V elektronické a digitální logice se integrita expresního signálu nebo IF (pro integritu signálu v angličtině) vztahuje na kvalitu elektrického signálu, která je nezbytná k udržení toho, že systém plní úkol, pro který je navržen.
Zájem o integritu signálu vzniká při konstrukci nového elektronického zařízení při přechodu z blokového schématu na výkres jeho materiální realizace. Při rychlostech nad 100 MHz ( Bogatin 2009 , s. 3) již nemůžeme zanedbávat, jako na schématu, elektrické charakteristiky spojení mezi součástmi: jeden vodič má odpor a reaktanci a v jejich těsné síti každý ruší alespoň s nejbližšími. Blokové schéma obecně nepředstavuje napájení obvodů; to však může ovlivněním signálu měnit změnou referenčních napětí.
Ve vodičích se elektrický signál šíří přibližně poloviční rychlostí světla, což snižuje na velikost obvodu, který dává 15 cm / ns : při vysokých rychlostech není zanedbatelný čas potřebný k přenosu signálu z jedné složky na druhou . Vztah mezi časovou prodlevu mezi dvěma prvky a doby obnovení logický signál je důležitým ukazatelem povahy očekávaných problémů.
Integrita signálu je potom požadavkem při integraci elektronických systémů a při jejich provozu.
V logické elektronice , ať už digitální nebo jako součást automatizace , mohou mít signály v danou dobu výhradně dvě hodnoty, 0 nebo 1. Elektrický signál, který musí tyto hodnoty představovat, je veličina - nejčastěji napětí - která se mění v spojitém měřítku. Obvod přijímače převádí v určitém okamžiku průměrnou elektrickou hodnotu tohoto signálu za určité časové období na logickou hodnotu. Během přenosu elektrického signálu, na pozadí obvodu hluk , rušení , lineární nebo nelineární zkreslení , ztráty, zpoždění a další nežádoucí účinky vliv na elektrické signály.
O integritě signálu mluvíme, když elektrický signál navzdory poruchám bezchybně odpovídá logickému signálu .
Na krátké vzdálenosti, při nízké rychlosti a dostatečně daleko od jiné paralelní linky může jediný vodič přenášet logický signál s dostatečnou věrností. Při vysoké přenosové rychlosti, na delší vzdálenosti nebo na různých médiích může několik efektů degradovat elektrický signál do té míry, že způsobí fatální chyby a selhání v systému nebo zařízení. Inženýrství integrity signálu zahrnuje analýzu a zmírnění těchto účinků. Tato činnost je zásadní pro návrh a montáž elektronických součástek, od vnitřních připojení integrovaného obvodu (IC) k jeho propojení s pouzdrem , po desky plošných spojů (PCB), základní desku a propojení. Ačkoli společná témata spojují tyto různé úrovně, praktické úvahy vedou k podstatným rozdílům mezi těmito aplikacemi. Vztah v dotčených a bitové posloupnosti sazeb vodičů mezi doby šíření je údaj o zvláštních obtíží.
Zkreslení je překročení se přeslech je pozemní odskočit (v) , odrazy v konečném důsledku rušení, ztráta signálu a šumu z potravin ovlivnit integritu signálu.
Integrace elektronických systémů v průmyslovém zařízení ovlivňuje integritu signálu, protože přenosové protokoly zahrnují vysoké rychlosti, jako například přímé spojení na optickém vlákně mezi podsestavami. Integrita signálu znamená soulad s určitým počtem postupů, které se vyskytují během provozu zařízení, pokud to může vést k dobrovolným či nikoli úpravám.
