استفاده از ابزارهای شبیه سازی برای پیش بینی رفتار سیگنال با سرعت بالا

نقش حیاتی شبیه سازی در الکترونیک با سرعت بالا

طراحی مدارهایی که در نرخ داده های چند گیگابایتی کار می کنند، نیاز به درک دقیق رفتار الکترومغناطیسی دارد. یکپارچگی سیگنال (SI) موضوعاتی مانند انعکاس، crosstalk و پرش زمین به راحتی می تواند عملکرد را کاهش دهد یا باعث خرابی سیستم کامل شود.

چالش های صداقت سیگنال

در فرکانس های بالا، خطوط انتقال متوقف می شود سیم های ساده است.هر وقفه ی ناتوانی - چه از طریق، کانکتورها، یا خم شدن - انعکاسهایی ایجاد می کند که شکل پالس را تغییر می دهد.تیمینگ حاشیه ها کوچک می شوند و حتی چند پیک ثانیه از انحراف می تواند باعث خطا شود.

الکتروماتیک و Crosstalk

سیگنال های سریع بالا انرژی را به طور بالقوه در مدارهای نزدیک یا محدودیت های گازهای گلخانه ای ضعیف دخالت می کنند. Crosstalk زمانی رخ می دهد که یک مهاجم انرژی را به خطوط قربانی از طریق خازن متقابل یا استنتاج متقابل تقسیم می کند. شبیه سازی موج 3D می تواند توزیع های میدانی را نقشه برداری کند و مسیرهای اتصال را شناسایی کند که در ابزارهای 2D نامرئی هستند. این اجازه می دهد تا طراحان برای تنظیم مسیریابی، اضافه کردن یا انتخاب مواد با از دست دادن آن.

ابزارهای شبیه سازی کلیدی و قابلیت های آنها

مهندسان دسترسی به طیف وسیعی از محیط های شبیه سازی دارند، هر کدام برای جنبه های مختلف تجزیه و تحلیل سیگنال با سرعت بالا بهینه شده اند. انتخاب ابزار مناسب بستگی به محدوده فرکانس، پیچیدگی ساختار و نوع تجزیه و تحلیل مورد نیاز دارد.

SPICE برای تجزیه و تحلیل گذرا و آنالوگ

SPICE (برنامه تنظیم با تاکید مدار یکپارچه) همچنان ستون فقرات شبیه سازی در سطح مدار برای طرح های با سرعت بالا است. انواع مدرن مانند HSPICE، LTspice و PSpice از مدل های رفتاری برای رانندگان و گیرنده ها، مدل های خط انتقال (W-element)، و شبیه سازی آماری برای تجزیه و تحلیل لینک. SPICE در شبیه سازی زمان-تر، ارزیابی راه اندازی ایده آل، و تجزیه و تحلیل حاشیه ای، و تحلیل حاشیه ای، و تجزیه و تحلیل.

برای یک بررسی اجمالی از قابلیت های SPICE، ببینید Synopsys SPICE .

حل کننده های الکتروموتور کامل: HFSS و CST

هنگامی که طول موج سیگنال با اندازه های ویژگی قابل مقایسه است، مدل های سطح مدار از هم جدا می شوند. حل کنندگان موج کامل مانند Ansys HFSS و CST Studio Suite معادلات ماکسول را به طور مستقیم در فضای 3D با استفاده از روش عنصر محدود (FEM) یا تکنیک یکپارچه سازی محدود (FIT) حل می کنند.این ابزارها پیش بینی دقیق از (FLT:0Spara-parameters [F:1، و سیستم های فعلی، و توزیع اتصال و اتصال های فعلی را ارائه می دهند.

به عنوان مثال، HFSS به طور گسترده ای برای طراحی رابط های اتصال با سرعت بالا و بسته های IC استفاده می شود. Readers می تواند صفحه رسمی (FLT:0) Ansys HFSS محصول را برای جزئیات بیشتر بررسی کند.

