Integridad de la señal

Integridad de las señales ( ing. Integridad de la señal ): la presencia de suficiente para la transmisión sin errores de las características cualitativas de una señal eléctrica .

Información general

Cualquier señal digital es inherentemente analógica, es decir, está representada por diagramas de voltaje (o corriente ) de cierta forma. Obviamente, la forma de una señal analógica puede cambiar debido a los efectos del ruido, la distorsión no lineal, la diafonía, los reflejos, etc. Cuando se transmiten señales a distancias cortas (en el sentido de longitud eléctrica) ya baja velocidad de información, estos efectos no afectan la confiabilidad de la información transmitida y recibida. Al aumentar la velocidad de transmisión o aumentar la longitud de la ruta de transmisión (es decir, al aumentar la longitud eléctrica), varios efectos pueden distorsionar la señal hasta el punto de que la información transmitida se reciba con errores. El trabajo de un ingeniero de integridad de señal se puede dividir en dos fases. El primero es el análisis de la integridad de la señal, es decir, la identificación de los efectos que conducen a la distorsión de la señal. La segunda etapa es la lucha contra estas distorsiones.

Historia

Para describir la historia del desarrollo de la integridad de la señal como una rama de la ingeniería de radio, uno puede referirse a la cronología propuesta por Douglas Brooks:

1ra etapa En general, no hay ideas sobre la integridad de las señales, ya que no hay problemas con la transmisión.
2da etapa Hay problemas con las inductancias parásitas.
3ra etapa. Hay problemas causados por el hecho de que la resistencia ya no puede considerarse una constante, sino que debe tenerse en cuenta su dependencia de la frecuencia.
4ta etapa. Surgieron problemas con longitudes críticas (eléctricas) que se hicieron tan cortas que era extremadamente difícil resolver los problemas, incluso si se conocían.

Fundamentos teóricos

La ciencia fundamental para la especialidad de Integridad de la Señal es en su mayor parte la teoría del electromagnetismo . La teoría del electromagnetismo se basa en las ecuaciones de Maxwell , que escribió en 1873. Cuando se estudia la integridad de las señales, la forma diferencial intuitiva de las ecuaciones es la más utilizada. Sin embargo, si es necesario, también se puede utilizar la forma integral de las ecuaciones.

$\nabla \times {\overrightarrow {E}}+{\frac {\parcial {\overrightarrow {B}}}{\parcial {t}}}=0,\;\;\;\;\; \;\;\;\;\;$ ley de Faraday

$\nabla \times {\overrightarrow {H}}={\overrightarrow {J}}+{\frac {\parcial {\overrightarrow {D}}}{\parcial {t}}},\;\; \;\;\;\;\;\;\;$ ley de ampère

$\nabla \cdot {\overrightarrow {D}}=\rho ,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \;\;\;\;\;\;\;$ Ley de Gauss

$\nabla \cdot {\overrightarrow {B}}=0,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\ ;\;\;\;\;\;\;$ Ley de Gauss para el magnetismo

dónde

${\overrightarrow {E}}=[V/m]-\;\;\;\;$ Intensidad del campo eléctrico (en SI - [V/m])

${\overrightarrow {H}}=[A/m]-\;\;\;\;$ Intensidad del campo magnético (SI - [A/m])

${\overrightarrow {B}}=[Wb/m^{2}]-\;\;\;\;$ Inducción magnética (en el sistema SI - [Wb / m 2 ])

${\overrightarrow {D}}=[C/m^{2}]-\;\;\;\;$ Inducción eléctrica (en el sistema SI - [C / m 2 ])

${\overrightarrow {J}}=[A/m^{2}]-\;\;\;\;$ Densidad de corriente eléctrica (en el sistema SI - [A / m 2 ])

$\rho =[C/m^{3}]-\;\;\;\;$ Densidad de carga eléctrica externa (en el sistema SI - [C / m 3 ])

