CAD in Rete: Signal Integrity

Sul blog di Elettronica Open Source puoi leggere non solo tutti gli articoli Premium riservati agli abbonati Platinum 2.0 e inseriti nella rivista Firmware 2.0 (insieme ad articoli tecnici, progetti, approfondimenti sulle tecnologie emergenti, news, tutorial a puntate, e molto altro) ma anche gli articoli della Rubrica Firmware Reload. In questa Rubrica del blog abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi evergreen per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. In diversi articoli su Elettronica Open Source abbiamo illustrato vari programmi destinati alla caratterizzazione di un PCB. Le cose invece cambiano quando si cerca qualcosa destinato alle valutazioni di “Signal Integrity”. Si scopre allora che… non proprio tutto è disponibile in Internet!

Abbiamo visto in un precedente T&T come siano disponibili in rete vari programmi con i quali è possibile studiare, caratterizzare e mettere a punto la rete di distribuzione di alimentazione di un PCB (vedi Riferimento 1).

Figura 1: Analisi della composizione armonica di una forma d’onda

Anche se funzionalità e prestazioni sono notevolmente ridotte rispetto ad un programma commerciale, tali programmi si rivelano utili per farsi almeno un’idea nei casi più semplici. Abbiamo visto come questi benefici si paghino in termini di lavoro e tempo necessari alla configurazione della simulazione. La situazione è invece notevolmente diversa per quanto riguarda programmi a supporto di attività di “Signal Integrity”. Un’analisi Signal Integrity vede anzitutto l’importazione del circuito stampato a partire dai file di progettazione di uno dei tanti programmi di layout disponibili. Il database necessario alla simulazione viene poi completato con i parametri elettrici e fisici degli strati del circuito stampato e di tutti i componenti interessati alla sezione da simulare. Occorre poi associare modelli dei driver e receiver, ad esempio in formato IBIS, e definire i punti di osservazione (port). Il simulatore si occupa poi di tutti i complessi calcoli che servono a determinare la risposta elettrica e/o elettromagnetica, nei punti di osservazione desiderati, della struttura fisica in esame. Qualora siano presenti connettori, cavi o altri circuiti stampati, è possibile aggiungerli all’ambiente di simulazione come modelli a parametri concentrati (SPICE), oppure come parametri di diffusione (matrice S-Parameters). A complicare ulteriormente le cose, le moderne interfacce veloci richiedono di considerare l’effetto dell’alimentazione sulla qualità del segnale, realizzando quindi una simulazione mista power/signal.

Il risultato della simulazione, tipicamente nel dominio del tempo, presenta le forme d’onda calcolate in risposta agli stimoli predeterminati, consentendo di verificare che tempi di salita e discesa, oscillazioni, distorsioni dei fronti, temporizzazione ed ampiezze, siano all’interno delle specifiche di funzionamento dell’interfaccia sotto analisi. A conoscenza dell’autore al momento non esistono programmi freeware con prestazioni simili a quanto descritto. Esistono però vari programmi che affrontano con taglio didattico specifici argomenti, rivelandosi utili come supporto nello studio della comprensione di problematiche di SI. Tipicamente questi programmi sono sviluppati dai principali esperti del settore, inizialmente per uso personale o a supporto dei corsi da loro sviluppati, successivamente resi disponibili sul sito Web. In questo articolo vedremo una panoramica di alcuni di tali programmi. Questo ci offrirà anche l’occasione di entrare in contatto con personalità molto note nel mondo SI, impegnati in attività di consulenza, approfondimento e diffusione delle tecnologie connesse, persone delle quali è utile seguire le attività, almeno via Web. I personaggi che visiteremo sono anche autori di libri molto utili per l’introduzione a vari livelli all’interessante e complesso mondo SI. Iniziamo il nostro viaggio visitando il sito di Mr. Douglas Brooks, UltraCAD (vedi Riferimento 2).

