A jel integritása

A jelek integritása ( eng. Signal Integrity ) - az elektromos jel minőségi jellemzőinek hibamentes továbbításához elegendő .

Általános információk

Bármely digitális jel eredendően analóg, vagyis egy bizonyos alakú feszültség (vagy áram ) diagramok ábrázolják. Nyilvánvaló, hogy az analóg jel alakja megváltozhat a zaj, a nem lineáris torzítás, az áthallás, a visszaverődés stb. hatására. A jelek rövid (elektromos hossz értelmében) átvitelekor és alacsony információsebességgel ezek a hatások nem befolyásolják a továbbított és vett információ megbízhatóságát. Az átviteli sebesség növelésével, vagy az átviteli út hosszának növelésével (vagyis az elektromos hossz növelésével) különböző hatások olyan mértékben torzíthatják a jelet, hogy a továbbított információ hibásan kerül vételre. A jelintegritási mérnök munkája két fázisra osztható. Az első a jel integritásának elemzése, vagyis pontosan azon hatások azonosítása, amelyek a jel torzulásához vezetnek. A második szakasz az ezekkel a torzulásokkal szembeni küzdelem.

Történelem

A jelintegritás fejlődésének történetének leírásához a rádiótechnika egyik ágaként hivatkozhatunk a Douglas Brooks által javasolt kronológiára:

1. szakasz. Általában nincsenek elképzelések a jelek integritásával kapcsolatban, mivel nincs probléma az átvitellel.
2. szakasz. Problémák vannak a parazita induktivitással.
3. szakasz. Problémákat okoz, hogy az ellenállás már nem tekinthető állandónak, de figyelembe kell venni annak frekvenciától való függését.
4. szakasz. Problémák merültek fel a kritikus hosszúságokkal (elektromos), amelyek annyira lerövidültek, hogy rendkívül nehéz volt megoldani a problémákat, még akkor is, ha ismertek.

Elméleti alapok

A Signal Integrity specialitás alaptudománya nagyrészt az elektromágnesesség elmélete . Az elektromágnesesség elmélete Maxwell egyenleteire támaszkodik , amelyeket 1873-ban írt le. A jelek integritásának vizsgálatakor leggyakrabban az egyenletek intuitív differenciálformáját használják. Szükség esetén azonban az egyenletek integrál alakja is használható.

$\nabla \times {\overrightarrow {E}}+{\frac {\partial {\overrightarrow {B}}}{\partial {t}}}=0,\;\;\;\;\; \;\;\;\;\;$ Faraday törvénye

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

$\nabla \cdot {\overrightarrow {D}}=\rho ,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \;\;\;\;\;\;\;$ Gauss törvény

$\nabla \cdot {\overrightarrow {B}}=0,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\ ;\;\;\;\;\;\;$ Gauss törvénye a mágnesességre

ahol

${\overrightarrow {E}}=[V/m]-\;\;\;\;$ Elektromos térerősség (SI - [V/m])

${\overrightarrow {H}}=[A/m]-\;\;\;\;$ Mágneses térerősség (SI - [A/m])

${\overrightarrow {B}}=[Wb/m^{2}]-\;\;\;\;$ Mágneses indukció (SI rendszerben - [Wb / m 2 ])

${\overrightarrow {D}}=[C/m^{2}]-\;\;\;\;$ Elektromos indukció (SI rendszerben - [C / m 2 ])

${\overrightarrow {J}}=[A/m^{2}]-\;\;\;\;$ Elektromos áramsűrűség (SI rendszerben - [A / m 2 ])

$\rho =[C/m^{3}]-\;\;\;\;$ Külső elektromos töltéssűrűség (SI rendszerben - [C / m 3 ])

A mágneses térerősség és a mágneses indukció viszont a következő összefüggéssel függ össze:

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

ahol

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

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

Az elektromos indukció és az elektromos térerősség a következő összefüggéssel függ össze:

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

ahol

${\overrightarrow {P}}=[C/m^{2}]-\;\;\;\;$ Polarizációs vektor (SI rendszerben - [C / m 2 ])