شبیه سازی سیستم-Level با ADS

سیستم طراحی پیشرفته Keysight (ADS) شکاف بین مدار و شبیه سازی سیستم را هماهنگ می کند.این شامل شبیه سازی کانال برای پیوندهای طولانی مدت، اتصال الکترونی (EM) ترکیب، و یک کتابخانه جامع از مدل های مبتنی بر استانداردها (PCIe، DDR، USB-C) است که از هر دو پاکت مدار و شبیه سازی DF (داده جریان) برای تنظیم، سیگنال های مورد علاقه و طراحی سیگنال های صوتی پشتیبانی می کند.

خواندن بیشتر در برنامه های ADS از صفحه ADS (FLT:1) در دسترس است.

چگونه شبیه سازی ابزار رفتار سیگنال

موتورهای شبیه سازی به انتزاع ریاضی از واقعیت فیزیکی متکی هستند. درک تکنیک های اساسی به مهندسان کمک می کند تا به درستی آنها را اعمال کنند.

زمان-Domain در مقابل تجزیه و تحلیل فرکانس-Domain

شبیه سازی های زمان- دامنه (به عنوان مثال، SPICE) ولتاژ محاسبه و جریان به عنوان یک تابع از زمان. آنها دستگاه های غیر خطی مانند ترانزیستورها را اداره می کنند و برای شبیه سازی چشم-دیگرام و تجزیه و تحلیل متنوع دامنه (به عنوان مثال HFSS) پاسخ سیستم را در فرکانس های مجزا و سپس سنتز نتایج باند از طریق منطقی یا مناسب در دستگاه های شبیه سازی مدرن - حل فرکانس زمان فعال و فرکانس های ارائه می کنند.

ویژگی های مواد و دقت مدل

مواد واقعی نشان دهنده رفتار وابسته به فرکانس: ثابت دی الکتریک (Dk) و از دست دادن اسباب بازی (Df) تغییر با فرکانس، دما و رطوبت است. شبیه سازی تنها به اندازه مدل های مواد تغذیه شده در آن دقیق است. ابزارهای پیشرفته شامل FLT:0 باند در سراسر باند د خداحافظی قطب- صفر مدل برای گرفتن این تغییرات سخت، و پیش بینی بافت مایع من همچنین می تواند اثرات قابل توجهی در آنها را در فرکانس های قابل توجه در آنها را در فرکانس های درجه یک ذره ذره ذره ذره ذره ذره ذره ذره ذره ذره ذره ذره ذره ذره ذره ذره ذره ای در آنها را در آنها قرار دهد.

جریان کار عملی برای شبیه سازی با سرعت بالا

یکپارچه سازی شبیه سازی در جریان طراحی نیازمند برنامه ریزی دقیق و اعتبار است. مراحل زیر نشان دهنده یک روش معمول مورد استفاده در صنعت است.

تنظیم محیط شبیه سازی

[در این باره]، [در این باره]، [[۱]]، [۱] [۱] [۱]: شامل قدرت خروجی راننده، خازن ورودی گیرنده و همه ارتباطات است.
[FLT 1] انگل های ردیابی [FLT 1]: استفاده از حل کننده های میدان مغناطیسی برای تولید S-parameters یا مدل های پیاده سازی برای رد و شتم، از طریق و کانکتور.

خواص مواد کالیبره: وارد کردن Dk و Df مقادیر اندازه گیری شده و یا استفاده از مقادیر استاندارد از پایگاه داده فروشنده PCB.

اهداف شبیه سازی تنظیمات : اندازه کمی، تحمل تیره، ماسک چشم و ارتفاع چشم / اهداف پهنای باند.

[[۱] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱]: [۱] [۱۰] [۱]]: تجزیه و تحلیل های گذرا را برای یک توالی به اندازه کافی طولانی انجام دهید (به عنوان مثال، ۱۰ [ [[۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [[۳] [۳]] [۳] [۳] [۳] [۱]] [۱] [۳]]] [۱] [۳] [۳] [۳] [۳]]]]]]] [۳]]]]] [۳] [۳] [۳] [۱] [۳] [[[[[[۳]]]]]]]]] [۳]]]]]]]] [[[[[[[[[[[[[۳]]]]]]]]]]]]]]]]] [۳]]]] [۳] [[[[[[[[[[[[[۳]]]]]]]

تفسیر نتایج و بهینه سازی

ابزارهای پردازش پس از نمودار چشم، منحنی های وان و نرخ خطای آماری (BER) خطوط چشم بسته نشان می دهد که پیوند احتمالا شکست می یابد. مهندسین سپس متغیرهایی مانند عرض ردیابی، از طریق پارامترهای ضد پد، یا مقادیر مقاومت معکوس را تنظیم می کنند.

