Simulaation kriittinen rooli korkea-nopeuksisessa elektroniikkajärjestelmässä

Suunnittelupiirejä, jotka toimivat multi-gigabitti datan nopeus vaatii tarkkaa ymmärrystä sähkömagneettista käyttäytymistä. Signaalin eheys (SI) kysymyksiä, kuten heijastuksia, ristipuhetta, ja maa pomppia voi helposti heikentää suorituskykyä tai aiheuttaa täydellinen järjestelmän vika. Fyysinen prototyyppien yksin ei enää riitä. Fyysinen prototyypin lauta pyörii ovat kalliita ja hitaita. Simulointi työkalut tarjoavat hallitun ympäristön ennustaa signaalin käyttäytymistä yli lämpötilan, prosessi, ja layout vaihtelut ennen sitoutumista valmistus.

Signaalin eheyshaasteet

Korkealla taajuudella siirtojohdot lakkaavat olemasta yksinkertaisia johtoja. Jokainen impedanssikatkos.Joko kautta, liittimet, tai jälkitaivutus luo heijastuksia, jotka vääristävät pulssin muotoja. Ajoitus marginaaleja kutistua, ja jopa muutama pikosekuntia kiemura voi aiheuttaa bittivirheitä. Simulointi mahdollistaa insinöörit mallintaa näitä vaikutuksia käyttäen S-parametrit, TDR-analyysit ja silmä-diagrammimittaukset, joiden avulla he voivat virittää liityntäverkkoja ja pino-up malleja.

Sähkömagneettinen häiriö ja ristituoli

Suurnopeussignaalit säteilevät energiaa, mahdollisesti häiritsevät lähipiirien tai vika-asetukset päästörajoja. Ristiintalk tapahtuu, kun hyökkääjälinjat pari energiaa uhrilinjoille kautta molemminpuolinen kapasitanssi tai induktanssi. Täysiaalto 3D simulointi voi kartoittaa kenttäjakeluja ja tunnistaa kytkentäpolut, jotka ovat näkymättömiä 2D-työkaluilla. Näin suunnittelijat voivat säätää reititystä, lisätä suojausta tai valita materiaaleja, joissa on vähemmän hävikkitangentteja.

Avainsimulointityökalut ja niiden kyvyt

Insinöörit pääsevät erilaisiin simulaatioympäristöihin, joista jokainen on optimoitu suurnopeussignaalianalyysin eri osa-alueisiin. Oikean työkalun valinta riippuu taajuusalueesta, rakenteen monimutkaisuudesta ja tarvittavasta analyysityypistä.

Väliaikaväli ohimenevälle ja analogiselle analyysille

SPICE (Simulointiohjelma integroidulla piirillä korostaa) on edelleen runko piiritason simulaation suurnopeusmalleja varten. Modernit vaihtoehdot kuten HSPICE, LTspice ja PSpice tuki käyttäytymismalleja kuljettajille ja vastaanottimille, siirtolinjamallit (W-elementti), ja tilastollinen simulointi linkkianalyysi. SPICE erinomainen ajankohtainen transientti simulointi, mikä tekee siitä ihanteellisen jitter, nousu-aika heikkeneminen, ja asennus/pidätys marginaaleja.

Jos kyseessä on kurautettu katsaus SPICE-ominaisuuksiin, ks. [Synopsy SPICE-katsaus [.

Täysimittaiset sähkömagneettiset ratkaisut: HRSS ja CST

Kun signaalin aallonpituudet tulevat vertailukelpoisiksi ominaiskokoihin, piiritason mallit hajoavat. Täysiaaltoratkaisijat kuten Ansys HFSS ja Dassault. CST Studio Suite ratkaisee Maxwell... suoraan 3D-avaruudessa olevat yhtälöt käyttäen finiittisen elementtimenetelmän (FEM) tai finiittisen integroinnin tekniikkaa (FIT). Nämä työkalut antavat tarkan ennusteen [S-parametrien , säteilyn kuvioiden ja virtajakauman liittimille, paketeille ja PCB-rakenteille.

Esimerkiksi HFSS:ää käytetään laajasti nopeiden liitinliittymien ja IC-pakettien suunnittelussa.Lukijat voivat tutustua viralliseen []Ansys HRSS:n tuotesivulle[ lisätietoja varten.

