Yüksek hızlı tasarımda sinyal bütünlüğü ve güç bütünlüğü analizi
Yazar: Patrick Carrier
Sinyal bütünlüğü (SI) ve güç bütünlüğü (PI), dijital devrelerin doğru çalışmasını içeren iki farklı ancak alanla ilgili analizlerdir. Sinyal bütünlüğünde anahtar, iletilen 1'in alıcıda 1 gibi görünmesini sağlamaktır (aynısı 0 için de geçerlidir). Güç bütünlüğünde anahtar, sürücü ve alıcının 1'ler ve 0'lar gönderip alması için yeterli akımın sağlanmasını sağlamaktır. Bu nedenle, güç bütünlüğü, sinyal bütünlüğünün ayrılmaz bir parçası olarak kabul edilebilir. Aslında, hepsi dijital devrelerin doğru analog çalışmasının analizi ile ilgilidir.
Analiz ihtiyacı
Hesaplama kaynakları sınırsızsa, bu farklı analiz türleri mevcut olmayabilir. Devrenin tamamı bir kez analiz edilecek ve devrenin belirli bir bölümündeki sorunlar tespit edilerek ortadan kaldırılacaktır. Ancak gerçekte neyin simüle edilebileceği gerçeğine bağlı olmanın yanı sıra, farklı alan analizine sahip olmanın avantajı, "ters gidebilecek herhangi bir şey" olarak sınıflandırılmadan gruplar halinde belirli sorunları çözebilmesidir. Örneğin sinyal bütünlüğünde odak, vericiden alıcıya bağlantı üzerindedir. Modeller yalnızca verici ve alıcı ve aradaki her şey için oluşturulabilir. Bu, sinyal bütünlüğünü simüle etmeyi oldukça basitleştirir. Öte yandan, güç bütünlüğünü simüle etmek biraz zor olabilir, çünkü "sınır" biraz belirsizdir ve aslında sinyal bütünlüğü alanındaki öğelere belirli bir bağımlılığı vardır.
Sinyal bütünlüğünde amaç, sinyal kalitesi, karışma ve zamanlama ile ilgili sorunları ortadan kaldırmaktır. Bütün bu analiz türleri aynı model türünü gerektirir. Bunlar, sürücü ve alıcı modellerini, yonga paketlerini ve devre kartı ara bağlantılarını (izler ve yollardan, ayrı aygıtlar ve / veya konektörlerden oluşur) içerir. Sürücü ve alıcı modelleri, tampon empedansı, çevirme hızı ve voltaj salınımı hakkında bilgiler içerir. Tampon modeller olarak genellikle IBIS veya SPICE modelleri kullanılır. Ara bağlantı modeli Birleştirmek Alıcıdaki sinyal durumunu belirlemek için bir simülasyon çalıştırmak için kullanın.
Ara bağlantı, esas olarak iletim hatları gibi davranan devre kartı izlerinden oluşacaktır. Bu tip iletim hattı empedans, gecikme ve kayıp özelliklerine sahiptir. Özellikleri, bağlı sürücülerin ve alıcıların birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini belirler. Ara bağlantının elektromanyetik özellikleri, sinyal bütünlüğü simülatörü ile kullanılabilecek bir tür alan çözücü kullanılarak çözülmelidir. Birleştirmek Özelliklerini tanımlamak için devre bileşenlerini veya S-parametre modellerini kullanın. Çoğu iz, tek tip iki boyutlu bir kesit olarak modellenebilir. Bu kesit, izin empedans özelliklerini hesaplamak için yeterlidir. Empedans, sinyal hattı üzerindeki alıcıdaki dalga şeklini etkileyecektir. En temel sinyal bütünlüğü analizi, devre kartı yığınının ayarlanmasını (dielektrik katmanın uygun kalınlığı dahil) ve belirli bir iz hedef empedansına ulaşmak için doğru iz genişliğinin bulunmasını içerir.
Via'lar ile karşılaştırıldığında, izleri modellemek nispeten kolaydır. Daha hızlı sinyallerde sinyal bütünlüğü analizi yaparken, modelleme yoluyla uygunluk çok önemli hale gelir. Genel olarak, gigabit sinyallerinin üç boyutlu bir alan çözücü tarafından düzgün bir şekilde tanımlanması gerekir. Neyse ki, bu sinyaller genellikle farklıdır, bu da etkilerini nispeten yerel hale getirir. Yollardan geçen hızlı, tek uçlu sinyaller, güç dağıtım ağı (PDN) ile güçlü bir şekilde etkileşime girer. Bu yollardan dönen akım yakındaki dikilmiş deliklerden, dikilmiş kapasitörlerden ve / veya düzlem çiftlerinden geçer (PDN'yi oluşturan ve güç bütünlüğü analizi için modellenmesi gereken aynı bileşenler).
