Cos'è l'integrità del segnale?

L'integrità del segnale (SI) di un sistema è una misura di quanto cambia un segnale elettrico tra l'ingresso e l'uscita di un circuito. Per l'elettronica digitale, tale segnale è una corrente elettrica in cui la tensione varia tra un valore alto e un valore basso nel tempo. 

L'integrità del segnale è fondamentale per qualsiasi sistema elettronico moderno. L'industria usa il termine "integrità" in quanto significa aderire a un codice, rimanere inalterato ed essere completo e indiviso. Se la forma d'onda del segnale varia in modo significativo rispetto all'originale a causa di crosstalk (diafonia), mancata corrispondenza dell'impedenza e perdite, il ricevitore non sarà in grado di leggere il segnale, creando un problema di integrità dello stesso. Ecco perché l'ingegneria dell'integrità del segnale, analizzando e migliorando i problemi di integrità del segnale, è una parte importante della progettazione di circuiti integrati (IC), contenitori IC e schede a circuiti stampati (PCB). 

L'aumento della velocità del segnale e la diminuzione delle dimensioni di circuiti stampati e contenitori rendono la gestione dei problemi di integrità del segnale ancora più difficile. I segnali digitali ad alta velocità e la geometria ridotta rendono più pronunciati il rumore e la distorsione del segnale. Tuttavia, man mano che le sfide si sono fatte più impegnative, lo stesso vale per la comprensione del settore su come affrontarle, insieme alla capacità degli strumenti che gli ingegneri possono utilizzare per definire, simulare e regolare i loro sistemi elettronici. 

La distorsione della forma d'onda, il rumore, lo spostamento nel tempo e la diminuzione dell'ampiezza si verificano quando gli elettroni passano dal driver al ricevitore a causa della resistenza nel materiale, del campo elettromagnetico creato dagli elettroni in movimento, della corrente indotta da altri campi elettromagnetici e della capacità del circuito. In una PCB, i materiali, la forma delle tracce che creano il circuito, il posizionamento e lo spessore dei vari strati e il modo in cui la corrente viene trasmessa tra i livelli determinano questi effetti. 

È anche importante menzionare le questioni strettamente correlate classificate come integrità dell'alimentazione. Mentre l'integrità del segnale si occupa della fedeltà del segnale in un circuito stampato, l'integrità dell'alimentazione si occupa della qualità dell'alimentazione erogata ai componenti che invieranno e riceveranno tali segnali. Gli stessi problemi di impedenza, induttanza e attenuazione che influiscono sull'integrità del segnale giocano un ruolo nell'integrità dell'alimentazione. Inoltre, le modifiche apportate a una di esse possono avere un impatto negativo sull'altra, pertanto i progettisti devono simulare e misurare entrambe le caratteristiche durante il miglioramento di un progetto.

Se l'integrità del segnale non viene risolta, i dispositivi digitali possono presentare problemi significativi. Il problema più significativo si verifica quando un segnale si distorce talmente tanto che lo 0 o 1 trasmesso attraverso un circuito non viene ricevuto correttamente e il valore binario è errato. Inoltre, il dispositivo potrebbe guastarsi quando il rumore o il ritardo temporale sono significativi. Nelle odierne schede a circuiti stampati altamente complesse, con centinaia di tracce di circuiti stampati, basta un solo percorso di segnale con problemi di integrità del segnale per rendere l'intera scheda inutilizzabile. 

Le realtà della fisica rendono impossibile inviare un segnale attraverso un circuito senza qualche cambiamento nello stesso all'arrivo all'altra estremità. Con una solida conoscenza delle nozioni di base dell'analisi dell'integrità, una comprensione dell'impatto di questa sulla progettazione dei circuiti moderni e dei metodi per identificare e gestire i problemi di integrità del segnale, i team di progettazione possono ridurre al minimo i problemi di integrità dei segnali attraverso i loro dispositivi e spingere verso fattori di forma sempre più piccoli e frequenze più elevate. 

Il mondo fisico attorno agli elettroni che si muovono attraverso i materiali compromette l'integrità del segnale. Le equazioni di Maxwell catturano la relazione tra carica e corrente, il modo in cui la corrente crea campi elettromagnetici e il modo in cui i campi cambiano la corrente. 

In breve, le interconnessioni in un circuito stampato, dette linee di trasmissione per segnali digitali, agiscono come antenne, resistori e condensatori. Le caratteristiche del segnale, le proprietà del materiale dei materiali conduttivi e dielettrici, la geometria e la posizione relativa dei circuiti e degli strati nella PCB determinano la grandezza e l'impatto della fisica descritta dalle equazioni di Maxwell.