Järjestelmätason simulointi ADS:n kanssa

Avainnäkymä. Advanced Design System (ADS) silaa piirin ja järjestelmän simulaation välistä kuilua. Siihen kuuluu Channel Simulator pitkän matkan linkeille, ElectroMagneettinen (EM) simulaatio ja kattava standardipohjaisten mallien kirjasto (PCIe, DDR, USB-C). ADS tukee sekä piirikuoren että DF (Data Flow) simulaatiota moduloitujen signaalien, joten se on suosikki SerDes suunnittelu ja signaalin eheys merkki pois.

Lisätietoja ADS-sovelluksista on saatavilla Avainnäkymä.

Miten simulointityökalut Malli Signaalin käyttäytyminen

Simulointimoottorit luottavat fyysisen todellisuuden matemaattisiin abstraktioihin. Perustekniikkojen ymmärtäminen auttaa insinöörejä soveltamaan niitä oikein.

Aika-alue- ja taajuusanalyysi

Aika-verkkosimulaattorit (esim. SPICE) laskevat jännitettä ja virtaa ajan funktiona. Ne käsittelevät epälineaarisia laitteita, kuten transistoreita, ja ovat välttämättömiä silmä-diagrammin simulaation ja jitter-analyysin kannalta. Taajuus-verkkoratkaisijat (esim., HFSS) laskevat järjestelmän vasteen erillisillä taajuuksilla ja syntetisoivat sitten laajakaistatulokset rationaalisen asennuksen tai käänteisen FFT:n avulla. Monet nykyaikaiset työkalut tarjoavat hybridisimulaation.

Materiaaliominaisuudet ja mallin tarkkuus

Real-world-materiaaleilla on taajuusriippuvainen käyttäytyminen: dielektrinen vakio (Dk) ja tappiontangentti (Df) muutos taajuuden, lämpötilan ja kosteuden kanssa. Simulaatio on vain yhtä tarkka kuin siihen syötetyt materiaalimallit. Edistyneet työkalut sisältävät []wideband Debye-nollamallit[] kaapata nämä vaihtelut. Pintakarheus, kuparin rakenne ja lasi-hiekka vaikutukset tulevat merkittäviksi myös milliaaltotaajuuksilla. Niiden huomiotta jättäminen voi johtaa 20% tai suurempiin virheisiin insertointihäviöennusteissa.

Käytännön työnkulkua nopealle simuloinnille

Simulaation integrointi suunnitteluvirtaan edellyttää huolellista suunnittelua ja validointia. Seuraavat vaiheet edustavat teollisuudessa käytettyä tyypillistä menetelmää.

Simulaatioympäristön luominen

  1. Määritellään sähköinen verkkoluettelo[: Sisältäen ajurin ulostulon impedanssin, vastaanottimen tulokapasitanssin ja kaikki yhdysjohdot.
  2. Ota loisaineet[: Käytä sähkömagneettisia kentän ratkaisijoita tuottaaksesi S-parametrit tai W-elementti malleja jälkiä, kautta, ja liittimet.
  3. Kalfibraattimateriaaliominaisuudet[: Anna mitatut Dk- ja Df-arvot tai käytä PCB-myyjän tietokannasta saatuja vakioarvoja.
  4. Set simulaatiotavoitteet[: Määritä bittinopeus, jitterin sietokyky, silmänsuojain ja silmän korkeus/leveys.
  5. ]Ajan simuloinnit [: Tee transienttianalyysi riittävän pitkää bittisekvenssiä varten (esim. 106 bittiä) pahimman tapauksen symbolin välisen häiriön havaitsemiseksi.

Tulosten tulkinta ja optimointi

Jälkikäsittelytyökalut näyttävät silmäkaavioita, kylpyammekäyrät ja tilastollisen bittivirheen ääriviivat. Suljettu silmäkuvio osoittaa, että yhteys todennäköisesti epäonnistuu. Insinöörit sitten säätää muuttujia kuten jäljitysleveys, kautta antimattokoko, tai päätevastusarvot. Koska jokainen simulointi voi vaatia tuntikausia ajaa, modernit työkalut käyttävät [ rinnakkaista käsittelyä] ja Suunnittele koe (DoE) lakaista parametrit tehokkaasti.