Şekil 1: İz kesiti, sinyal yolları ve PDN'de enerji yayılımı.
Güç bütünlüğü analizinde, daha yüksek frekans enerjisi tüm iletim düzlemine dağıtılır. Bu, bu analizi anında temel sinyal bütünlüğünden daha karmaşık hale getirir, çünkü enerji, iletim hattının tek bir yönü yerine x ve y yönlerinde hareket edecektir. DC'de, modellemenin seri direncini, düzlem şeklini ve izlerin yollarını hesaplaması nispeten basittir. Ancak yüksek frekanslar için, güç kaynağı ile toprak arasındaki empedansı PDN'nin farklı konumlarında analiz etmek karmaşık hesaplamalar gerektirir. Empedans, devre kartının konumuna (kapasitörün yerleştirilmesi, kurulum yöntemi, tipi ve kapasitans değeri) bağlı olarak değişecektir. Doğru dekuplaj analizi sonuçları oluşturmak için yüksek frekanslı davranışların (indüktörlerin ve düzlemsel difüzyon indüktörlerinin montajı gibi) modellemeye dahil edilmesi gerekir. PDN'nin empedansını hesaplamak için bir düğüm olarak kabul edildiği, ayrıştırma analizinin (genellikle toplu analiz olarak adlandırılır) basit bir versiyonu vardır. Bu genellikle etkili ve hızlı bir ön analizdir, tek seferde başarılı olabilir, yeterli kapasitör bulunduğunu ve doğru değerlere sahip olmasını sağlar. Ardından, dağıtılmış bir dekuplaj analizi çalıştırmak, PDN'nin tüm empedans gereksinimlerinin devre kartının farklı konumlarında karşılanmasını sağlar.
Öneri: EETOP Chuangxin Konferans Salonu
"Yüksek hızlı devre tasarımı analizi ve simülasyon" dersleri önerilir
Sinyal bütünlüğü simülasyonu
Sinyal bütünlüğü simülasyonu, yüksek hızlı sinyallerle ilgili üç ana sorunu analiz etmeye odaklanır: sinyal kalitesi, çapraz konuşma ve zamanlama. Sinyal kalitesi için amaç, aşırı aşma ve aşma olmadan net kenarlara sahip bir sinyal elde etmektir. Genel olarak, bu sorunlar, sürücünün empedansını iletim hattının empedansına uydurmak için bir tür sonlandırma eklenerek çözülebilir. Çok noktalı branşman otobüsleri için empedans her zaman eşleştirilemez, bu nedenle sonlandırma ve topoloji değişikliklerinin uzunluğunu eşleştirmek gerekir. Birleştirmek Yansımaları, sinyal kalitesini ve zamanlamasını olumsuz etkilemeyecek şekilde kontrol etmek.
Şekil 2: Sinyal kalitesi ve çapraz konuşma sorunlarını ortadan kaldırmak için sinyal bütünlüğü analizini ve tasarım alanı araştırmasını kullanın.
Aynı simülasyonlar, sinyalin panodan geçerken geçiş süresini belirlemek için çalıştırılabilir. Devre kartı zamanlaması, sistem zamanlamasının önemli bir parçasıdır ve hattın uzunluğundan, devre kartı boyunca yayılma hızından ve alıcıdaki dalga formunun şeklinden etkilenir. Dalga formunun şekli, alınan sinyalin mantık eşiğini geçme süresini belirlediğinden, zamanlama için çok önemlidir. Bu simülasyonlar genellikle iz uzunluğu kısıtlamalarındaki değişiklikleri yönlendirir.
Yaygın olarak çalıştırılan bir başka sinyal bütünlüğü simülasyonu crosstalk'tır. Bu, birbirine bağlanan çok sayıda iletim hattını içerir. İzler, yoğun devre kartı tasarımlarına sıkıştıkça, birbirleriyle ne kadar enerji bağladıklarını anlamak, parazitten kaynaklanan hataları ortadan kaldırmak için çok önemlidir. Bu simülasyonlar, izlemeler arasındaki minimum boşluk gereksinimlerini belirleyecektir.
Öneri: EETOP Chuangxin Konferans Salonu
"Yüksek hızlı devre tasarımı analizi ve simülasyon" dersleri önerilir
Güç bütünlüğü simülasyonu
Güç bütünlüğü analizinde ana simülasyon türleri DC voltaj düşüşü analizi, dekuplaj analizi ve gürültü analizidir. DC voltaj düşüşü analizi, PCB üzerindeki karmaşık izlerin ve düzlem şekillerinin analizini içerir ve bu, bakır direnci nedeniyle ne kadar voltaj kaybedileceğini belirlemek için kullanılabilir. Ek olarak, DC gerilim düşüş analizi, yüksek akım yoğunluğuna sahip alanları belirlemek için de kullanılabilir. Aslında, termal etkileri görmek için onları birlikte simüle etmek için bir termal simülatör kullanabilirsiniz. Neyse ki, DC voltaj düşüşü sorununun çözümü çok basit: daha fazla metal ekleyin. Bu ekstra metaller daha geniş ve / veya daha kalın izler ve düzlemsel şekiller, ekstra düzlemler veya ekstra yollar kullanabilir.