A su vez, la intensidad del campo magnético y la inducción magnética están relacionadas por la relación:

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

dónde

${\overrightarrow {M}}=[A/m]-\;\;\;\;$ Magnetización (en SI - [A/m])

$\mu _{0}=4\pi \times 10^{-7}[H/m]-\;\;\;\;$ constante magnética (en SI - [H/m])

La inducción eléctrica y la intensidad del campo eléctrico están relacionadas por la relación:

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

dónde

${\overrightarrow {P}}=[C/m^{2}]-\;\;\;\;$ Vector de polarización (en sistema SI - [C / m 2 ])

$\varepsilon _{0}=1/(\mu _{0}c^{2})\approx 8,85\times 10^{-12}\times 10^{-7}[F/m]- \;\;\;\;$ constante eléctrica (en SI - [F/m])

$c=299792458[m/s]-\;\;\;\;$ Constante de velocidad de la luz (en SI - [m/s])

Análisis de integridad de la señal

El análisis de la integridad de las señales se puede dividir en 3 etapas: análisis del chip del chip , paquete del chip, placa de circuito impreso . Los problemas que surgen en estas etapas suelen ser similares, pero hay una serie de características fundamentales que no permiten el análisis eficiente de un chip, un paquete y una placa de circuito impreso dentro de un único CAD ( EDA ), pero los principales desarrolladores de CAD están trabajando para integrarlos. estos procesos. Hoy en día, lo más común es analizar la matriz y el paquete por separado, y luego importar los datos del análisis en forma de modelos de comportamiento IBIS en CAD para el análisis de PCB. Cabe señalar que con una ruta de diseño de este tipo, es imposible analizar con precisión todos los problemas que pueden surgir en el cristal y en el paquete, especialmente cuando el microcircuito interactúa con la placa de circuito impreso (debido a la puesta a tierra no ideal y sistemas de potencia, posibles captaciones de otros microcircuitos en la placa), pero la mayoría de las veces es imposible obtener modelos de cristal precisos a nivel de transistor, como los modelos SPICE , ya que este es un secreto comercial del fabricante. En el caso de que un fabricante de chips intente probar sus propios chips en productos terminados, se enfrenta al problema de la necesidad de utilizar enormes recursos informáticos. En cada una de estas etapas, el análisis de integridad de la señal se puede dividir en análisis previo y posterior al diseño.

Análisis pretopológico

El análisis pretopológico incluye un estudio preliminar del sistema por la presencia de problemas de integridad de la señal en el mismo, es decir, un estudio cuando aún no se conocen las dimensiones geométricas exactas del sistema y la posición relativa exacta de los componentes del sistema. Para llevar a cabo dicho análisis, los sistemas CAD cuentan con un conjunto de elementos estándar: líneas de transmisión, conectores, elementos agrupados (condensadores, inductores, resistencias), vías, etc. Por lo general, el análisis previo al diseño se realiza para buscar problemas de integridad de la señal en paquetes y placas de circuito impreso.

Análisis post-topológico

El análisis postopológico incluye el examen más completo del sistema para detectar problemas de integridad de la señal, teniendo en cuenta el enrutamiento real, las dimensiones y posiciones geométricas de los componentes y la posición relativa de los componentes. Vale la pena señalar una vez más que el modelado de todo el sistema es a menudo una tarea irresoluble debido a la falta de datos necesarios y la incapacidad de utilizar recursos informáticos demasiado grandes (incluidos los de tiempo). La tarea del ingeniero de integridad de la señal es encontrar una simplificación razonable y modelar el circuito equivalente para que el error no exceda el especificado. Para cada proyecto, dicho error se determina individualmente. Los sistemas CAD modernos intentan eliminar este problema de los desarrolladores tanto como sea posible y automatizarlo.