$\varepsilon _{0}=1/(\mu _{0}c^{2})\kb. 8,85\x 10^{-12}\times 10^{-7}[F/m]- \;\;\;\;$ elektromos állandó (SI-ben - [F/m])

$c=299792458[m/s]-\;\;\;\;$ Fénysebesség állandó (SI - [m/s])

Jelintegritás elemzés

A jelek integritásának elemzése 3 szakaszra osztható - a chip chip , chip csomag, nyomtatott áramkör elemzése . Az ezekben a szakaszokban felmerülő problémák gyakran hasonlóak, de számos olyan alapvető jellemző van, amely nem teszi lehetővé a chip, a csomag és a nyomtatott áramköri kártya hatékony elemzését egyetlen CAD -on belül ( EDA ), de a vezető CAD-fejlesztők dolgoznak az integráláson. ezeket a folyamatokat. Manapság a legelterjedtebb a szerszám és a csomagolás külön elemzése, majd az elemzési adatok importálása IBIS viselkedési modellek formájában a CAD-be PCB-elemzés céljából. Meg kell jegyezni, hogy egy ilyen tervezési útvonal mellett lehetetlen pontosan elemezni a kristályban és a csomagolásban felmerülő összes problémát, különösen akkor, ha a mikroáramkör kölcsönhatásba lép a nyomtatott áramköri lappal (a nem ideális földelés, ill. táprendszerek, esetleges hangszedők az alaplapon lévő más mikroáramkörökről), de a tranzisztor szintű pontos kristálymodellek, például a SPICE modellek beszerzése legtöbbször lehetetlen, mivel ez a gyártó üzleti titka . Abban az esetben, ha egy chipgyártó megpróbálja tesztelni saját chipjeit a késztermékekben, akkor azzal a problémával kell szembenéznie, hogy hatalmas számítási erőforrásokat kell használnia. Ezen szakaszok mindegyikében a jelintegritás-elemzés felosztható elrendezés előtti és elrendezés utáni elemzésre.

Pretopológiai elemzés

A pre-topológiai elemzés magában foglalja a rendszer előzetes vizsgálatát a jelintegritási problémák jelenlétére, vagyis olyan vizsgálatot, amikor a rendszer pontos geometriai méretei és a rendszerelemek pontos egymáshoz viszonyított helyzete még nem ismert. Az ilyen elemzés elvégzéséhez a CAD-rendszerek szabványos elemekkel rendelkeznek: átviteli vezetékek, csatlakozók, csomózott elemek (kondenzátorok, induktorok, ellenállások), átmenetek stb. Jellemzően az elrendezés előtti elemzést a csomagokban és a nyomtatott áramkörökben lévő jelintegritási problémák keresésére végzik.

Poszttopológiai elemzés

A poszttopológiai elemzés magában foglalja a rendszer legteljesebb vizsgálatát a jelintegritási problémák tekintetében, figyelembe véve a tényleges útvonaltervezést, az alkatrészek geometriai méreteit és helyzetét, valamint a komponensek egymáshoz viszonyított helyzetét. Érdemes még egyszer megjegyezni, hogy a teljes rendszer modellezése gyakran megoldhatatlan feladat a szükséges adatok hiánya és a túl nagy számítási erőforrások (ideértve az időbeli) kihasználásának hiánya miatt. A jelintegritás mérnök feladata egy ésszerű egyszerűsítés megtalálása és az egyenértékű áramkör modellezése úgy, hogy a hiba ne haladja meg a megadott értéket. Minden projekt esetében egyedileg határozzák meg az ilyen hibát. A modern CAD rendszerek ezt a problémát igyekeznek minél jobban eltávolítani a fejlesztők elől, és automatizálni.

