WikiSort.ru - Не сортированное

Це́лостность сигна́лов (англ. Signal Integrity) — наличие достаточных для безошибочной передачи качественных характеристик электрического сигнала.

Общие сведения

Любой цифровой сигнал по своей сути является аналоговым, то есть представлен эпюрами напряжения (или тока) определенной формы. Очевидно, что форма аналогового сигнала может быть изменена из-за воздействия шумов, нелинейных искажений, перекрестных помех, отражений и так далее. При передаче сигналов на короткие (в смысле электрической длины) расстояния и при низкой информационной скорости указанные эффекты никак не сказываются на достоверности передаваемой и принимаемой информации. При увеличении скорости передачи, или увеличении длины тракта передачи (то есть при увеличении электрической длины) различные эффекты могут исказить сигнал до такой степени, что передаваемая информация будет принята с ошибками. Работу инженера по целостности сигналов можно разделить на два этапа. Первый — это анализ целостности сигналов, то есть выявление тех самых эффектов, которые приводят к искажению сигнала. Второй этап — это борьба с этими искажениями.

История

Для описания истории развития целостности сигналов как раздела радиотехники можно обратиться к хронологии предложенной Дугласом Бруксом:

• 1-я стадия. Вообще нет представлений о целостности сигналов, так как нет никаких проблем с передачей.
• 2-я стадия. Возникают проблемы с паразитными индуктивностями.
• 3-я стадия. Возникают проблемы, вызванные тем фактом, что сопротивление больше нельзя считать константой, а приходится учитывать его зависимость от частоты.
• 4-я стадия. Возникли проблемы связанные с критическими длинами (электрическими), которые стали так коротки, что чрезвычайно трудно решить проблемы, даже если они известны.

Теоретические основы

Фундаментальной наукой для специальности Целостность сигналов по большей части является теория электромагнетизма. Теория электромагнетизма опирается на уравнения Максвелла, записанные им в 1873 году. При изучении целостности сигналов чаще всего пользуются интуитивно понятной дифференциальной формой уравнений. Однако, при необходимости, может быть использована и интегральная форма уравнений.

${\displaystyle \nabla \times {\overrightarrow {E}}+{\frac {\partial {\overrightarrow {B}}}{\partial {t}}}=0,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;}$ Закон Фарадея

${\displaystyle \nabla \times {\overrightarrow {H}}={\overrightarrow {J}}+{\frac {\partial {\overrightarrow {D}}}{\partial {t}}},\;\;\;\;\;\;\;\;\;}$ Закон Ампера

${\displaystyle \nabla \cdot {\overrightarrow {D}}=\rho ,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;}$ Закон Гаусса

${\displaystyle \nabla \cdot {\overrightarrow {B}}=0,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;}$ Закон Гаусса для магнетизма

где

${\displaystyle {\overrightarrow {E}}=[V/m]-\;\;\;\;}$ Напряженность электрического поля (в системе СИ - [В/м])

${\displaystyle {\overrightarrow {H}}=[A/m]-\;\;\;\;}$ Напряженность магнитного поля (в системе СИ - [A/м])

${\displaystyle {\overrightarrow {B}}=[Wb/m^{2}]-\;\;\;\;}$ Магнитная индукция (в системе СИ - [Вб/м²])

${\displaystyle {\overrightarrow {D}}=[C/m^{2}]-\;\;\;\;}$ Электрическая индукция (в системе СИ - [Кл/м²])

${\displaystyle {\overrightarrow {J}}=[A/m^{2}]-\;\;\;\;}$ Плотность электрического тока (в системе СИ - [А/м²])

${\displaystyle \rho =[C/m^{3}]-\;\;\;\;}$ Плотность стороннего электрического заряда (в системе СИ - [Кл/м³])

В свою очередь, напряженность магнитного поля и магнитная индукция связаны соотношением:

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

где

${\displaystyle {\overrightarrow {M}}=[A/m]-\;\;\;\;}$ Намагниченность (в системе СИ - [А/м])

${\displaystyle \mu _{0}=4\pi \times 10^{-7}[H/m]-\;\;\;\;}$ магнитная постоянная (в системе СИ - [Гн/м])

Электрическая индукция и напряженность магнитного поля связаны соотношением:

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

где

${\displaystyle {\overrightarrow {P}}=[C/m^{2}]-\;\;\;\;}$ Вектор поляризации (в системе СИ - [Кл/м²])

${\displaystyle \varepsilon _{0}=1/(\mu _{0}c^{2})\approx 8.85\times 10^{-12}\times 10^{-7}[F/m]-\;\;\;\;}$ электрическая постоянная (в системе СИ - [Ф/м])

${\displaystyle c=299792458[m/s]-\;\;\;\;}$ Постоянная скорости света (в системе СИ - [м/с])

Анализ целостности сигналов

Анализ целостности сигналов можно условно разделить на 3 этапа — анализ кристалла микросхемы, корпуса микросхемы, печатной платы. Проблемы, возникающие на этих этапах, зачастую схожи, но существует ряд принципиальных особенностей, которые не позволяют эффективно анализировать кристалл, корпус и печатную плату в рамках единого САПР (EDA), но ведущие разработчики САПР ведут работы для возможности интеграции этих процессов. На сегодняшний день чаще всего отдельно анализируется кристалл и корпус, а затем данные анализа в виде поведенческих моделей IBIS импортируются в САПР для анализа печатных плат. Стоит отметить, что при таком маршруте проектирования невозможно точно проанализировать все проблемы, которые могут возникнуть в кристалле и в корпусе, особенно, при взаимодействии микросхемы с печатной платой (из-за неидеальности систем заземления и питания, возможных наводок от других микросхем на плате), но получение точных моделей кристалла на транзисторном уровне, таких как SPICE-моделей чаще всего является невозможным, так как это является объектом коммерческой тайны производителя. В том случае, когда производитель микросхем сам пытается тестировать свои кристаллы в готовых изделиях, то он сталкивается с проблемой необходимости использования огромных вычислительных ресурсов. На каждом из перечисленных этапов анализ целостности сигналов можно разделить на предтопологичесский (pre-layout) и посттопологический (post-layout) анализ.

Основные проблемы целостности сигналов

Меры по обеспечению целостности сигналов

Применение

См. также

• Радиотехника
• Электротехника
• Электроника (радиоэлектроника)

Ссылки

• Howard Johnson, High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic ISBN 0133957241
  • Г. Джонсон, М. Грэхэм, Конструирование высокоскоростных цифровых устройств. Начальный курс черной магии
• Howard Johnson, Martin Graham. High-speed signal propagation : advanced black magic. — Upper Saddle River, New Jersey : Prentice Hall PTR, 2002. — ISBN 0-13-084408-X.
  • Г. Джонсон Высокоскоростная передача цифровых данных: высший курс черной магии
• Basic Principles of Signal Integrity
• История развития целостности сигналов глазами Дугласа Брукса