Principales problemas de integridad de la señal

Integridad de la señal en las líneas de datos

La señal eléctrica que sale del transmisor, propagada en la línea de transmisión, debe reconocerse correctamente a la entrada del receptor. Su forma, niveles de voltaje y sincronización deben coincidir exactamente con el estándar de la señal. La tarea de mantener la integridad de la señal en la línea de transmisión presupone la preservación de la forma original del voltaje, que la línea de transmisión o las influencias externas solo pueden cambiar, violando la integridad original. La línea de transmisión, en general, es el medio de propagación. Es importante entender que una línea de transmisión alámbrica incluye todos los elementos entre la salida del transmisor y la entrada del receptor. A saber, conductores de placa de circuito impreso, cables de conexión entre la placa de circuito impreso y conectores de bloque, contactos de conector, tanto de placa a placa como de instrumentos, cables eléctricos. Para obtener una línea de transmisión homogénea (es en ella donde la señal se propagará a distancias máximas sin reflejos), en cada unión de estos elementos, es necesario hacer coincidir la impedancia de onda. La impedancia característica de la línea de transmisión para líneas individuales puede tener valores estándar de 50,75 ohmios. Para líneas de transmisión diferenciales, el valor de la impedancia de onda diferencial puede ser de 90, 100, 120 ohmios. La resistencia de las olas puede tener otros significados. Es importante que esta resistencia no cambie bruscamente a lo largo de la línea de transmisión. Con un cambio brusco en la resistencia de las olas, surgen faltas de homogeneidad, que son la causa de los reflejos. Las copias de la señal reflejada por las faltas de homogeneidad afectan su original y conducen a su distorsión. Para evaluar el grado de reflexión, se utiliza el concepto de coeficiente de reflexión. Muestra qué parte de la energía de la señal se refleja en la falta de homogeneidad, en función de la diferencia de resistencia en el sitio de la falta de homogeneidad. Si la línea coincide, el coeficiente de reflexión es cero. Este modo se denomina modo de onda viajera y se obtiene cuando la impedancia de salida del transmisor es igual a la impedancia de carga. Si la línea no coincide, la reflectancia tiene un valor máximo de -1. Este modo se denomina modo de onda estacionaria y se obtiene en ausencia de carga (modo inactivo). En el modo de cortocircuito, la resistencia de carga se puede tomar igual a cero y el coeficiente de reflexión será igual a 1. Para igualar las impedancias, se utilizan varios métodos de igualación: serie, paralelo, combinado, esquema de Thevenin, etc. Si el problema de Se resuelve la uniformidad de la línea de transmisión, la segunda cosa que se requiere para mantener la integridad de la señal, para proporcionar tal característica de amplitud-frecuencia de la línea de transmisión, que permitirá transmitir todos los componentes significativos del espectro de la señal. Estos son los primeros cinco armónicos o la banda de frecuencia determinada por la tasa de subida/bajada del pulso. Si la respuesta de frecuencia de la línea de transmisión no tiene caídas, caídas tanto en frecuencias altas como bajas, aumentos resonantes y ráfagas locales, todos los componentes del espectro de la señal se transmitirán sin distorsión y la forma de onda no se verá perturbada. El frente y la recesión seguirán siendo monótonos, y el área de impulso permanecerá plana. Si también se resuelve el segundo problema, y la respuesta de frecuencia de la línea de transmisión es uniforme, queda por resolver el tercer problema. Proteja la señal de la influencia de señales externas, diafonía, potencia y ruido de tierra. Si también se resuelve la tercera tarea, se conservará la integridad de la señal en la entrada del receptor. Es importante comprender que la tarea de mantener la integridad de las señales es relevante no solo para las señales en el rango de microondas, sino también para las señales de baja frecuencia con una alta tasa de subida/bajada de pulso.