Figura 2: Calcolo delle prestazioni di uno schermo

Douglas è autore di alcuni libri introduttivi particolarmente chiari. In particolare “Signal Integrity Issues and Printed Circuit Board Design” contiene esempi commentati di simulazioni, utili sia a chi non abbia accesso ai tool relativi, sia a chi desideri una introduzione all’interpretazione dei risultati di alcune simulazioni di base. La sezione “Calculators and Tools” del sito Web contiene alcuni utili programmi, parte dei quali richiede il pagamento di una piccola cifra per ottenerne la licenza d’uso. Tra i programmi freeware troviamo “Ultra_ CT, Crosstalk Coefficient Calculator”. Questo programma calcola il coefficiente di diafonia (crosstalk) tra due tracce parallele in varie configurazioni. Il calcolo si può eseguire per tracce complanari o disposte ad altezze diverse sul piano di riferimento. Il significato del coefficiente di diafonia e le sue relazioni con le terminazioni delle linee parallele considerate nel calcolo, sono spiegati in un articolo disponibile sul sito stesso. Altri programmi soggetti a licenza comprendono un calcolatore delle dimensioni delle tracce di PCB, in grado di tenere conto dell’effetto pelle e prossimità, un calcolatore per linee differenziali, un calcolatore dei coefficienti di Fourier. Quest’ultimo consente di analizzare alcune comuni forme d’onda, quali onde triangolari, trapezoidali, denti di sega, quadre, come composizione di armoniche di ampiezza di fase opportuna, come appunto previsto dal teorema di Fourier. L’esclusione di alcune armoniche permette di simulare l’effetto causato dalla trasmissione dell’onda attraverso un circuito con attenuazione dipendente della frequenza e rendersi conto degli effetti sulla qualità del segnale trasmesso. Da qualche tempo sul sito è anche possibile acquistare una serie di lezioni dettagliate in formato DVD, utili per acquisire le nozioni normalmente trasmesse nei seminari tenuti da Douglas Brooks in tutto il mondo. Un’altra miniera di informazioni ed utility è il sito Web di Istvan Novak, ben noto per le sue ricerche nel campo della power integrity. Il sito ha l’illuminante titolo “Electrical Integrity Signal Integrity + Power Integrity” (vedi Riferimento 3).

Figura 3: QUCS al lavoro, simulazione TDR (vedi Riferimento 6)

Il sito contiene vari strumenti per l’analisi di power integrity, quali calcolatori della frequenza di risonanza di piani paralleli e calcolatori dell’impedenza di condensatori reali in parallelo. Nella sezione “Tool Download” troviamo anche vari fogli di calcolo Excel dedicati più specificamente a problematiche di signal integrity. Ogni strumento, freeware, è completato da un foglio informazioni ed un foglio di riferimenti per approfondire. Troviamo un programma per calcolare in funzione della frequenza, impedenza, ritardo, capacità di resistenza, conduttanza per unità di lunghezza, relativi ad una interconnessione uniforme. Troviamo anche in questo caso uno strumento che calcola la composizione armonica di forme d’onda definite dell’utente con fronti di salita e discesa inseribili come parametro. Il foglio elettronico calcola anche l’ampiezza delle singole componenti armoniche. Un foglio successivo calcola l’effetto pelle, riflessione ed assorbimento di uno schermo elettromagnetico. Si segnala la pagina “Quiet Power”, la collezione di una serie di articoli molto interessanti scritti dal Dott. Novak su vari aspetti di signal e power integrity. Come si può vedere, finora abbiamo incontrato degli strumenti che lavorano su aspetti limitati e specifici delle problematiche di signal integrity. Nulla che abbia il respiro e la completezza dei flussi di lavoro introdotti all’inizio dell’articolo. Un livello di sofisticazione maggiore è possibile con un oculato uso di simulatori “SPICE like”. Abbiamo già brevemente introdotto QUCS in un precedente T&T (vedi Riferimento 5).