Şekil 3: PI / termal birlikte simülasyonda "sıcak noktaları" gösteren mevcut yoğunluk ve sıcaklık grafiği
Yukarıda kısaca tartışılan dekuplaj analizi, devre kartı üzerindeki farklı IC konumlarında güç ve toprak arasındaki empedansı belirlemeyi ve en aza indirmeyi amaçlamaktadır. Ayrıştırma analizi genellikle PDN'de kullanılan kapasitörlerin değeri, türü ve sayısındaki değişiklikleri yönlendirir. Bu nedenle, parazitik endüktans ve direnci içeren bir kapasitör modeli gerektirir. Ayrıca, düşük empedans gereksinimlerini karşılamak için kapasitör montaj yöntemlerindeki değişiklikleri ve / veya devre kartı yığınındaki değişiklikleri de sürdürecektir.
Gürültü analizinin türü değişiklik gösterebilir. Kapasitörlerin ayrıştırılmasıyla kontrol edilebilen, devre kartı çevresinde yayılan IC güç pinlerinden gelen gürültüyü içerebilirler. Gürültü analizi yoluyla, gürültünün bir yolla diğerine nasıl bağlandığını araştırmak ve eşzamanlı anahtarlama gürültüsünü analiz etmek mümkündür. Çoğu durumda, bu gürültüye sinyal değiştirme (1'den 0'a ve 0'dan 1'e) neden olur, bu nedenle sinyal bütünlüğü ile yakından ilgilidir. Ancak her durumda, bu güç bütünlüğü analizlerinin nihai amacı, PDN'deki değişiklikleri yönlendirmektir: güç / yer düzlemi çiftleri, izler, kapasitörler ve yollar.
Tablo 1. Sinyal bütünlüğü ve güç bütünlüğü arasındaki fark
PDN, yalnızca IC'ye akım sağlamak için bir araç olarak hizmet etmekle kalmaz, aynı zamanda sinyal için bir dönüş akımı yolu görevi görür. Sinyal bütünlüğü ve güç bütünlüğü arasında çok sayıda kesişme, yollarda meydana gelir. Yollardan geçen tek uçlu sinyaller için PDN, sinyal için geri dönüş akımı yolu görevi görür. Yakındaki yollar veya kapasitörler, dönüş akımının onu bir düzlemden diğerine hareket ettirmesi için bir yol sağlar. Bu nedenle PDN, aslında tek uçlu yolun empedans ve gecikme özelliklerini belirler ve DDR3 ve DDR4 gibi daha hızlı tek uçlu sinyallerin doğru modellemesi için gereklidir. Model aracılığıyla birleştirilen bu aynı SI / PI kullanılarak, bir yolla diğerine kuplajı ve sinyalin bu yolla PDN'ye bağlanmasını analiz etmek mümkündür.
Aynı şekilde, PDN, eşzamanlı olarak çoklu sinyal anahtarlamasının (genellikle SSN olarak adlandırılır) neden olabileceği gürültüyü en aza indirmek için gereklidir. IC güç kaynağı pimindeki PDN empedansı çok yüksekse, tüm sürücüler aynı anda geçiş yaptığında, anahtarlama akımları bir voltaj oluşturur ve bu voltaj, sinyalin kendisinde görülebilir. Bu sorun, dekuplaj analizi kullanılarak mükemmel bir düşük empedanslı PDN tasarlanarak ortadan kaldırılabilir. Sinyal üzerindeki etkiyi görmek için bu problemin tam bir simülasyonu, aynı anda sinyal bütünlüğü analizi ve güç bütünlüğü analizi gerçekleştirme becerisini gerektirir. Sürücünün SPICE modeli geleneksel olarak bu tür analizleri gerçekleştirmek için kullanılır, ancak güncellenmiş IBIS modeli de sinyal bütünlüğü ararken PDN efektlerini içerecek karşılık gelen bir altyapıya sahiptir.
Sinyal bütünlüğü ve güç bütünlüğünün analizi, başarılı bir yüksek hızlı dijital tasarım için kritik öneme sahiptir. Hangi tasarım değişikliklerinin yapılması gerektiğine dair değerli bilgiler sağlarlar. Ek olarak, modelleme yöntemlerinin ve hesaplama gücünün iyileştirilmesiyle, her iki tip bütünlük aynı anda simüle edilebilirse, devrenin gerçek davranışı, tasarımdaki gerçek kâr ve mümkün olan en iyi performansı nasıl elde ettikleri hakkında netlik kazanılacaktır.
Öneri: İnovasyon Konferans Salonu
