. Si noti che questo tipo di simulazione può ancora tenere conto delle condizioni iniziali nell'analisi del segnale transitorio, quindi i risultati sono più generali. Tuttavia, non è possibile vedere direttamente la grandezza del segnale transitorio perché non si sta considerando esplicitamente il comportamento della forma d'onda in ingresso.

Stabilità e instabilità nell'analisi dei segnali transitori

Una cosa di cui essere consapevoli è la possibilità di instabilità nei circuiti contenenti feedback. In un circuito tipico, controllerai lo schema e il layout PCB, incontrerai quasi sempre transienti stabili. L'esempio sopra mostra una risposta stabile. Nonostante le oscillazioni transitorie, il segnale alla fine decade a uno stato stazionario. Nei circuiti con forte feedback, le oscillazioni transitorie possono diventare instabili e crescere nel tempo. Gli amplificatori sono una situazione ben nota in cui le fluttuazioni termiche o una risposta fortemente sottosmorzata in presenza di forti feedback possono guidare la risposta dell'amplificatore a diventare instabile e satura. Un circuito invariante temporale non lineare saturato alla fine costringerà questa ampiezza instabile a stabilirsi ad un livello costante. Nell'analisi del segnale transitorio, è possibile individuare facilmente le instabilità nel dominio temporale; Questo apparirà con un aumento esponenziale dell'output in uno stato sottosmorzato. Nell'analisi pole-zero, la parte reale è positiva sulla scheda PCB.