I progettisti devono affrontare una serie di problemi per trasmettere e ricevere dati alle velocità richieste dagli odierni prodotti di comunicazione ad alte prestazioni e alle loro infrastrutture di rete. I consumatori più esperti hanno l’aspettativa che questi dispositivi e sistemi rispondano in modo costante alle prestazioni dichiarate. Rendere questo possibile, tuttavia, richiede affidabili collegamenti ad alta velocità e questo significa che gli ingegneri devono eseguire una serie notevole di simulazioni e analisi di integrità del segnale e integrità di potenza, spesso come due distinte fasi progettuali. Keysight Technologies ha recentemente introdotto due tecnologie innovative per la più recente versione del suo sistema Advanced Design System di software per l’automazione della progettazione di sistemi elettronici, l’ADS 2016, che ha ridefinito l’analisi SI e PI con la creazione di un flusso di lavoro coerente per entrambi i compiti offrendo una maggiore precisione e risultati più rapidi.
La sfida dell’affidabilità
L’integrità dei segnali e di potenza sono contributori critici per la qualità e l’affidabilità di dispositivi e sistemi. Gli ingegneri che non riescono a simulare e analizzare i loro progetti in modo accurato, possono non riuscire a identificare e affrontare i problemi in uno stadio iniziale, e correre così il rischio che i loro dispositivi e sistemi non funzionino sul campo come previsto. A volte molte ore di ricerca della risoluzione di un problema intermittente sul banco di test, cercando di trovare la causa principale del problema, avrebbero potuto essere facilmente identificabili con la simulazione. Crosstalk e risonanze causate dai vias sono spesso la causa di questi problemi. La difficoltà insita in questo tipo di problemi è che, mentre SI e PI sono attività di progettazione strettamente interrelate con lo stesso obiettivo finale - garantire le prestazioni dei collegamenti ad alta velocità e affidabilità a livello di sistema - sono in genere invece considerate fasi di progettazione separate. Sono inoltre spesso eseguite utilizzando strumenti di simulazione elettromagnetica generici e separati; talvolta anche provenienti da diversi fornitori di strumenti di simulazione. Lo svantaggio principale di questo approccio, al di là del costo monetario di ogni strumento, è che il progettista deve imparare ad usare diverse interfacce utente. Ciò significa che durante il processo di progettazione l’ingegnere deve passare continuamente da uno strumento all’altro; un dispendio di tempo inutile e un processo soggetto ad errori. A complicare ulteriormente le cose, gli ingegneri devono tipicamente trascorrere ore a semplificare o ridurre manualmente le dimensioni dei loro progetti, in quanto gli strumenti generici di simulazione elettromegnatica hanno limitate capacità e velocità. Spesso, questo viene realizzato attraverso un processo lento e macchinoso di “cookie-cutting” e con la rimozione manuale di piste e talvolta di interi strati dalla scheda.
Analisi più veloci e accurate
A differenza degli attuali strumenti di simulazione EM generici, le nuove soluzioni SIPro e PIPro di ADS sono specificamente progettati per aiutare gli ingegneri che si occupano di SI e PI a migliorare le prestazioni dei collegamenti ad alta velocità su circuito stampato. SIPro si concentra sul consentire la completa analisi EM e l’estrazione del modello dei collegamenti ad alta velocità su grandi e complessi circuiti stampati, mentre PIPro viene utilizzato per l’analisi EM completa delle reti di alimentazione, compresa l’analisi di caduta di tensione in continua, l’analisi di impedenza della rete di alimentazione rispetto alla frequenza e l’analisi di risonanza dei piani di alimentazione e massa. Entrambe le soluzioni sono utilizzate all’interno dell’ambiente Ads e forniscono risultati più velocemente rispetto ai comuni strumenti di simulazione EM pur mantenendo un’elevata precisione. SIPro utilizza una tecnologia innovativa di simulazione elettromagnetica per garantire la precisione dei risultati ad alta frequenza e fornire la velocità e la capacità necessarie per analizzare schede di grande dimensione e alta densitá. Con questo strumento, gli ingegneri possono caratterizzare tutti in una volta, attraverso la simulazione, perdite e accoppiamenti delle reti di segnali, di alimentazione e di massa. Possono inoltre essere caratterizzati gli accoppiamenti tra vias, i disadattamenti dovuti alle transizioni di impedenza e i percorsi di ritorno della corrente attraverso i piani di alimentazione e massa. L’accurato modello elettromagnetico della scheda che ne risulta viene poi usato per impostare automaticamente una simulazione circuitale per analizzare il comportamento dei signali digitali