Ancho de banda del sistema

La sección de ingeniería de radio "Integridad de la señal" apareció relativamente recientemente, especialmente en la ciencia y la ingeniería rusas. Como resultado, los ingenieros de integridad de señal suelen ser antiguos ingenieros de microondas . Como resultado, a menudo hay una mala interpretación del término "ancho de banda" para una señal digital. Cualquier señal digital se caracteriza por su tasa de datos. Considere, por ejemplo, una señal digital pseudoaleatoria arbitraria transmitida a una velocidad de 1000 Mbps. ¿Significa esto que el espectro de la señal también se encuentra en el rango de frecuencia de hasta 1 GHz? La respuesta a la pregunta puede darse mediante un análisis espectral realizado mediante la herramienta Transformada Rápida de Fourier ( FFT /FFT). La figura muestra que el espectro de la señal es mucho más amplio que su frecuencia de reloj, y el límite superior corresponde a la frecuencia de "interrupción", que está determinada por la inclinación del frente de la señal. Esta frecuencia está determinada por la fórmula:

${\displaystyle F_{rodilla}={\frac {1}{2T_{r))))$ ,

donde es el tiempo de subida (bajada) del frente . $T_{r}$

Reflexiones

Reflexión : el fenómeno del retorno de parte de la energía de la onda a la línea de transmisión con una carga inigualable. La carga está adaptada, cuya impedancia compleja es igual a la impedancia de onda compleja de la línea. Cuanto mayor sea la diferencia entre estas dos impedancias, mayor será la reflexión. El fenómeno de la reflexión se vuelve perceptible cuando aumenta la longitud eléctrica (es decir, cuando la longitud del frente y la longitud de la línea se vuelven comparables). Los dos casos límite de una línea inconsistente son una línea en corto y una línea abierta. ${\ estilo de visualización (Z_{0}=0)}$ ${\ estilo de visualización (Z_ {0} \ flecha derecha \ infinito)}$

Impedancia de línea

La impedancia de onda es la resistencia que encuentra una onda electromagnética al propagarse a lo largo de una línea uniforme sin reflejos. Definido como la relación entre el voltaje de la onda incidente y la corriente de la onda incidente:

$Z_{0}={\frac{U_{\Pi }}{I_{\Pi }}}$ .

Para conductores impresos, la impedancia de onda de la línea depende de su ancho y de la distancia a la capa de referencia (tierra o potencia). La impedancia característica de los conductores impresos suele variar en el rango de 50 a 75 ohmios (puede haber desviaciones tanto hacia arriba como hacia abajo, pero esto puede estar asociado con alguna tarea altamente especializada).

Cortocircuito Línea abierta Línea acordada

Pérdidas en líneas de transmisión

Pérdidas óhmicas

Las pérdidas óhmicas en las líneas de transmisión son causadas por la imperfección de los conductores utilizados, los cuales tienen una conductividad finita (conductividad del cobre S/m). Dado que los conductores tienen un grosor muy específico en la fabricación de PCB (18 µm para los conductores de señales y 36 µm para las capas de tierra y alimentación), la resistencia óhmica se puede calcular fácilmente si se conoce el valor de la resistividad por cuadrado. Para conductores de cobre con un espesor de 18 µm, este valor es de aproximadamente 1 mΩ/cuadrado. Por ejemplo, un conductor de 200 µm de ancho y 20 mm de largo tendría una resistencia de 100 mΩ. La misma resistencia tendrá un conductor de 100 micras de ancho y 10 mm de largo (ya que ambos conductores tienen un "área" de 100 cuadrados). ${\ estilo de visualización 5,7 \ cdot 10^{7))$

Efecto de superficie

Para cada parámetro eléctrico se debe considerar el rango de frecuencia en el que es aplicable. Esto también se aplica a la resistencia activa en serie. La corriente continua y la corriente de baja frecuencia se distribuyen uniformemente en la sección transversal, es decir, la densidad de corriente es la misma tanto en el centro del conductor como en la superficie. A altas frecuencias, la densidad de corriente aumenta cerca de la superficie del conductor y disminuye hasta casi cero en el centro. Se ha establecido que bajo la influencia del efecto de superficie, la densidad de corriente disminuye exponencialmente a lo largo del radio desde la superficie del conductor hasta su centro. Obviamente, con tal distribución, aumentará la resistencia efectiva del conductor a altas frecuencias. El grosor de la capa (capa de piel) en la que fluirá la corriente depende de la frecuencia:

