Integrita signálu

Integrita signálů ( angl. Signal Integrity ) - přítomnost dostatečné pro bezchybný přenos kvalitativních charakteristik elektrického signálu .

Obecné informace

Jakýkoli digitální signál je ze své podstaty analogový, to znamená, že je reprezentován diagramy napětí (nebo proudu ) určitého tvaru. Je zřejmé, že tvar analogového signálu se může změnit vlivem šumu, nelineárního zkreslení, přeslechů, odrazů a tak dále. Při přenosu signálů na krátké (ve smyslu elektrické délky) vzdálenosti a nízkou informační rychlostí tyto vlivy neovlivňují spolehlivost přenášených a přijímaných informací. Zvýšením přenosové rychlosti, nebo zvětšením délky přenosové cesty (tedy zvětšením elektrické délky), mohou různé efekty zkreslit signál do takové míry, že přenášené informace budou přijímány s chybami. Práci inženýra integrity signálu lze rozdělit do dvou fází. První je analýza integrity signálu, to znamená identifikace samotných efektů, které vedou ke zkreslení signálu. Druhou fází je boj proti těmto deformacím.

Historie

Chcete-li popsat historii vývoje integrity signálu jako odvětví radiotechniky, lze se odkázat na chronologii navrženou Douglasem Brooksem:

1. etapa. Obecně neexistují žádné představy o integritě signálů, protože neexistují žádné problémy s přenosem.
2. etapa. Existují problémy s parazitními indukčnostmi.
3. etapa. Existují problémy způsobené tím, že odpor již nelze považovat za konstantu, ale je třeba vzít v úvahu jeho závislost na frekvenci.
4. etapa. Problémy nastaly s kritickými délkami (elektrickými), které se staly tak krátkými, že bylo extrémně obtížné problémy vyřešit, i když byly známé.

Teoretické základy

Základní vědou pro specializaci Integrita signálu je z větší části teorie elektromagnetismu . Teorie elektromagnetismu se opírá o Maxwellovy rovnice , které sepsal v roce 1873. Při studiu integrity signálů se nejčastěji používá intuitivní diferenciální tvar rovnic. V případě potřeby však lze použít i integrální tvar rovnic.

$\nabla \times {\overrightarrow {E}}+{\frac {\částečný {\overrightarrow {B}}}{\částečný {t}}}=0,\;\;\;\;\; \;\;\;\;\;$ Faradayův zákon

$\nabla \times {\overrightarrow {H}}={\overrightarrow {J}}+{\frac {\partial {\overrightarrow {D}}}{\partial {t}}},\;\; \;\;\;\;\;\;\;$ Ampérův zákon

$\nabla \cdot {\overrightarrow {D}}=\rho ,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \;\;\;\;\;\;\;$ Gaussův zákon

$\nabla \cdot {\overrightarrow {B}}=0,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\ ;\;\;\;\;\;\;$ Gaussův zákon pro magnetismus

kde

${\overrightarrow {E}}=[V/m]-\;\;\;\;$ Síla elektrického pole (v SI - [V/m])

${\overrightarrow {H}}=[A/m]-\;\;\;\;$ Síla magnetického pole (SI - [A/m])

${\overrightarrow {B}}=[Wb/m^{2}]-\;\;\;\;$ Magnetická indukce (v soustavě SI - [Wb/m 2 ])

${\overrightarrow {D}}=[C/m^{2}]-\;\;\;\;$ Elektrická indukce (v soustavě SI - [C/m 2 ])

${\overrightarrow {J}}=[A/m^{2}]-\;\;\;\;$ Hustota elektrického proudu (v soustavě SI - [A / m 2 ])

$\rho =[C/m^{3}]-\;\;\;\;$ Hustota vnějšího elektrického náboje (v soustavě SI - [C/m 3 ])

Intenzita magnetického pole a magnetická indukce jsou zase spojeny vztahem:

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

kde

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

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

Elektrická indukce a síla elektrického pole souvisí se vztahem:

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

kde

${\overrightarrow {P}}=[C/m^{2}]-\;\;\;\;$ Vektor polarizace (v soustavě SI - [C / m 2 ])

$\varepsilon _{0}=1/(\mu _{0}c^{2})\cca 8,85\krát 10^{-12}\krát 10^{-7}[F/m]- \;\;\;\;$ elektrická konstanta (v SI - [F/m])

$c=299792458[m/s]-\;\;\;\;$ Konstantní rychlost světla (v SI - [m/s])