attraverso la struttura, tenendo conto delle caratteristiche degli stadi di ingresso e uscita dei componenti connessi alla scheda (modelli IBIS e IBIS-AMI). Dal momento che SIPro/PIPro permettono di usare direttamente le piste ed i componenti definiti durante lo sbroglio della scheda per impostare le analisi è molto più veloce ed efficiente da usare rispetto agli strumenti EM generici. E siccome sfrutta una combinazione di differenti tecnologie EM, garantisce una precisione che si avvicina a quella degli algoritmi full-wave tridimensionali in una frazione del tempo necessario per completarne l’analisi. Infatti, rispetto al metodo di simulazione agli elementi finiti che è il riferimento del settore in termini di precisione, dimostra un accordo molto soddisfacente tra i risultati, anche ad alte frequenze. Come SIPro, anche PIPro è una soluzione basata sulla simulazione elettromagnetica e fornisce un’analisi accurata ed efficiente che utilizza tre differenti motori di simulazione specializzati. Un simulatore IR DC drop fornisce una tabella di tensioni e correnti continue per ogni via, pin, sink, e modulo regolatore di tensione nel Pdn. Utilizzando queste informazioni, gli ingegneri possono prevedere la tensione continua ai terminali di ciascun circuito integrato che utilizza quantitá significative di corrente. La capacità di visualizzazione 3D per le tensioni, la densità di corrente e la dissipazione di potenza di progetto sulle reti di alimentazione e di massa, consente agli ingegneri di identificare facilmente i punti critici della scheda Pcb. Con il simulatore di impedenza Ac Pdn, la dipendenza dalla frequenza del Pdn può essere calcolata includendo l’uso di condensatori di disaccoppiamento (decaps). Dopo averne regolato i valori per minimizzare gli effetti di risonanza della scheda, l’impedenza Pdn può essere rapidamente ri-analizzata senza la necessità di ulteriori simulazioni EM. Il risultante modello di estrazione dei parametri S del Pdn può essere trasferito automaticamente in uno schema circuitale insieme ai modelli di simulazione dei componenti discreti per consentire un’ulteriore messa a punto e ottimizzazione. Inoltre, il simulatore offre una maggiore visibilità nel funzionamento elettrico del Pdn mostrando graficamente la distribuzione in 3D dei campi elettrici e magnetici nonché i diagrammi di densità di corrente. Il simulatore di risonanza del piano di alimentazione può essere utilizzato per identificare le frequenze auto-risonanti del layout Pcb, includendo anche in questo caso gli effetti delle capacitá di disaccoppiamento e altri componenti montati sul Pcb. Aiuta inoltre gli ingegneri a visualizzare i campi elettrici e magnetici del Pcb per capire l’ubicazione delle risonanze sulla scheda. Le aree di layout con l’intensità di campo più alto possono poi essere ulteriormente esaminate, per migliorare la strategia di posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento.
Un unico flusso di lavoro
Uno dei principali vantaggi delle nuove soluzioni SIPro e PIPro di ADS è che condividono lo stesso ambiente di analisi, tra cui stesse interfacce utente, flusso di lavoro, base dati dei modelli, e i risultati di visualizzazione in 3D. Questo permette non solo ai tecnici di controllare visivamente le reti prima della simulazione e sovrapporne i campi EM generati, ma crea anche un flusso di lavoro coerente per entrambe le attività di progettazione SI e PI Invece di dover alternare strumenti e ambienti differenti, gli ingegneri possono ora utilizzare un’unica interfaccia utente sia per l’analisi PI che SI. Una configurazione EM può essere facilmente copiata da un’analisi all’altra e viceversa, con simulazioni eseguite nello stesso ambiente. La configurazione in sé è completamente basata sull’uso delle net definite durante la fase di sbroglio della scheda. Ciò permette ai progettisti di selezionare solo le reti che vogliono simulare, senza sforzo o tempo speso a modificare manualmente oggetti del layout prima della simulazione. E, con i risolutori EM ad alta capacità in SIPro e PIPro, gli ingegneri possono lavorare su più reti alla volta. Con il nuovo unico flusso di lavoro di ADS, gli ingegneri possono letteralmente passare dal layout ai risultati con meno di 20 click del mouse. Il flusso di lavoro genera anche automaticamente schemi circuitali per preparare modelli EM per uso immediato con il simulatore di canale di ADS, il simulatore di bus di memoria Ddr, e il simulatore di transitorio con convoluzione, ciascuno ottimizzato per tipo di applicazione. Con l’utilizzo di questi simulatori, gli ingegneri possono condurre analisi SI (ad esempio misure di Ber) e completare la verifica del loro progetto con banchi di prova di conformità specifici per i diversi standard.