$s=\left({\frac {2\rho }{\omega \mu }}\right)^{\frac {1}{2}}$ ,

donde es la resistividad del conductor, es la frecuencia (en radianes por segundo), es la permeabilidad magnética absoluta del conductor. $\rho$ $\omega$ $\mu$

Pérdidas dieléctricas

Una onda sin pérdidas solo puede propagarse en el vacío. Las pérdidas ocurren en cualquier dieléctrico real. La magnitud de estas pérdidas depende del tipo de dieléctrico y de la frecuencia y está determinada por el factor de pérdida dieléctrica. Obviamente, cuanto mayores sean las pérdidas dieléctricas, mayor será la atenuación de la señal durante la propagación. Las especificaciones del material no suelen indicar el factor de pérdida, sino la tangente de pérdida. Por conveniencia, considere un capacitor ideal. El vector de corriente en dicho capacitor se adelanta al vector de voltaje en 90°. Si se producen pérdidas en el conductor, entonces el ángulo se desplaza en una cantidad δ, denominada ángulo de pérdida. La tangente de este ángulo se registra en la especificación del material. En ocasiones utilizan el recíproco de la tangente de pérdida y lo denominan factor de calidad:

$Q={\frac {1}{\mathrm {tg} (\delta)\,))$

La tangente de pérdida estándar para el material FR-4 es 0,025.

Diafonía

La diafonía es el fenómeno de la aparición de una señal en un conductor cuando se expone a conductores adyacentes. En los dispositivos digitales modernos, este fenómeno no se puede evitar, pero se puede minimizar. Cuando se habla de diafonía, se introducen dos términos: agresor y víctima. El agresor es el conductor al que se le aplica la influencia, y la víctima es el conductor al que se le quita la respuesta de esa influencia. En un circuito real, cuando varios amortiguadores se cambian constantemente, cualquier conductor es a la vez agresor y víctima. Para estudiar la diafonía, se aplica un voltaje bajo o alto a la víctima, y un meandro, o una secuencia pseudoaleatoria, con niveles dados de "0" y "1" lógicos, las tasas de subida y bajada de los frentes, y también con una frecuencia de reloj dada se aplica a los agresores.

Ruido de potencia

Ruidos de conmutación simultáneos

Fluctuación

Ver " Flipasición "

Medidas de integridad de la señal

Aplicación

Véase también

Literatura

Bogatín Eric. Integridad de la señal - Simplificado. - Prentice Hall PTR, EE. UU. 2003. ISBN: 0-13-066946-6
Brooks Douglas. Problemas de integridad de la señal y diseño de placas de circuito impreso. - Prentice Hall PTR, EE. UU. 2003. ISBN: 0-131-41884-X
Howard Johnson, Diseño digital de alta velocidad: un manual de Black Magic ISBN 0133957241
- G. Johnson, M. Graham, Diseño de dispositivos digitales de alta velocidad. Curso de iniciación a la magia negra
Howard Johnson, Martín Graham. Propagación de señales de alta velocidad: magia negra avanzada . - Upper Saddle River, Nueva Jersey: Prentice Hall PTR , 2002. - ISBN 0-13-084408-X .
- G. Johnson Transmisión de datos digitales de alta velocidad: el curso más alto de magia negra

Integridad de la señal

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Historia

Fundamentos teóricos

Análisis de integridad de la señal

Análisis pretopológico

Análisis post-topológico

Principales problemas de integridad de la señal

Integridad de la señal en las líneas de datos

Ancho de banda del sistema

Reflexiones

Pérdidas en líneas de transmisión

Diafonía

Ruido de potencia

Ruidos de conmutación simultáneos

Fluctuación

Medidas de integridad de la señal

Aplicación

Véase también

Literatura

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