Analýza integrity signálu

Analýzu integrity signálů lze rozdělit do 3 fází - analýza čipu čipu , čipového obalu, desky plošných spojů . Problémy, které v těchto fázích vznikají, jsou často podobné, existuje však řada základních funkcí, které neumožňují efektivní analýzu čipu, pouzdra a desky plošných spojů v rámci jednoho CAD ( EDA ), ale přední vývojáři CAD pracují na integraci tyto procesy. Dnes je nejběžnější analyzovat matrici a obal odděleně a poté importovat data analýzy ve formě modelů chování IBIS do CAD pro analýzu PCB. Je třeba poznamenat, že s takovým způsobem návrhu není možné přesně analyzovat všechny problémy, které mohou nastat v krystalu a v obalu, zvláště když mikroobvod interaguje s deskou plošných spojů (kvůli neideálnímu uzemnění a napájecí systémy, možné snímače z jiných mikroobvodů na desce), ale získání přesných modelů krystalů na úrovni tranzistorů, jako jsou modely SPICE , je nejčastěji nemožné, protože se jedná o obchodní tajemství výrobce. V případě, že se výrobce čipů pokouší otestovat vlastní čipy v hotových výrobcích, stojí před problémem nutnosti využití obrovských výpočetních zdrojů. V každé z těchto fází lze analýzu integrity signálu rozdělit na analýzu před rozložením a analýzu po rozložení.

Pretopologická analýza

Pretopologická analýza zahrnuje předběžnou studii systému na přítomnost problémů s integritou signálu v něm, tedy studii, kdy přesné geometrické rozměry systému a přesná relativní poloha komponent systému ještě nejsou známy. K provedení takové analýzy mají CAD systémy sadu standardních prvků: přenosová vedení, konektory, soustředěné prvky (kondenzátory, induktory, rezistory), prokovy a tak dále. Obvykle se provádí analýza před rozvržením, aby se zjistily problémy s integritou signálu v pouzdrech a deskách s plošnými spoji.

Post-topologická analýza

Posttopologická analýza zahrnuje nejúplnější prozkoumání systému z hlediska problémů s integritou signálu, přičemž bere v úvahu skutečné směrování, geometrické rozměry a polohy součástí a relativní polohu součástí. Ještě jednou stojí za zmínku, že modelování celého systému je často neřešitelný úkol kvůli nedostatku požadovaných dat a nemožnosti využít příliš velké výpočetní zdroje (včetně časových). Úkolem inženýra integrity signálu je najít rozumné zjednodušení a namodelovat ekvivalentní obvod tak, aby chyba nepřesáhla stanovenou. Pro každý projekt je taková chyba stanovena individuálně. Moderní CAD systémy se snaží tento problém od vývojářů co nejvíce odstranit a automatizovat.

