A nagysebességű áramkörtervezés három fontos szempontja

A nagysebességű elektronikus rendszerek tervezése esetén a NyÁK-vezetősávok nem egyszerű „összekötő huzalok”, hanem késleltetésükkel, hullámimpedanciájukkal, sugárzásukkal és sugárzásérzékenységükkel a végtermék minőségét alapjaiban befolyásoló alkatrészei az áramköröknek. A korszerű NyÁK-tervező szoftverek e tulajdonságokat is tervezhetővé és optimalizálhatóvá teszik.

Bevezetés

A nagysebességű buszok, mint a PCI-Express, DDRx és a soros ATA néha GHz-nél is nagyobb frekvenciákon működnek, ami más kihívások mellett szigorú időzítéseket is követel. A kisebb és olcsóbb termékek iránti növekvő igény egyre sűrűbb rajzolatokat eredményez. A nagysebességű NyÁK-ok minőségi tervezésekor mindezeket a tényezőket szükséges figyelembe venni, melyeknek az alábbi három fő problematikus területe van:
Jelminőség: túllövés, alullövés, lecsengés és a nemlineáris viselkedés. Ezek károsíthatják a vevőt vagy adatátviteli hibát okozhatnak.
Időzítés: lezárások, a vevőoldali terhelés, illetve a huzalozási hosszak és impedanciák hatásai, melyeket szigorúan kezelni kell NyÁK-szinten.
Áthallás: az egyik vezető által a másikban akaratlanul létrehozott zaj. Mind a jelminőséget, mind az időzítést befolyásolja.

Ezek elemzésével javítható a termék megbízhatósága és minősége, illetve a „mi lenne, ha” (what-if) esetek vizsgálata, valamint ezek alapján a huzalozási szabályok meghatározása is. Az elektronikai tervezési követelmények teljesülése a kész huzalozás ellenőrzésével érhető el. Ugyanakkor az elemzések nyomán döntéseket hozhatunk a huzalozás hosszára, topológiájára, szigetelési távolságára és az alkatrész-pozíciókra, továbbá a NyÁK-lap rétegfelépítésére, a rézfelületek méretezésére és a vezetősávok vastagságára vonatkozóan. 

Jelminőség

A digitális logika az adatokat 1-esek és 0-ák sorozatára redukálja, amelyeket magas és alacsony feszültségszintekkel jelenítünk meg. Ahhoz, hogy egy vevő meg tudja állapítani, hogy a feszültség 1-et vagy 0-t jelent, az adott feszültségnek a vevő logikai küszöbértékei felett vagy alatt kell lennie. Továbbá a feszültség nem haladhatja meg a vevő határértékeit, mert sérülne a jelalak, ezért visszaverődési és túllövési szabályok kialakítására van szükség.
Ha csak egy adót és egy vevőt kötünk össze lezárás nélkül, az eredmény az 1. ábra bal oldalán látható hullámformához hasonlít; mind a visszaverődésre, mind a túllövésre vonatkozó követelményeket megsérti. A hullámforma 1 V-ot meghaladó negatív túllövést mutat, a visszaverődés 0,8 V-os, amely a logikai 0-szint megengedett maximális feszültsége. Ha az áramkört így építenék fel, hibás lenne az adatáramlás.

1. ábra Egy átviteli szakasz viselkedése eredeti (bal) és a tizenötről három centiméterre lerövidített huzalozási hossz (jobb) esetén. Pirossal jelölve látható az adóoldali, zölddel a vevőoldali jelalak

A digitális jelek megtisztításának egyik módja, ha a bekötés hosszát jelentősen lecsökkentjük, jóval rövidebbre, mint amit a jelterjedési sebesség és a visszaverődések együttes hatása megkövetel. Ez látható az 1. ábra jobb oldalán. Ez azonban csak néhány centiméteres vezetősávhossz esetén működne, ami a legtöbb esetben nem megvalósítható. A jelek megtisztításának másik módja, hogy a vevő és a meghajtó impedanciájához illeszkedő lezárásokat alkalmazunk. Ezzel korlátozhatók a túllövéseket és a lecsengési hibákat okozó visszaverődések. Lezárás alkalmazásával a huzalozás hossza rugalmasabban állítható, és tisztul a jel.
A lezárási értékek busztervezési irányelvekből átvehetők, vagy – ezek hiányában – analízissel határozhatók meg. A PADS-be integrált, nagy teljesítményű HyperLynx-technológia a „lezárás-varázslóval” (Termination Wizard) hozza közelebb a megoldást. A teljes huzalozási topológia vizsgálatával képes automatikusan megállapítani az ideális lezárási értékeket. A nyomvonalak hossza és azon belül a lezárás optimális helye a szimulációs eredmények elemzésével állapítható meg, mind az egyedi jelekre, mind a teljes topológiára vonatkozóan. Erre mutat példát a 2. ábra.