QUCS è un programma di simulazione SPICE freeware. Recentemente Eric Bogatin ne ha proposto l’uso come strumento didattico utile a ridurre la curva di apprendimento delle problematiche di signal integrity. Eric, autore a sua volta di vari testi, è l’inventore del celebre motto “be the signal”, divenuto titolo del suo sito Web (vedi Riferimento 4). Nell’articolo (indicato in Riferimento 6), Eric introduce QUCS a partire dalle basi, la sua reperibilità ed installazione. Eric richiama i limiti del processo di simulazione in generale ed enuncia il principio base “regola nove: non eseguire mai una simulazione o una misura senza avere anticipato cosa vi aspettate di vedere”. Dopo aver sottolineato come QUCS sia uno strumento di simulazione e non di estrazione di modelli, Eric presenta cinque esempi di applicazioni di QUCS nel settore di cui ci stiamo occupando in questo articolo. La prima è ancora una volta il calcolo dello spettro di un segnale di cui possiamo disegnare la forma d’onda. Segue una simulazione della misura di TDR (vedi Riferimento 7), Time Domain Reflectometry, utile per analizzare il comportamento di una linea di trasmissione in varie condizioni di terminazione della sua estremità remota. Ricordiamo brevemente che TDR si basa sul lancio di un fronte di salita molto ripido e sull’acquisizione della forma d’onda riflessa verso la sorgente.

Ogni discontinuità in impedenza della struttura sotto test produce una deviazione positiva o negativa nella forma d’onda acquisita, consentendo di determinarne la posizione fisica e l’ampiezza. Abbiamo poi un esempio di analisi dell’effetto delle terminazioni su una linea di trasmissione. Un circuito viene rappresentato in QUCS per pilotare tre linee di trasmissione. Una linea aperta priva di terminazione, una linea è dotata di terminazione serie ed una terminazione parallela sull'impedenza caratteristica della linea. In tutti e tre i casi si fa uso del modello di linea di trasmissione disponibile in QUCS ( come in molti altri simulatori SPICE). QUCS consente di calcolare e visualizzare la forma d’onda ottenuta nei tre casi di terminazione, evidenziando come non si abbiano distorsioni solo nel caso di terminazione su impedenza caratteristica. Il quarto esempio riguarda un analizzatore di impedenza dove un generatore di corrente pilota il circuito sotto test a frequenze crescenti consentendo di plottare direttamente l’impedenza in funzione della frequenza, qualora si utilizzi un generatore di corrente pari ad 1A, ottenendo così l’identità numerica tra tensione calcolata ed impedenza. Il quinto esempio, concettualmente simile al precedente, simula l’uso di un Network Analyzer per estrarre i parametri S di trasmissione e riflessione della rete sotto test, in questo caso di nuovo costituita dal modello di una linea di trasmissione di lunghezza prefissabile (vedi Riferimento 8). Mentre è utilizzabile un programma come QUCS, per analisi semplificate di sezioni di circuiti stampati, in virtù della presenza di modelli di linee di trasmissione, siamo certamente lontani dalla lettura diretta di un database PCB e relativa estrazione di un modello elettrico a partire dalla descrizione fisica delle strutture costituenti le interconnessioni. L’impostazione dei parametri delle linee di trasmissione in simulatori “SPICE-like” richiede esperienza ed una certa quantità di lavoro manuale. Occorre inoltre rilevare come le sole simulazioni non siano certamente sufficienti ad acquisire una solida conoscenza e competenza nel campo Signal Integrity.

Come avviene in tutti gli altri settori dell’ingegneria, la padronanza della teoria e la convalida continua e costante dei risultati attraverso misure sono gli altri ingredienti della costruzione del know-how necessario. A tal proposito si segnala il recente libro indicato in Riferimento 9. L’autore presenta una convincente serie di esperimenti eseguibili con attrezzature relativamente economiche ed in parte auto-costruite. L’intelligente scelta delle strutture sotto test e delle frequenze di operazione consente infatti di utilizzare un oscilloscopio relativamente economico per visualizzare le forme d’onda. Il testo non fa alcun uso di simulazioni, ma il lettore attento dovrebbe essere in grado di ricostruire la maggior parte degli esperimenti in ambiente QUCS costruendosi così una solida metodologia e visione delle problematiche signal integrity di base.