Hlavní problémy s integritou signálu

Integrita signálu na datových linkách

Elektrický signál opouštějící vysílač, šířený přenosovým vedením, musí být správně rozpoznán na vstupu přijímače. Jeho tvar, napěťové úrovně, časování musí přesně odpovídat signálovému standardu. Úkol zachování integrity signálu v přenosovém vedení předpokládá zachování původního tvaru napětí, které může přenosové vedení nebo vnější vlivy pouze změnit a narušit tak původní celistvost. Přenosové vedení je obecně médiem šíření. Je důležité pochopit, že kabelová přenosová linka zahrnuje všechny prvky mezi výstupem vysílače a vstupem přijímače. Jmenovitě vodiče desek plošných spojů, propojovací vodiče mezi plošnými spoji a blokovými konektory, kontakty konektorů, jak deska-deska, tak přístrojové, elektrické kabely. Pro získání homogenního přenosového vedení (právě v něm se bude signál šířit na maximální vzdálenosti bez odrazů) je na každém spoji těchto prvků nutné sladit vlnovou impedanci. Charakteristická impedance přenosové linky pro jednotlivé linky může mít standardní hodnoty 50,75 ohmů. Pro diferenciální přenosová vedení může být hodnota rozdílové vlnové impedance 90, 100, 120 ohmů. Vlnový odpor může mít i jiné významy. Je důležité, aby se tento odpor v celém přenosovém vedení náhle neměnil. Při prudké změně vlnového odporu vznikají nehomogenity, které jsou příčinou odrazů. Kopie signálu odraženého od nehomogenit ovlivňují jeho originál a vedou k jeho zkreslení. Pro posouzení míry odrazu se používá pojem koeficient odrazu. Ukazuje, jak velká část energie signálu se odráží od nehomogenity, na základě rozdílu odporu v místě nehomogenity. Pokud je čára shodná, koeficient odrazu je nulový. Tento režim se nazývá režim postupné vlny a získá se, když se výstupní impedance vysílače rovná impedanci zátěže. Pokud se čára neshoduje, má odrazivost maximální hodnotu -1. Tento režim se nazývá režim stojaté vlny a získává se při nepřítomnosti zátěže (režim nečinnosti). V režimu zkratu lze zatěžovací odpor považovat za rovný nule a koeficient odrazu bude roven 1. Pro přizpůsobení impedancí se používají různé metody přizpůsobení: sériové, paralelní, kombinované, Theveninovo schéma atd. je vyřešena uniformita přenosové linky, druhá věc, která je nutná pro zachování integrity signálu, poskytnout takovou amplitudově-frekvenční charakteristiku přenosové linky, která umožní přenášet všechny významné složky spektra signálu. Jedná se buď o prvních pět harmonických, nebo o frekvenční pásmo určené rychlostí náběhu/poklesu pulsu. Pokud frekvenční odezva přenosového vedení nemá žádné poklesy, kolísání v nízkých i vysokých frekvencích, rezonanční vzestupy a lokální záblesky, budou všechny složky spektra signálu přenášeny bez zkreslení a průběh nebude narušen. Přední strana a recese zůstanou monotónní a oblast impulsů zůstane plochá. Pokud je vyřešen i druhý problém – a frekvenční odezva přenosového vedení je rovnoměrná, zbývá vyřešit třetí problém. Chraňte signál před vlivem vnějších signálů, přeslechů, napájení a zemního šumu. Pokud je vyřešen i třetí úkol, integrita signálu na vstupu přijímače zůstane zachována. Je důležité pochopit, že úloha zachování integrity signálů je relevantní nejen pro signály v mikrovlnném rozsahu, ale také pro nízkofrekvenční signály s vysokou frekvencí náběhu/poklesu pulzu.

Šířka pásma systému

Sekce rádiového inženýrství "Integrita signálu" se objevila relativně nedávno, zejména v ruské vědě a technice. V důsledku toho jsou inženýři integrity signálu nejčastěji bývalí mikrovlnní inženýři . V důsledku toho často dochází k nepochopení pojmu "šířka pásma" pro digitální signál. Každý digitální signál je charakterizován svou přenosovou rychlostí. Uvažujme například libovolný pseudonáhodný digitální signál přenášený rychlostí 1000 Mbps. Znamená to, že spektrum signálu leží i ve frekvenčním rozsahu do 1 GHz? Odpověď na otázku může poskytnout spektrální analýza provedená pomocí nástroje Fast Fourier Transform ( FFT / FFT). Z obrázku je patrné, že spektrum signálu je mnohem širší než jeho hodinová frekvence a horní mez odpovídá „zlomové“ frekvenci, která je dána strmostí čela signálu. Tato frekvence je určena vzorcem:

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

kde je čas náběhu (pádu) fronty . $T_{r}$

Odrazy

Odraz - jev návratu části energie vlny zpět do přenosového vedení s nesrovnatelným zatížením. Zátěž je přizpůsobena, jejíž komplexní impedance se rovná komplexní vlnové impedanci vedení. Čím větší je rozdíl mezi těmito dvěma impedancemi, tím větší bude odraz. Jev odrazu je patrný, když se elektrická délka zvětšuje (to znamená, když se délka přední části a délka čáry stanou srovnatelnými). Dva omezující případy nekonzistentní linky jsou zkratovaná linka a otevřená linka. $(Z_{0}=0)$ $(Z_{0}\rightarrow \infty )$

Impedance linky

Vlnová impedance je odpor, na který narazí elektromagnetická vlna, když se šíří podél rovnoměrné linie bez odrazů. Definováno jako poměr napětí dopadající vlny k proudu dopadající vlny:

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

U tištěných vodičů závisí vlnová impedance vedení na jeho šířce a vzdálenosti k referenční vrstvě (země nebo napájení). Charakteristická impedance tištěných vodičů se obvykle pohybuje v rozsahu od 50 do 75 ohmů (mohou existovat odchylky nahoru i dolů, ale to může být spojeno s některým vysoce specializovaným úkolem).