Főbb jelintegritási problémák

Jelintegritás az adatvonalakon

Az adót elhagyó elektromos jelet, amely az átviteli vezetékben terjed, helyesen kell felismerni a vevő bemenetén. Alakja, feszültségszintje, időzítése pontosan meg kell, hogy egyezzen a jel szabványával. A távvezetékben a jel épségének megőrzésének feladata a feszültség eredeti formájának megőrzését feltételezi, amelyet a távvezeték vagy külső hatások csak megváltoztathatnak, sértve az eredeti integritást. Az átviteli vonal általában a terjedési közeg. Fontos megérteni, hogy a vezetékes átviteli vonal minden elemet tartalmaz az adó kimenete és a vevő bemenete között. Nevezetesen a nyomtatott áramköri lapok vezetői, a nyomtatott áramköri lap és a blokk csatlakozók közötti összekötő vezetékek, a csatlakozó érintkezők, mind a kártya-lap, mind a műszeres, elektromos kábelek. Ahhoz, hogy homogén átviteli vonalat kapjunk (ebben a jel a maximális távolságig terjed, visszaverődés nélkül), ezen elemek minden egyes csomópontjában meg kell egyezni a hullámimpedanciával. Az átviteli vonal jellemző impedanciája az egyes vonalakhoz 50,75 ohm szabványos lehet. Differenciális távvezetékeknél a differenciálhullám impedancia értéke 90, 100, 120 ohm lehet. A hullámellenállásnak más jelentése is lehet. Fontos, hogy ez az ellenállás ne változzon hirtelen a távvezetéken. A hullámellenállás éles változásával inhomogenitások keletkeznek, amelyek a visszaverődések okai. A jel inhomogenitásokból visszaverődő másolatai hatással vannak az eredetire, és torzulásához vezetnek. A visszaverődés mértékének felmérésére a reflexiós együttható fogalmát használjuk. Megmutatja, hogy a jelenergia mekkora része verődik vissza az inhomogenitásból, az inhomogenitás helyén lévő ellenálláskülönbség alapján. Ha a vonal illeszkedik, a tükrözési együttható nulla. Ezt az üzemmódot haladó hullám üzemmódnak nevezik, és akkor érhető el, ha az adó kimeneti impedanciája megegyezik a terhelési impedanciával. Ha a vonal nem illeszkedik, a reflektancia maximális értéke -1. Ezt az üzemmódot állóhullám-üzemmódnak nevezik, és terhelés hiányában (tétlen üzemmód) érhető el. Rövidzárlati módban a terhelési ellenállás nullával egyenlő, a visszaverődési együttható pedig 1 lesz. Az impedanciák illesztésére különféle illesztési módszereket alkalmaznak: soros, párhuzamos, kombinált, Thevenin-séma stb. Az átviteli vonal egységessége megoldott, a második dolog, ami a jel integritásának fenntartásához szükséges, hogy olyan amplitúdó-frekvencia karakterisztikát biztosítson az átviteli vonalnak, amely lehetővé teszi a jelspektrum összes jelentős komponensének továbbítását. Ez vagy az első öt harmonikus, vagy az impulzus emelkedési/esési sebessége által meghatározott frekvenciasáv. Ha az átviteli vonal frekvenciamenetében nincsenek süllyedések, gördülések mind alacsony, mind magas frekvenciákon, rezonanciaemelkedések és lokális burstok, akkor a jelspektrum minden komponense torzítás nélkül továbbítódik, és a hullámforma nem zavarható. A front és a recesszió monoton marad, az impulzusterület pedig sík marad. Ha a második probléma is megoldódik - és az átviteli vezeték frekvenciamenete egységes, akkor a harmadik probléma megoldása marad. Védje a jelet a külső jelek hatásától, az áthallástól, a tápfeszültségtől és a földi zajtól. Ha a harmadik feladatot is megoldjuk, a vevő bemenetén megmarad a jel integritása. Fontos megérteni, hogy a jelek integritásának megőrzésének feladata nemcsak a mikrohullámú tartományban lévő jelek esetében releváns, hanem az alacsony frekvenciájú, magas impulzusemelkedési/esési sebességű jelek esetében is.