Integrita signálu se týká hlavně elektrického výkonu vodičů a jiných přenosových médií, která přenášejí signály v elektronickém zařízení nebo mezi 2 kusy zařízení. Problémy s výkonem jsou záležitostí základní fyziky a zůstaly tak relativně nezměněné od vzniku elektronické logické signalizace. První transatlantický telegrafní kabel trpěl vážnými problémy s integritou signálu. Analýza těchto problémů přinesla mnoho z mnoha matematických nástrojů, které se dodnes používají k analýze problémů s integritou signálu, jako jsou telegrafní rovnice . V roce 1940 zažívaly systémy jako telefonní ústředna Western Electric , založené na pružinových kovových relé , téměř všechny efekty, které narušují moderní digitální produkty: oscilace, přeslechy, odskoky a hluk. V roce 1948 založil Claude Shannon svou teorii informací na otázce integrity informací v elektrickém signálu za přítomnosti šumu a zkreslení.
Na deskách plošných spojů začaly vážné obavy o integritu signálu, když se doby přechodu signálu (vzestup a pokles) staly srovnatelnými s dobou šíření deskou, zhruba když rychlosti překročily několik desítek MHz. Zpočátku pouze největší nebo nejrychlejší signály vyžadovaly podrobnou analýzu nebo návrh. Jak se zvyšovaly rychlosti, ovlivňovaly metody analýzy integrity signálu a související postupy rostoucí podíl signálů. V moderních obvodech, na více než 100 MHz , musíte studovat téměř všechno.
U integrovaných obvodů je díky miniaturizaci pravidel gravírování nezbytná analýza SI. Na začátku moderní éry VLSI byl design a uspořádání obvodů digitálních čipů manuálním procesem. Použití abstrakce a aplikace technik automatické syntézy umožnilo návrhářům používat jazyky na vysoké úrovni a aplikovat automatizovaný návrhový proces na vývoj velmi složitých organizací, do značné míry ignorujících opatření elektrických charakteristik podkladových obvodů. Trend periodického zdvojnásobování složitosti počítačového hardwaru ( Mooreův zákon ) v posledních technologických systémech dostal do popředí elektrické efekty. Se snížením rozlišení gravírování pod 0,25 µm se zpoždění přenosu staly přinejmenším stejně důležitými jako zpoždění logických bran. To bylo třeba vzít v úvahu, aby bylo zajištěno dodržení časů synchronizace. U nanotechnologií o velikosti 0,13 µm a menších se v digitálním designu staly důležitým faktorem nechtěné interakce mezi signály, jako je přeslech. U těchto technologií nelze dosáhnout výkonu a přesnosti návrhu bez zohlednění účinků hluku .
Zbývající část tohoto článku se týká hlavně integrity signálu v moderních elektronických technologiích. Principy integrity signálu se však neomezují pouze na současnou technologii. Integrita signálu existovala dlouho předtím a bude pokračovat, dokud budou existovat elektronické komunikace.
Problémy s integritou signálu v moderních integrovaných obvodech (IC) mohou mít vážné důsledky pro digitální zařízení:
Tyto poruchy jsou velmi nákladné. Mezi vzniklé náklady patří náklady na fotoelektrické masky , náklady na inženýrství a náklady na příležitost způsobené opožděným zavedením produktu. Proto byly vyvinuty nástroje pro automatizaci elektronického designu, které analyzují, předcházejí a opravují tyto problémy. V integrovaných obvodů (IC), přeslech je hlavní příčinou problémů integrity signálu. V technologiích CMOS je to způsobeno hlavně vazební kapacitou. Obecně to však může být způsobeno mimo jiné vzájemnou indukčností , vazbou substrátu a neideálním provozem brány. Záplaty obvykle zahrnují změnu velikosti zesilovačů, rozteče vodičů nebo obou.
V analogových obvodech se návrháři také zajímají o hluk z fyzických zdrojů, jako je tepelný šum , šum blikání a šum výstřelu . Tyto zdroje šumu představují na jedné straně spodní hranici nejmenšího signálu, který lze zesílit, a na druhé straně horní hranici užitečného zesílení.
V digitálních integrovaných obvodech většina šumu v signálu vzniká spojovacím účinkem způsobeným přepínáním jiných signálů. Zvýšená hustota propojení fyzicky posunula každý vodič blíže k sousedům, což vedlo ke zvýšení přeslechu mezi sousedními signály. Vzhledem k tomu, že rozměry obvodů se zmenšily v souladu s Mooreovým zákonem , problémy způsobily problémy s hlukem. Hlavní jsou následující.