I 4 tipi di problemi di integrità del segnale

Le caratteristiche fisiche di base menzionate sopra determinano i problemi di integrità del segnale in una delle quattro categorie seguenti:

1. Interferenza elettromagnetica (EMI)/compatibilità elettromagnetica (EMC)

In qualsiasi circuito ad alta frequenza, la giusta combinazione di geometria e frequenza trasforma una traccia o una via in un'antenna che trasmette un segnale in grado di accoppiarsi con altri circuiti sulla stessa scheda a circuiti stampati o in altri dispositivi, connettori o cavi nello stesso dispositivo o in dispositivi vicini. Quando un altro circuito riceve interferenze, l'energia nel campo elettromagnetico può indurre una corrente, creando rumore in quel segnale. La trasmissione di onde elettromagnetiche riduce anche la tensione del segnale, poiché la creazione del campo richiede energia. I progettisti devono ridurre al minimo l'interferenza (EMI) e garantire che il dispositivo che stanno sviluppando sia compatibile con l'ambiente elettromagnetico (EMC) in cui opera.

2. Crosstalk

Il crosstalk (diafonia) è un'altra forma di interazione elettromagnetica. Si verifica quando il segnale ad alta velocità passa vicino ad un altro con conseguente accoppiamento dei relativi campi elettrici e magnetici. Il segnale indesiderato ha origine da quella che viene chiamata traccia aggressore che si accoppia con il segnale su una linea di trasmissione vicina, detta traccia vittima. I tipi di accoppiamento sono:

• Accoppiamento capacitivo: causato dal campo elettrico del circuito aggressore che induce una tensione nel circuito vittima
• Accoppiamento induttivo: causato dal campo magnetico del circuito aggressore che induce una tensione nel circuito vittima
• Accoppiamento conduttivo: causato dalla corrente di accoppiamento di entrambi i segnali sul percorso di ritorno nel piano di massa

3. Rimbalzo di massa causato dal rumore di commutazione simultanea (SSN)

Il rimbalzo di massa si verifica quando la massa del segnale di un circuito stampato non è la stessa in tutti i punti. Si tratta di un problema di integrità del segnale causato da più circuiti che modificano contemporaneamente la tensione tra lo stato alto o basso, inducendo un aumento di tensione nel piano di massa. Ciò causa un aumento della tensione dello stato basso, lo 0 in un segnale binario, rispetto al previsto. A volte, il rimbalzo è abbastanza alto da causare la lettura di un falso stato alto.

4. Mancata corrispondenza dell'impedenza

I progettisti devono considerare l'impedenza di un circuito a corrente alternata (CA). L'impedenza è la resistenza al flusso di corrente e alle variazioni di corrente causate dall'induttanza e dalla capacità. Una mancata corrispondenza dell'impedenza si verifica quando l'impedenza cambia in qualche punto lungo il circuito. La mancata corrispondenza fa sì che una parte del segnale si rifletta indietro e poi si propaghi avanti e indietro fino a quando non si attenua. Oltre ad aggiungere rumore al segnale, la mancata corrispondenza dell'impedenza può causare incertezza nel tempo, detta jitter. Uno strumento standard per valutare la mancata corrispondenza dell'impedenza è la riflettometria del dominio temporale (TDR). La TDR misura la riflessione in una linea di trasmissione.

Visualizzazione dell'integrità del segnale con un'analisi del diagramma a occhio

L'analisi del diagramma a occhio è uno degli strumenti più comuni utilizzati per verificare l'integrità del segnale. Un diagramma a occhio, detto anche pattern a occhio, è un modo per visualizzare la risposta di un circuito digitale nel tempo. Un segnale ripetuto viene immesso nel circuito analizzato e il segnale di uscita viene misurato nel tempo. I bit di dati vengono sovrapposti, con il tempo sull'asse X e l'ampiezza sull'asse Y. Poiché il segnale di ingresso è un'onda quadra, un circuito perfetto produrrebbe un'immagine che mostra due linee orizzontali sulla parte superiore e inferiore e due linee verticali al centro, separate orizzontalmente dalla lunghezza di un bit di dati e verticalmente dalla differenza di tensione nel segnale.

Ma nessun circuito è perfetto, quindi la forma si trasforma in qualcosa che sembra un occhio. I problemi di integrità del segnale discussi sopra si presentano come distorsione da linee rette. La figura seguente mostra i valori tipici che rivelano problemi in un circuito. Valori come il tempo di salita, il tempo di discesa, il jitter e la percentuale di attraversamenti degli occhi rivelano come il segnale si distorce e l'effetto che il rumore che entra nel sistema ha sul segnale.

Confrontando i diagrammi a occhio prima e dopo una modifica all'instradamento, alla geometria o al materiale, i progettisti possono vedere in che modo tali modifiche migliorano l'integrità del segnale di un circuito.