Varhaissimulaation hyödyt

Simulaation käyttöönotto ennen ulkoasua tuottaa kolme pääasiallista etua:

  • Kohdevähennys[: Signaalin eheysongelman löytäminen ennen layout-simulaatiota maksaa muutaman minuutin lisäaikaa. Sama ongelma löytyy lautan valmistuksen jälkeen voi vaatia uuden prototyypin, joka maksaa tuhansia tai kymmeniä tuhansia dollareita.
  • Suunnittele luottamus[: Insinöörit voivat validoida ehdotetut tryptopologit ja komponenttivalinnat huonoimmassa tapauksessa prosessi- ja lämpötilakulmissa, mikä vähentää kentän vikojen riskiä.
  • ]Nopea aika markkinoille [: Poistamalla tarpeettomat prototyyppiiteraatiot tiimit voivat siirtyä suoraan ensimmäisen väylän työpöytään tai lähes optimaaliseen suunnitteluun.

Jos kyseessä on yksityiskohtainen keskustelu investoinnin tuotosta signaalin eheyden simuloinnissa, ks. EDN-artikkeli simulaatioeduista[.

Rajoitukset ja huomiot

Mikään simulointityökalu ei ole täydellinen kristallipallo. Insinöörien on pysyttävä tietoisia yhteisistä sudenkuoppia:

  • Malli uskollisuus vastaan ajoaika[: Koko emolevyn täydellinen 3D-EM-simulaatio voi olla laskennallisesti kohtuuton. hierarkkinen simulointi. Jos kriittiset verkot on mallinnettu 3D-muodossa ja loput 2D.
  • Kadonnut fysiikka[: Jotkut työkalut eivät piittaa läheisyysvaikutuksista (esim. sisäinen induktanssi suurilla taajuuksilla) tai olettavat ihanteelliset voimansiirtoverkot, ellei niitä ole nimenomaisesti mallinnettu.
  • Käyttäjän taito[: Rajaehtojen, silmätiheyden ja ratkaisijan tarkkuuden asettaminen edellyttää kokemusta. Huonosti määritetty simulointi voi tuottaa tuloksia, jotka näyttävät uskottavilta mutta ovat erittäin epätarkkoja.

Validointi on edelleen olennaista: korreloi simulaatiotulokset aika-alueen heijastusmittareiden (TDR) tai vektoriverkon analysaattoreiden (VNA) mittaustulosten kanssa luottamuksen rakentamiseksi malliin.

Korkean nopeuden simuloinnin tulevaisuus

Kun datan määrä ylittää 224 Gbps (PCIe 7,0:n tavoite), simulaatiotyökalukehittäjillä on käytössään koneoppimisalgoritmit, joilla nopeutetaan parametrien pyyhkäisyä ja ennakoidaan yhteenkytkemistä pelkästään geometriasta. Pilvipohjaiset simulointialustat mahdollistavat tiimeille korkean suorituskyvyn laskentaresurssit pyynnöstä. Lisäksi monifysiikan kytkentä. Sähkömagneettisten, lämpö- ja mekaanisien vaikutusten vuorovaikutuksen simulointi on muuttumassa standardiksi, koska nopeat virtaukset tuottavat vastuslämmitystä, joka muuttaa materiaaliominaisuuksia.

Toinen nouseva suuntaus on []digitaalisten kaksosten [ käyttö kokonaisissa järjestelmissä. Digitaalinen kaksoisolento yhdistää simulointimallit reaaliaikaisiin anturitietoihin suorituskyvyn jatkuvaan validointiin tuotteen elinkaaren aikana. Tämä konsepti on vielä kypsymässä, mutta lupaa sulkea silmukka suunnittelun, valmistuksen ja kenttätoiminnan välillä.

Päätelmä

Ennustus nopeasta signaalin käytöstä simulaation avulla ei ole enää valinnainen. Se on keskeinen kurinalaisuus modernin elektroniikan suunnittelussa. SPICE-välitteistä analyysiä ja 3D-aaltojen EM-ratkaisijoita varten jokainen työkalu tarjoaa ainutlaatuisen ymmärryksen signaalin eheyteen, EMI:n ja ajoituksen suorituskykyyn. Kun simulointi otetaan käyttöön aikaisin ja validoidaan mittauksia vastaan, se vähentää merkittävästi kehityskustannuksia ja riskejä. Kun viestintästandardit jatkavat nopeuttamista, simulaatiotyökaluista tulee väistämättä älykkäämpiä, nopeampia ja kiinteämpiä suunnitteluekosysteemiin.