مزایای شبیه سازی اولیه

شبیه سازی قبل از تولید سه مزیت اصلی:

کاهش ارزش : پیدا کردن یک مشکل یکپارچگی سیگنال در شبیه سازی قبل از حد، چند دقیقه اضافی از زمان محاسباتی هزینه می کند.مشکل مشابهی که پس از ساخت هیئت مدیره یافت می شود ممکن است نیاز به یک نمونه اولیه جدید برای هزینه هزاران یا ده ها هزار دلار باشد.

اعتماد به نفس طراحی : مهندسان می توانند توپولوژی پیشنهادی و انتخاب های جزء را در زیر بدترین فرایند و گوشه های دما، کاهش خطر شکست های میدانی تایید کنند.

] : با حذف غیر ضروری نمونه برداری، تیم ها می توانند به طور مستقیم به یک هیئت مدیره کار اول یا یک طراحی نزدیک به بهینه سازی حرکت کنند.

برای بحث دقیق درباره بازگشت سرمایه گذاری در شبیه سازی یکپارچگی سیگنال، به این مقاله اشاره کنید

محدودیت ها و ملاحظات

هیچ ابزار شبیه سازی یک توپ کریستال کامل نیست. مهندسان باید از مشکلات رایج آگاه باشند:

وفاداری مدل در مقابل زمان اجرا : شبیه سازی کامل 3D EM از یک مادربرد کامل ممکن است به طور محاسباتی ممنوع باشد.

] [FLT 1: 1 ] برخی از ابزارها اثرات نزدیکی را نادیده می گیرند (به عنوان مثال، استنتاج داخلی در فرکانس های بالا) یا فرض شبکه های تحویل قدرت ایده آل مگر اینکه به طور واضح مدل شده باشد.

مهارت کاربر : تنظیم شرایط مرزی، چگالی محتوا و دقت حل کننده نیاز به تجربه دارد.یک شبیه سازی ضعیف پیکربندی می تواند نتایجی را تولید کند که قابل قبول به نظر می رسد اما به طور جدی نادرست است.

اعتبار همچنان ضروری است: نتایج شبیه سازی با داده های اندازه گیری از بازتاب سنج های زمانی (TDR) یا تحلیل کنندگان شبکه بردار (VNA) برای ایجاد اعتماد در مدل.

آینده شبیه سازی با سرعت بالا

از آنجایی که نرخ داده ها بیش از 224 گیگابیت در ثانیه (هدف برای PCIe 7.0)، توسعه دهندگان ابزار شبیه سازی الگوریتم های یادگیری ماشین را برای سرعت بخشیدن به حرکت پارامتر و پیش بینی رفتار اتصال از هندسه به تنهایی، ترکیب سیستم عامل های شبیه سازی مبتنی بر ابر اجازه می دهد تا تیم ها به دسترسی به منابع محاسباتی با کارایی بالا بر روی تقاضا، چندفیزیک، ترکیب - تحریک تعامل، حرارتی و اثرات مکانیکی - تبدیل شدن به دلیل مقاومت در برابر تغییرات مواد فعلی است.

یکی دیگر از روند در حال ظهور استفاده از دوقلوهای دیجیتال برای کل سیستم ها است.یک دوقلو دیجیتال مدل های شبیه سازی را با داده های سنسور زمان واقعی ادغام می کند تا به طور مداوم عملکرد را در طول چرخه عمر محصول تأیید کند.این مفهوم هنوز هم در حال بلوغ است، اما وعده می دهد تا حلقه بین طراحی، تولید و عملیات را ببندد.

نتیجه گیری

پیش بینی رفتار سیگنال با سرعت بالا از طریق شبیه سازی دیگر اختیاری نیست - این یک رشته هسته ای در طراحی مدرن الکترونیک است.از تجزیه و تحلیل های گذرا SPICE به حل کنندگان کامل موج 3D EM، هر ابزار بینش منحصر به فرد در مورد یکپارچگی سیگنال، EMI و زمان بندی عملکرد را فراهم می کند.