Questo approccio analitico è stato originariamente sviluppato per visualizzare rapidamente l'integrità del segnale di un circuito con un oscilloscopio. Oggi, gli ingegneri utilizzano diagrammi a occhio per esaminare le prestazioni dei circuiti come previsto in una simulazione. Ciò consente ai progettisti di esplorare rapidamente le modifiche e di vedere l'impatto molto prima della realizzazione di un prototipo della PCB.

Integrità del segnale e circuiti integrati (IC)

Questo articolo si concentra sull'integrità del segnale nei circuiti stampati, ma anche l'integrità del segnale nei chip IC è fondamentale. Poiché le dimensioni sono più piccole e le velocità di trasmissione dei dati sono ancora più elevate, l'integrità del segnale è un fattore ancora più importante quando si definiscono i circuiti integrati e le interconnessioni. Gli effetti di accoppiamento derivanti dalla commutazione di altri segnali sono il principale fattore determinante dei problemi di integrità del segnale nei chip. Inoltre, appena fuori dal chip, i fili che fungono da interconnessioni al contenitore sono abbastanza vicini da soffrire di un crosstalk significativo.

La prototipazione di un chip IC è molto difficile, pertanto l'integrità del segnale e dell'alimentazione vengono modellate utilizzando la simulazione il prima possibile nel processo di progettazione per identificare e correggere potenziali problemi. I chip vengono verificati con questi strumenti per vedere se funzioneranno come previsto prima di iniziare il processo di produzione.

Il passo più importante che i progettisti possono intraprendere per evitare problemi di integrità del segnale nei progetti digitali ad alta velocità è seguire le regole di progettazione consolidate del settore per la progettazione di PCB. Alcune regole tipiche includono:

• Specificare la distanza tra le tracce
• Evitare brusche variazioni della larghezza della traccia
• Rimanere entro i raggi di curvatura consentiti
• Evitare tracce e vie stub
• Non prevedere discontinuità nello strato di massa che interrompano il percorso di ritorno
• Progettazione di coppie differenziali con la stessa lunghezza
• Ridurre l'impedenza del piano di alimentazione
• Posizionamento strategico dei piani di massa e spessore adeguato di ogni strato del circuito stampato
• Evitare vie per frequenze più alte

Anche se i progettisti seguono tutte le regole di progettazione per i layout delle PCB, possono comunque verificarsi problemi. Sfide da superare si presentano anche quando si bilanciano regole multiple, si affrontano vincoli di produzione, limitazioni di dimensioni e problemi di costi. La simulazione viene solitamente utilizzata per identificare questi problemi e apportare miglioramenti.

Grazie a una buona progettazione parametrica e a un robusto set di strumenti di simulazione come il software di simulazione elettromagnetica Ansys SIwave™ PCB e package e il software di simulazione 3D ad alta frequenza Ansys HFSS™, gli ingegneri possono condurre rapidamente studi commerciali per esplorare le soluzioni.

Poiché il campo elettromagnetico o la corrente in una traccia non possono essere visti, ascoltati o sentiti, gli ingegneri utilizzano la simulazione per visualizzare i campi e i flussi che si verificano. Questa visualizzazione consente agli ingegneri di visualizzare la propagazione dei campi elettromagnetici, vedere il percorso di ritorno del segnale, visualizzare il riscaldamento nel circuito stampato e sotto i componenti e osservare il crosstalk tra le coppie di tracce.

Il futuro dell'integrità del segnale è simile al suo recente passato: aumento della velocità di trasmissione dei dati, aumento della velocità di clock e aumento dei requisiti di larghezza di banda. Le esigenze di confezionamento spingono inoltre i sistemi a utilizzare PCB più piccole, a riunire più componenti su tali PCB e a ripiegarli in forme convolute con PCB flessibili . Per soddisfare le esigenze del settore e aumentare la quota di mercato, le aziende introdurranno nuovi processi di produzione e sperimenteranno materiali diversi. Entrambi influiscono sull'integrità del segnale.

Un'altra tendenza che accelererà nel prossimo futuro è la maggiore integrazione tra layout e simulazione, con conseguente introduzione di più fisica nel processo di progettazione. Durante la creazione di una strategia per una scheda PCB, gli ingegneri saranno in grado di esplorare i campi elettromagnetici, l'integrità dell'alimentazione, le caratteristiche termiche e la robustezza meccanica dei loro progetti.

Come tutto il resto, l'intelligenza artificiale (IA) svolgerà un ruolo nel futuro per ridurre al minimo i problemi di integrità del segnale. Molti strumenti di layout utilizzano già forme precedenti di IA per applicare regole di progettazione per instradare le tracce durante la conversione degli schemi in layout di PCB. La nuova generazione di strumenti di intelligenza artificiale generativa migliorerà drasticamente le funzionalità degli strumenti di progettazione e simulazione.

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