PCB Tecnico - Ricerca sull'integrità del segnale: cos'è l'integrità del segnale?

Se si scopre che l'esperienza di progettazione accumulata nell'era precedente a bassa velocità sembra non funzionare più, lo stesso design prima non era un problema, ma ora non può funzionare, allora congratulazioni, avete incontrato il problema più centrale nella progettazione hardware: l'integrità del segnale. E' un bene per te incontrarti un giorno prima.

Nell'era passata a bassa velocità, il tempo di aumento del segnale durante le transizioni di livello era relativamente lungo, di solito diversi ns. Le linee di interconnessione tra i dispositivi non influenzeranno la funzione del circuito e non c'è bisogno di preoccuparsi dei problemi di integrità del segnale. Ma nell'era di oggi ad alta velocità, con l'aumento della velocità di commutazione dell'uscita IC, molti sono al livello picosecondo. Indipendentemente dal periodo del segnale, quasi tutti i progetti hanno riscontrato problemi di integrità del segnale. Inoltre, la ricerca di un basso consumo energetico rende la tensione di nucleo sempre più bassa e la tensione di nucleo 1.2v è già molto comune. Pertanto, il margine di rumore che il sistema può tollerare sta diventando sempre più piccolo, il che rende anche il problema di integrità del segnale più evidente.

In generale, l'integrità del segnale si riferisce a tutti i problemi causati dalle linee di interconnessione nella progettazione del circuito. Studia principalmente come i parametri caratteristici elettrici delle linee di interconnessione interagiscono con le forme d'onda di tensione e corrente dei segnali digitali per influenzare le prestazioni del prodotto. Principalmente manifestato nell'impatto sulla temporizzazione, sull'squillo del segnale, sulla riflessione del segnale, sul crosstalk vicino-end, sul crosstalk lontano-end, sul rumore di commutazione, sulla non monotonicità, sul rimbalzo di terra, sul rimbalzo di potere, sull'attenuazione, sul carico capacitivo, sulla radiazione elettromagnetica, sull'interferenza elettromagnetica, ecc.

La radice del problema di integrità del segnale risiede nella riduzione del tempo di aumento del segnale. Anche se la topologia del cablaggio non cambia, se viene utilizzato un chip IC con un piccolo tempo di aumento del segnale, il progetto esistente sarà in uno stato critico o smetterà di funzionare.

Parliamo di diversi problemi comuni di integrità del segnale.

riflessione:

La figura 1 mostra la distorsione della forma d'onda causata dai riflessi del segnale. Sembra che suoni. Estrarre il circuito stampato che hai realizzato e misurare vari segnali, come l'uscita dell'orologio o l'uscita della linea dati ad alta velocità, per vedere se c'è una tale forma d'onda. Se è così, allora si dovrebbe avere una comprensione percettiva del problema di integrità del segnale. Si', e' un problema di integrità del segnale.

Molti ingegneri hardware collegheranno una piccola resistenza in serie al segnale di uscita dell'orologio. Per quanto riguarda il perché, molti di loro non sono chiari su questo: diranno che ci sono molti disegni maturi e li seguiranno. Forse lo sapete, ma è vero che molte persone non sanno dire la funzione di questo piccolo resistore, inclusi molti ingegneri hardware con tre o quattro anni di esperienza. Sono sorpresi? Ma questo è vero. Ne ho incontrati molti. Infatti, la funzione di questo piccolo resistore è quella di risolvere il problema di riflessione del segnale. E come la resistenza aumenta, l'anello scomparirà, ma troverete che il bordo ascendente del segnale non è più così ripido. Questa soluzione è chiamata corrispondenza di impedenza. Oh, si', devi fare attenzione alla corrispondenza dell'impedenza. L'impedenza occupa una posizione estremamente importante nei problemi di integrità del segnale.

Conversazione incrociata:

Se siete abbastanza attenti, troverete che a volte per una certa linea di segnale, non c'è segnale di uscita in termini di funzione, ma durante la misurazione, ci sarà una forma d'onda regolare con una piccola ampiezza, proprio come c'è un segnale di uscita. In questo momento, si misura la linea del segnale adiacente ad esso per vedere se c'è un modello simile! Sì, se le due linee di segnale sono vicine, di solito lo farà. Questa e' conversazione incrociata. Naturalmente, la forma d'onda sulla linea del segnale interessata dal crosstalk non è necessariamente simile alla forma d'onda del segnale vicino, né ha necessariamente regole ovvie, ed è più sotto forma di rumore. Il crosstalk è sempre stato un problema nei circuiti ad alta densità di oggi. A causa del piccolo spazio di cablaggio, i segnali devono essere molto vicini, quindi bisogna affrontarlo: può essere controllato ma non può essere eliminato. Per le linee di segnale soggette a crosstalk, l'interferenza dei segnali adiacenti è equivalente al rumore per lui.

L'ampiezza del crosstalk è correlata a molti fattori sul circuito stampato, non solo a causa della distanza tra le due linee di segnale. Naturalmente, la distanza è il metodo più facile da controllare e il metodo più comunemente usato per risolvere il crosstalk, ma non è l'unico metodo. Questo è anche qualcosa che molti ingegneri fraintendono. Per discussioni più approfondite, continuerò a introdurle negli articoli successivi.

Collasso della traccia:

Il rumore non esiste solo nella rete di segnale, ma anche nel sistema di distribuzione dell'energia. Sappiamo che c'è inevitabilmente un'impedenza nel percorso della corrente che scorre tra l'alimentazione elettrica e il terreno, a meno che non si possa rendere tutto sul circuito un superconduttore. Poi, quando la corrente cambia, si verificherà inevitabilmente una caduta di tensione. Pertanto, la tensione che viene effettivamente inviata ai pin di alimentazione del chip diminuirà, a volte notevolmente, proprio come la tensione collassa improvvisamente, che è il collasso della ferrovia. Il collasso della pista può talvolta causare problemi fatali, che possono influenzare il funzionamento del circuito stampato. Il numero di porte integrate di processori ad alte prestazioni sta aumentando, la velocità di commutazione sta diventando sempre più veloce, più corrente di commutazione viene consumata in un tempo più breve e il rumore che può essere tollerato diventa sempre più piccolo. Ma allo stesso tempo, è sempre più difficile controllare il rumore. A causa dei requisiti esigenti dei processori ad alte prestazioni sul sistema di alimentazione, sta diventando sempre più difficile costruire un sistema di distribuzione dell'energia a bassa impedenza. Potreste aver notato che si tratta di impedenza di nuovo. Comprendere l'impedenza è la chiave per comprendere i problemi di integrità del segnale.

I problemi di integrità del segnale coinvolgono una vasta gamma di aspetti, ecco solo una breve introduzione ad alcuni fenomeni, spero che questo articolo vi darà una comprensione preliminare dell'integrità del segnale. L'integrità del segnale sarà un corso richiesto per ogni ingegnere hardware. Contattare un giorno prima e beneficiare un giorno prima.