High-speed design jest jedną z najprężniej rozwijających się dziedzin elektroniki, związanych z projektowaniem obwodów drukowanych.  Tego typu rozwiązanie wymusza ciągły rozwój technologii i wykorzystywanie w pracy układów coraz to wyższych częstotliwości. Pytanie, czym w ogóle jest technika high-speed design – jak ją definiować?

High-speed design, czyli…?

W celu zrozumienia istoty techniki high-speed design zaobserwujmy najszybciej zmieniające się zjawisko elektryczne w projektowanym przez nas układzie i oceńmy, czy czas trwania zjawiska porównywalny jest z czasem propagacji sygnału pomiędzy końcówkami linii, w której sygnał jest przesyłany. W odniesieniu do układów cyfrowych najbardziej gwałtownym zjawiskiem jest moment zmiany stanu logicznego układu. Jeżeli czasy narostu / opadania są porównywalne z czasem propagacji sygnału od początku do końca (i z powrotem) linii, którą sygnał jest transmitowany to otrzymany efekt możemy określić mianem high-speed.

Termin ten nie jest bezpośrednio związany z częstotliwością pracy układów, mimo iż sygnały o wyższej częstotliwości mają znacznie krótsze czasy narastania impulsów. Dlaczego? Z racji tego, że możliwe jest istnienie krótkich czasów narostu sygnałów, w układach wykorzystujących względnie niskie częstotliwości pracy – chociażby 20 MHz. Czas narostu zależny jest od bufora zastosowanego w projekcie układu scalonego, stąd bufory nowej generacji, o krótkich czasach narastania impulsów, stosowane w wolniejszych obwodach mogą być źródłem potencjalnych problemów określanych mianem high-speed. Problemy te możemy podzielić na trzy tematyki obejmujące:

  • integralność sygnałów (czyli Signal Integrity),
  • integralność układów zasilających (Power Integrity),
  • kompatybilność elektromagnetyczną (EMC).

Skupmy się na pierwszej z nich.

Signal Integrity – z czym to się je?

Signal Integrity, czyli integralność sygnałowa, to szereg technik projektowania, analizy oraz testowania połączeń, których celem jest zapewnienie odpowiedniej jakości transmisji sygnałów cyfrowych. Innymi słowy, integralność sygnałów pomaga układom odróżniać stan niski od stanu wysokiego („0” i „1”). Natomiast jakość sygnału mierzona jest parametrami jego przebiegu (kształt) w dziedzinie czasu.

Problem związany z integralnością sygnałów na płytkach PCB sprowadza się do zapewnienia przeprowadzenia prawidłowej transmisji informacji zawartej w sygnale, przesyłanym z bufora nadajnika do odbiornika/ów, a dokładniej ich buforów. Brak zastosowania specjalistycznych rozwiązań projektowych w podzespołach z rodziny high-speed może skutkować odkształcaniem się widma sygnałów przesyłanych w urządzeniach, czyli fałszowania przenoszonej informacji. Co za tym idzie – utraty integralności. Przyczynami takiego działania mogą być:

  • zakłócenia typu multi-crossing – wprowadzanie fałszywej informacji do sygnału w momencie przełączania się bufora na określony stan logiczny,
  • zakłócenie typu oscillation – wprowadzenie opóźnienia spodziewanego momentu przełączania się bufora,
  • przepięcia over i undershoot – w wyjątkowych przypadkach mogą one doprowadzić do zniszczenia układu,
  • threshold – niemal całkowite stłumienie transmitowanego sygnału – do tego stopnia, że przestaje być on wykrywany przez bufor, wskutek czego bufor nie zostaje przełączony.

Sygnały w płytkach PCB przenoszone są ścieżkami przewodzącymi, łączącymi ze sobą bufory. Dla poziomu niskich częstotliwości ścieżki wykazują minimalną rezystancję, dzięki czemu możliwe jest potraktowanie ich jako zwarcie. Inaczej sytuacja wygląda w pasmie wysokich częstotliwości. Tam ścieżka zachowuje się jak stratna linia transmisyjna. Bardzo istotne jest ustalenie, w jakich warunkach dane połączenie na płytce będzie traktowane jako zwarcie, a w jakich jako linia przesyłu informacji.

Czym zatem jest taka linia? W skład linii długiej wchodzi jedna bądź wiele linii służących do przenoszenia sygnałów oraz linia powrotu. Zawiera ona elementy RLGC, charakteryzujące jej stratne własności:

  • R – szeregowa rezystancja linii sygnałowej,
  • L – indukcyjność własna linii sygnałowej,
  • G – przewodność związana z upływnością izolacji,
  • C – pojemność między linią sygnałową a linią powrotu.

Linie transmisyjne charakteryzuje szereg parametrów, zależnych od jej fizycznych wymiarów, takich jak m.in. tłumienie i opóźnienie grupowe. Jednakże najważniejszym parametrem opisującym linie transmisyjne (linie długie) jest ich impedancja charakterystyczna. Do jej interpretacji przyjmuje się uproszczony model linii (model bezstratny), uzyskany przez pominięcie elementów rezystancji i przewodności (R i G).

Skąd wzięła się nazwa linia długa?

Linie transmisyjne określamy mianem długich w momencie, gdy ich długość jest porównywalna (bądź większa) z długością fali rozchodzącej się w tych liniach. Należy pamiętać o tym, że sygnał rozchodzi się z prędkością światła – jest on falą przenoszącą informacje. Zmiany napięcia oraz prądu również w tym przypadku nie mogą być natychmiastowe. Stąd problemy z integralnością sygnałów zaczynają się właśnie w przypadku, gdy linia staje się linią długą, czyli w momencie, gdy jej długość jest większa od 1/6 długości elektrycznej (L > 1/6 λ). Przy projektowaniu linii transmisyjnych niezbędne jest zrozumienie podstaw ich działania.

A co ze stratami?

W praktycznym podejściu straty rosną niemal zawsze wraz ze wzrostem częstotliwości. Wyższe składowe harmoniczne ulegają silniejszemu tłumieniu niż składowe o niskich częstotliwościach, stąd prawie zawsze występuje zwiększenie czasu narastania impulsu. Problem pojawia się, gdy wydłużenie czasu trwania tego narostu staje się porównywalne z wartością czasu trwania jednego bitu danych. Skutkuje to tzw. interferencją międzysymbolową (ISI – Intersymbol Interference), czyli nachodzenie podstawy impulsów na kolejne impulsy.
Aby zminimalizować straty należy zniwelować straty przewodnika i dielektryka oraz zmniejszyć nieciągłości impedancji. Unikać używania przelotek (via), bądź stosowanie ich ślepych czy zagrzebanych odmian. Rozmiar padów wpływa na kontrolowanie impedancji, stąd należy stosować małe pady lub duże antypady.

Podsumowując…

Integralność sygnałów nie sprowadza się jedynie do problemów opisanych powyżej. Jest to zaledwie mała garść informacji z dziedziny high-speed design, jednakże to dobre wprowadzenie do tematyki poruszanej podczas szkolenia Signal integrity – high speed design: Integralność sygnałów, szybkie magistrale – projektowanie elektroniki wysokich częstotliwości  prowadzonego przez dr. inż. Krzysztofa Czubę – projektanta elektroniki wysokich częstotliwości, Zastępcę Dyrektora Instytutu Systemów Elektronicznych Politechniki Warszawskiej.

Szkolenie odbędzie się w terminie 30-31 marca 2020 roku w Warszawie, w siedzibie SCHURTER Electronics Sp. z o.o. Wszelkie potrzebne informacje znajdują się pod linkiem.