Rendszer sávszélesség

A rádiótechnika "Jelintegritás" szakasza viszonylag nemrég jelent meg, különösen az orosz tudományban és mérnöki munkákban. Ennek eredményeként a jelintegritási mérnökök legtöbbször korábbi mikrohullámú mérnökök . Ennek eredményeként gyakran félreértik a digitális jelre vonatkozó "sávszélesség" kifejezést. Minden digitális jelet az adatátviteli sebessége jellemez. Vegyünk például egy tetszőleges pszeudo-véletlen digitális jelet, amelyet 1000 Mbps sebességgel továbbítanak. Ez azt jelenti, hogy a jel spektruma is az 1 GHz-ig terjedő frekvenciatartományba esik? A kérdésre a Fast Fourier Transform ( FFT / FFT) eszközzel végzett spektrális elemzés adhatja meg a választ . Az ábrán látható, hogy a jel spektruma jóval szélesebb, mint az órajel frekvenciája, a felső határ pedig a "törés" frekvenciának felel meg, amit a jelfront meredeksége határoz meg. Ezt a gyakoriságot a következő képlet határozza meg:

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

hol van a front emelkedési (esési) ideje . $T_{r}$

Reflexiók

Reflexió - az a jelenség, amikor a hullám energiájának egy része páratlan terheléssel visszatér az átviteli vezetékhez. A terhelés illeszkedik, amelynek komplex impedanciája megegyezik a vonal komplex hullámimpedanciájával. Minél nagyobb a különbség a két impedancia között, annál nagyobb lesz a visszaverődés. A visszaverődés jelensége akkor válik észrevehetővé, amikor az elektromos hossz nő (vagyis amikor az előlap hossza és a vonal hossza összehasonlíthatóvá válik). Az inkonzisztens vonal két korlátozó esete a rövidre zárt vonal és a nyitott vonal. $(Z_{0}=0)$ $(Z_{0}\rightarrow \infty )$

Vonalimpedancia

A hullámimpedancia az az ellenállás, amellyel az elektromágneses hullám akkor találkozik, amikor egy egyenletes vonal mentén, visszaverődés nélkül terjed. A beeső hullámfeszültség és a beeső hullámáram aránya:

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

Nyomtatott vezetékek esetén a vezeték hullámimpedanciája a szélességétől és a referenciaréteg (föld vagy táp) távolságától függ. A nyomtatott vezetők jellemző impedanciája általában 50-75 ohm tartományban változik (felfelé és lefelé is előfordulhatnak eltérések, de ez valamilyen nagyon speciális feladathoz köthető).

Rövidzárlat Sor megnyitása Megállapodott sor

Veszteségek a távvezetékekben

Ohmos veszteségek

A távvezetékekben az ohmos veszteségeket a felhasznált vezetők tökéletlensége okozza, amelyek vezetőképessége véges (a réz vezetőképessége S/m). Mivel a vezetékek nagyon specifikus vastagságúak a NYÁK-gyártásban (18 µm a jelvezetők és 36 µm a föld- és táprétegek), az ohmos ellenállás könnyen kiszámítható, ha ismerjük a négyzetenkénti ellenállás értékét. A 18 µm vastagságú rézvezetékeknél ez az érték körülbelül 1 mΩ/négyzet. Például egy 200 µm széles és 20 mm hosszú vezető ellenállása 100 mΩ. Ugyanennek az ellenállásnak lesz egy 100 mikron széles és 10 mm hosszú vezetéke (mivel mindkét vezető "területe" 100 négyzet). ${\displaystyle 5.7\cdot 10^{7))$

Felületi hatás

Minden elektromos paraméternél figyelembe kell venni azt a frekvenciatartományt, amelyben alkalmazható. Ez vonatkozik a soros aktív ellenállásra is. Az egyenáram és a kisfrekvenciás áram egyenletesen oszlik el a keresztmetszetben, vagyis az áramsűrűség a vezető közepén és a felületen is azonos. Magas frekvenciákon az áramsűrűség a vezető felülete közelében növekszik, a közepén pedig majdnem nullára csökken. Megállapítást nyert, hogy a felületi hatás hatására az áramsűrűség exponenciálisan csökken a sugár mentén a vezető felületétől a középpontig. Nyilvánvaló, hogy ilyen eloszlással a vezető effektív ellenállása nagy frekvenciákon megnő. A réteg (bőrréteg) vastagsága, amelyben az áram folyik, a frekvenciától függ:

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

ahol a vezető ellenállása, a frekvencia (radián per másodpercben), a vezető abszolút mágneses permeabilitása. $\rho$ $\omega$ $\mu$

Dielektromos veszteségek

A veszteségmentes hullám csak vákuumban terjedhet. Veszteségek minden valódi dielektrikumban előfordulnak. Ezeknek a veszteségeknek a nagysága a dielektrikum típusától és a frekvenciától függ, és a dielektromos veszteségi tényező határozza meg. Nyilvánvaló, hogy minél nagyobb a dielektromos veszteség, annál erősebb a jel csillapítása a terjedés során. Az anyagra vonatkozó előírások általában nem a veszteségi tényezőt, hanem a veszteségi érintőt jelzik. A kényelem érdekében fontolja meg az ideális kondenzátort. Az ilyen kondenzátorban lévő áramvektor 90°-kal vezeti a feszültségvektort. Ha veszteségek lépnek fel a vezetőben, akkor a szög δ értékkel eltolódik, ezt veszteségi szögnek nevezzük. Ennek a szögnek az érintője az anyag specifikációjában van rögzítve. Néha a veszteség tangensének reciprokát használják, és minőségi tényezőnek nevezik:

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

Az FR-4 anyag szabványos veszteségi tangense 0,025.

Crosstalk

Az áthallás az a jelenség, amikor egy jel megjelenik a vezetőben, ha szomszédos vezetőkkel érintkezik. A modern digitális eszközökben ez a jelenség nem elkerülhető, de minimalizálható. Amikor az áthallásról beszélünk, két kifejezést vezetnek be - agresszor és áldozat. Az agresszor az a vezető, akire a befolyást kifejtik, az áldozat pedig az a vezető, akitől a befolyás válasza megszűnik. Egy valós áramkörben, amikor a különböző pufferek folyamatosan kapcsolódnak, bármely vezető egyszerre támadó és áldozat. Az áthallás tanulmányozásához alacsony vagy magas feszültséget kapcsolnak az áldozatra, és egy meandert vagy egy pszeudo-véletlen sorozatot, adott logikai "0" és "1" szintekkel, a frontok emelkedési és süllyedési sebességét, valamint adott órajel frekvenciával alkalmazzuk az agresszorokra.

Teljesítményzaj

Egyidejű kapcsolási zajok

Jitter

Lásd: " Remegés "

Jelintegritási mérések

Alkalmazás

Lásd még

Irodalom

Bogatin Eric. Jelintegritás – Egyszerűsített. - Prentice Hall PTR, USA 2003. ISBN: 0-13-066946-6
Brooks Douglas. Jelintegritási problémák és nyomtatott áramköri lapok tervezése. - Prentice Hall PTR, USA 2003. ISBN: 0-131-41884-X
Howard Johnson, Nagy sebességű digitális tervezés: A fekete mágia kézikönyve ISBN 0133957241
- G. Johnson, M. Graham, Nagysebességű digitális eszközök tervezése. Kezdő fekete mágia tanfolyam
Howard Johnson, Martin Graham. Nagy sebességű jelterjedés: fejlett fekete mágia . - Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall PTR , 2002. - ISBN 0-13-084408-X .
- G. Johnson Nagy sebességű digitális adatátvitel: a fekete mágia legmagasabb rendje

A jel integritása

Általános információk

Történelem

Elméleti alapok

Jelintegritás elemzés

Pretopológiai elemzés

Poszttopológiai elemzés

Főbb jelintegritási problémák

Jelintegritás az adatvonalakon

Rendszer sávszélesség

Reflexiók

Veszteségek a távvezetékekben

Crosstalk

Teljesítményzaj

Egyidejű kapcsolási zajok

Jitter

Jelintegritási mérések

Alkalmazás

Lásd még

Irodalom

Linkek