To způsobuje zvýšené interakce mezi signály a snížení odolnosti proti šumu digitálních obvodů CMOS. Učinili hluk důležitým problémem digitálních integrovaných obvodů, který musí návrháři digitálních čipů vzít v úvahu před zahájením výroby čipů. Několik problémů musí být minimalizováno.
Návrhář integrovaných obvodů by obvykle měl provést následující kroky k ověření integrity signálu.
Moderní nástroje pro integritu signálu používané při návrhu integrovaných obvodů provádějí všechny tyto kroky automaticky a vytvářejí zprávy, které buď dávají návrhu nový směr, nebo seznam problémů, které je třeba vyřešit. Takové nástroje se však obecně nepoužívají na celý IC, ale pouze na vybrané signály zájmu.
Jakmile je problém zjištěn, musí být opraven. Zde jsou některé typické opravy problémů s čipy integrovaných obvodů .
Tyto opravy mohou způsobit další problémy. Tyto problémy je třeba řešit jako součást návrhových toků a na konci návrhu. Po změnách designu je rozumné znovu provést analýzu.
V případě kabelového připojení je důležité porovnat zpoždění propojení s bitovou periodou, aby bylo možné rozhodnout, jaký typ připojení je potřebný mezi těmi se shodnou impedancí a těmi bez shody.
Kanál doba šíření (zpoždění) propojení je přibližně 1 ns na 15 cm z FR-4 tři roviny ( páskové vedení (en) ). Rychlost šíření závisí na dielektriku a geometrii. Odrazy předchozích pulzů v důsledku nesouladu impedance zmizí po několika odrazech od jednoho konce řádku k druhému, to znamená na časové stupnici řádu doby šíření. Při nízké bitové rychlosti echa zmizí samy o sobě a v polovině již nejsou problémem. Přizpůsobení impedance není ani nutné, ani žádoucí. Existuje mnoho druhů desek plošných spojů jiných než FR-4, ale jejich výroba je obecně nákladnější.
Trend k vyšším rychlostem se v roce 2004 dramaticky zrychlil zavedením standardu PCI Express společností Intel. Po něm prošla většina inteligentních čipů standardů připojení architektonickým přechodem od paralelních sběrnic k připojení serializátoru / deserializátoru (ne) s názvem „channel“. Tyto sériové linky eliminují časový posun paralelních sběrnic a snižují počet trasování a výsledné spojovací efekty. Tyto výhody se však promítají do významného zvýšení bitové rychlosti na kanálech a kratších bitových period.
Při rychlostech dat několika gigabitů / s musí návrháři spojů vzít v úvahu odrazy způsobené změnami impedance (například když stopy mění úroveň, když procházejí průchody ), hluk vyvolaný hustě zabalenými sousedními spoji. ( Přeslech ) a útlum vysoké frekvence způsobené účinkem kůže v kovovém pásu a úhel dielektrické ztráty . Mezi technikami pro zmírnění těchto degradací je přepracování designu průchodů, aby se zajistilo přizpůsobení impedancí, použití diferenciální signalizace a před-důraz signálu na přenos.
Při těchto rychlostech několika gigabitů / s je bitová perioda kratší než doba šíření. Ozveny předchozích pulzů mohou přijít k přijímači navrstvené na hlavní puls a poškodit jej. V komunikačním inženýrství se tento jev nazývá intersymbolová interference . V inženýrství integrity signálu se to běžně označuje jako uzávěr ve tvaru oka (s odkazem na takzvaný diagram oka, který se nachází uprostřed typu stopy osciloskopu). Když je bitová perioda kratší než doba letu, je zásadní eliminovat odrazy pomocí konvenčních mikrovlnných technik, jako je přizpůsobování impedancí vysílače k propojení, přizpůsobení sekcí mezi nimi a nakonec přizpůsobení propojení k přijímači. Možná impedance propojení je omezena impedancí volného prostoru ≈ (377 Ω ), geometrickým tvarovým faktorem a druhou odmocninou relativní dielektrické konstanty páskového ostění (obvykle FR-4, s relativní dielektrickou konstantou ≈4 ). Tyto vlastnosti společně určují charakteristickou impedanci stopy. Praktická volba pro vedení s jedním koncem je 50 Ω a 100 ohm pro rozdíl.