2. ábra Lezárással javított jelalak

Időzítés

A legtöbb vezetősáv maximális hosszát az időzítési követelmények határozzák meg. Ezek eredete, hogy az adatok megadott időközönként érkeznek be a vevőbe. Ha az adat nincs jelen az időzítés által előírt pillanatban, a rendszer nem működik.
A buszok közös vagy szinkronizált órajellel működhetnek, amely kétféle huzalozási korlátozást eredményez: a hosszúság minimális és maximális értékét és a vezetőhosszak kiegyenlítését. Példa erre a PCI-busz, ahol az adatok közös órajel használatával lépnek ki az adóból, majd lépnek be a vevőbe. Hogy az adatbitek ne érkezzenek túl korán, vagy ne érjék el a várakozási idő maximumát, minimumhossz-korlátozás szükséges. Ugyanígy ahhoz, hogy az adat ne érkezzen túl későn, maximumhossz-korlátozást kell bevezetni. Ezenkívül közrejátszanak a vevők terhelései és más jelminőséget befolyásoló problémák is. Ezek meghatározzák, hogy az adó adatai mikor érvényesek a vevőn, ezért a pontos jelanalízis kulcsfontosságú a vezetékhosszak pontos kiszámításánál.
A szinkronizált buszok egy órajelet vagy érvényesítő jelimpulzust küldenek az adattal együtt a vevőre. Ez kiküszöböli a bonyolult időzítési szinkront a meghajtó és a vevő között, és mindössze az érvényesítő jel és az adat időbeni illeszkedése szükséges. Ezeknél a csatolófelületeknél a jelminőség is befolyásolja az adatáramlást. A fő korlátozás itt az illesztett késleltetés (matched delay, az adat- és engedélyezőjel egyidejűségére vonatkozó előírás), amely még szigorúbbá válik a sebesség növekedésével.

Áthallás

Ugyancsak fontos kérdés a vezetősávok közötti távolság, amelyet a jelek között fellépő áthallás megengedett mértéke határoz meg. Hatással van rá pl. a meghajtó oldal jelemelkedési sebessége, a NyÁK-lap rétegfelépítése, a vezetősávok párhuzamossága és távolsága. Az áthallás befolyásolja a jelminőséget és az időzítést is, mértéke pedig szimulációval határozható meg, melyre a 3. ábra mutat példát.

3. ábra Áthallásanalízis a PADS Standard PLUS- és Professional-verziókban

Az áthallásvizsgálat egy zavart és két sugárzó vezető között történik. Több sugárzó is bevehető a számításba, de az áthallások 95%-át a két legközelebbi huzal sugárzása okozza. Az áthallás elfogadható szintre állítható be a vevő és az adó modelljének vagy a NyÁK-lap rétegfelépítésének változtatásával. Ezenkívül módosítható a nyomvonalak párhuzamosan futó szakaszának hossza, és a szimulációt követően megtekinthető a változtatások hatása, melyből a nyomvonalak közötti távolsági szabály meghatározható.
Ha a távolsági szabály nem teljesíthető, vagy a huzalozásban nagyobb rugalmasság szükséges, létrehozható szigorúbb távolsági és párhuzamossági szabály, mely az áthalláselemzés után igény szerint módosítható.

Huzalozás utáni ellenőrzés

Ha az összes huzalozási szabályt meghatároztuk, és ezek betartásával a teljes áramkör huzalozása elkészült, hasznos lehet az áramkör visszaellenőrzése, hogy valóban megfelel-e a kiindulási követelményeknek. Ezt egy – a teljes áramkörre vonatkozó – huzalozás utáni ellenőrzéssel végezhetjük el.
A 4. ábrán látható a huzalozott NyÁK-on PADS HyperLynx-szel futtatott szimuláció eredménye, amely során a végső eredmény összevethető a tervezett túllövési, késleltetési és áthallási követelményekkel. Ha a vezetősávok bármely ponton bármely szabályt megsértik, a vezetők egyenként részletesen is megvizsgálhatók.
A huzalozás utáni analízis kiválóan egészíti ki a tervezés korábbi szakaszában végzett huzalozás előtti és a „mi lenne, ha” esetek elemzését. Ilyen típusú elemzések és ezek eredményeként létrejövő korlátozások híján nem lehetne napjaink költség-, méret- és teljesítménykövetelményeinek megfelelő, modern digitális rendszereket tervezni.

4. ábra A huzalozásanalízissel ellenőrizhető a megfelelés a nagysebességű követelményeknek

Miben segíthet a PADS?

A PADS azzal kínál versenyelőnyt a mérnököknek, hogy felkínálja az elektronikai tervezéskor felmerülő kihívások megoldásához szükséges eszközöket. A PADS segítségével gondoskodhat a megfelelő minőségről és megbízhatóságról a teljes tervezési ciklus folyamán, a blokkvázlattól a gyártásig. Válassza az igényeihez és költségvetéséhez legjobban illeszkedő konfigurációt, hogy az elektronikai termékek tervezéséhez, ellenőrzéséhez és gyártásához szükséges teljesítmény álljon a rendelkezésére olyan egyszerű kezelőfelülettel, mellyel még a hobbi- vagy alkalmi felhasználók is a gyorsan dolgozhatnak. A globális nagyvállalati ügyfelek, a több Gbit/s-os sebességű SERDES^[1], illetve az EMI/EMC és villamos tervezési szabályok kihívásaival dolgozó ügyfelek számára is léteznek megoldások.

^[1] Ha sok egyidejű jelet kell továbbítani két elektronikus részegység között, és ehhez csak kevés I/O-csatlakozópont és átviteli vezeték áll rendelkezésre, a jeleket mintavételezve, nagy sávszélességű soros adatátvitellel lehet továbbítani, majd egy megfelelő részegységgel az eredeti formájában helyreállítani. Erre használatosak a SERDES-áramkörök (SERializer-DESerializer) – A szerk. megj.

Pál Gergely – EDMD Solutions Kft.
 

EDMD Solutions Kft.
1087 Budapest, Könyves Kálmán krt. 76.
Tel.: +36 1 461 9000
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Web: www.edmd.hu

Még több EDMD Solutions

Címkék: PADS | NyÁK tervező