Zkrat Otevřít řádek Odsouhlasený řádek

Ztráty v přenosových vedeních

Ohmické ztráty

Ohmické ztráty v přenosových vedeních jsou způsobeny nedokonalostí použitých vodičů, které mají konečnou vodivost (vodivost mědi S/m). Protože vodiče mají při výrobě desek plošných spojů velmi specifickou tloušťku (18 µm pro signálové vodiče a 36 µm pro zemnící a výkonové vrstvy), lze ohmický odpor snadno vypočítat, pokud je známa hodnota měrného odporu na čtverec. Pro měděné vodiče o tloušťce 18 µm je tato hodnota přibližně 1 mΩ/čtvereční. Například vodič 200 µm široký a 20 mm dlouhý by měl odpor 100 mΩ. Stejný odpor bude mít vodič 100 mikronů široký a 10 mm dlouhý (protože oba vodiče mají „plochu“ 100 čtverců). ${\displaystyle 5.7\cdot 10^{7))$

Povrchový efekt

U každého elektrického parametru je třeba zvážit frekvenční rozsah, ve kterém je použitelný. To platí i pro sériový aktivní odpor. Stejnosměrný proud a nízkofrekvenční proud jsou v průřezu rovnoměrně rozloženy, to znamená, že hustota proudu je stejná jak ve středu vodiče, tak na povrchu. Při vysokých frekvencích se proudová hustota zvyšuje blízko povrchu vodiče a ve středu klesá téměř k nule. Bylo zjištěno, že pod vlivem povrchového efektu proudová hustota exponenciálně klesá podél poloměru od povrchu vodiče k jeho středu. Je zřejmé, že s takovým rozvodem vzroste efektivní odpor vodiče při vysokých frekvencích. Tloušťka vrstvy (vrstvy kůže), ve které bude proud protékat, závisí na frekvenci:

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

kde je měrný odpor vodiče, je frekvence (v radiánech za sekundu), je absolutní magnetická permeabilita vodiče. $\rho$ $\omega$ $\mu$

Dielektrické ztráty

Bezeztrátová vlna se může šířit pouze ve vakuu. Ke ztrátám dochází v každém skutečném dielektriku. Velikost těchto ztrát závisí na typu dielektrika a frekvenci a je určena činitelem dielektrických ztrát. Je zřejmé, že čím vyšší jsou dielektrické ztráty, tím silnější je útlum signálu při šíření. Specifikace pro materiál obvykle neuvádějí ztrátový činitel, ale ztrátovou tečnu. Pro pohodlí zvažte ideální kondenzátor. Vektor proudu v takovém kondenzátoru předbíhá vektor napětí o 90°. Dojde-li ke ztrátám ve vodiči, posune se úhel o hodnotu δ, která se nazývá ztrátový úhel. Tangenta tohoto úhlu je zaznamenána ve specifikaci pro materiál. Někdy používají převrácenou hodnotu tečny ztráty a nazývají faktor kvality:

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

Standardní tangens ztráty pro materiál FR-4 je 0,025.

Přeslechy

Přeslechy je jev výskytu signálu ve vodiči, když je vystaven sousedním vodičům. V moderních digitálních zařízeních se tomuto jevu nelze vyhnout, lze jej však minimalizovat. Když se mluví o přeslechu, zavádějí se dva pojmy – agresor a oběť. Agresor je vodič, na který je vliv aplikován, a oběť je vodič, z něhož je odezva tohoto vlivu odstraněna. Ve skutečném obvodu, kdy se neustále přepínají různé buffery, je kterýkoli vodič agresorem i obětí zároveň. Ke studiu přeslechů se na oběť aplikuje nízké nebo vysoké napětí a meandr nebo pseudonáhodná sekvence s danými úrovněmi logické „0“ a „1“, rychlostmi vzestupu a poklesu front a také s danou hodinovou frekvencí se aplikuje na agresory.

Hluk napájení

Simultánní spínací zvuky

Jitter

Viz " Jitter "

Měření integrity signálu

Aplikace

Viz také

Radiotechnika
elektrotechnika
Elektronika (rádiová elektronika)

Literatura

Bogatin Erik. Integrita signálu – Zjednodušeno. - Prentice Hall PTR, USA 2003. ISBN: 0-13-066946-6
Brooks Douglas. Problémy s integritou signálu a návrh desky s plošnými spoji. - Prentice Hall PTR, USA 2003. ISBN: 0-131-41884-X
Howard Johnson, High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic ISBN 0133957241
- G. Johnson, M. Graham, Navrhování vysokorychlostních digitálních zařízení. Kurz černé magie pro začátečníky
Howard Johnson, Martin Graham. Vysokorychlostní šíření signálu: pokročilá černá magie . - Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall PTR , 2002. - ISBN 0-13-084408-X .
- G. Johnson Vysokorychlostní digitální přenos dat: nejvyšší kurz černé magie