Vzhledem k nízké impedanci požadované pro přizpůsobení nesou stopy na desce nesoucí signál mnohem více proudu než jejich protějšky na čipu. Tento silnější proud indukuje přeslechy, zejména v magnetickém nebo indukčním režimu, kde by přeslechy probíhaly v kapacitním režimu. Aby bylo možné čelit tomuto přeslechu, musí si designéři digitálních obvodů uvědomit nejen zamýšlenou cestu pro každý signál, ale také zpětnou cestu signálního proudu pro každý signál. Samotný signál a cesta jeho zpětného proudu mohou také generovat indukční přeslech. Dvojice rozdílných stop pomáhají tyto účinky snížit.
Třetí rozdíl mezi spojením mezi čipy a čipy na čipy se týká průřezu signálního vodiče. Vodiče tištěného obvodu jsou mnohem větší a mají typickou šířku nejméně 100 µm . Stopy tištěného obvodu mají nízký odpor v sérii (obvykle 0,1 Ω / cm ) ve stejnosměrném proudu. Vysokofrekvenční složka pulzu je však utlumena dodatečným odporem v důsledku efektu kůže a úhlu dielektrické ztráty spojeného s materiálem tištěného obvodu.
Hlavní výzva často závisí na povaze projektu: buď spotřebitelská aplikace s převahou nákladů, nebo výkonná infrastrukturní aplikace. V prvním případě to obvykle vyžaduje důkladnou kontrolu po koncepci pomocí elektromagnetického simulátoru (in) a ve druhém optimalizaci návrhu pomocí softwaru SPICE a simulátoru kanálu.
Úrovně šumu na trasování nebo v síti velmi závisí na vybrané topologii směrování. V topologii point-to-point je signál směrován přímo z vysílače do přijímače. To platí mimo jiné v PCIe , RapidIO , GbE , DDR2 / DDR3 / DDR4 DQ / DQS. Topologie typu point-to-point představuje méně problémů s integritou signálu, protože linie T, které jsou obousměrným dělením stopy, nezavádějí velké nesoulady impedance.
U rozhraní, kde několik komponent přijímá stejný signál ze stejné linky, například v konfiguracích s backplane, musí být linka rozdělena na určitém místě, aby sloužila všem přijímačům. Na určitých úsecích lze očekávat impedanční asymetrie. Mezi vícesložková rozhraní patří rozhraní LVDS , banky příkazů / adres DDR2 / DDR3 / DDR4 RAM, RS485 a sběrnice CAN . Dvě hlavní existující vícesložkové topologie jsou stromová struktura a průlet .
Existují specifické nástroje EDA , které pomáhají technikovi provádět všechny tyto kroky u každého signálu v návrhu. Tyto nástroje hlásí problémy a ověřují, zda je návrh připraven k výrobě. Chcete-li vybrat nejvhodnější nástroj pro konkrétní úkol, musíte vzít v úvahu vlastnosti každého z nich, jako je kapacita (počet uzlů nebo prvků), výkon (rychlost simulace), přesnost (v jakém bodě jsou modely platné), konvergence (jak je řešič platný), kapacita (nelineární nebo lineární, mimo jiné závislá na frekvenci nebo nezávislá) a snadné použití.
Návrhář komponent v integrovaných obvodech nebo tištěných obvodech eliminuje problémy s integritou signálu pomocí několika technik.
Každá z těchto oprav může způsobit další problémy, které bude třeba řešit jako součást návrhových toků a zavření návrhu .
„... s pokračujícím zvyšováním hodinových frekvencí digitálních obvodů jsou nyní oblasti RF a digitálních obvodů těsněji svázané než kdykoli předtím. "