signal integrity(مقدار صحه الاشاره)

يهتم علم صحة الاشارة Signal Integrity بقياس وتحسين  جودة الاشارات الكهربية في اﻹلكترونيات الرقمية وتعتبر من أهم متطلبات تصميم اللوحات اﻹلكترونية PCB خاصة عند تصميم اﻷنظمة اﻹلكترونية التي تعمل بسرعة عالية
High speed electronics

 معرفه علاقه الموصل مع سرعه الاشاره بداخلة

الاشاره التي سيكون الموصل حامل لها تحدد سمك الموصل و طوله و علاقته بالموصلات التي حوله و لكن في الواقع هذا صعب بعض الشي نظرا للحدود الفيزيائية للموصلات و كل مصمم يتمني ان يكون الموصل مثالي تتغير صفاته تلقاءيا مع الاشارة التي تنتشر بداخله
الموصل الذي تنتشر فيه الاشاره له هوية و هويته تنحدد بالاشاره التي تنتشر فيه (propagation)

  • سرعه الاشاره (frequency)
  • زمن الانتقال من حالة لاخري (rise time)
  • كم الطاقه المنتشره في الموصل (power VA)

كلها عوامل مهمه تحدد هوية الموصل

و من اهم نقاط تحديد هوية الموصل هي , هل الموصل سيتحول الي خط ارسال (transmission line) و خط الارسال ببساطه يتكون عندما تكون الاشارة اسرع من سرعه انتشارها في الموصل نفسه
و يكون ناتج ذلك ان الموصل يحمل قيم مختلفه للاشاره في نفس الوقت فستجد ان لو حاله الاشاره 1 عند نقطة في الموصل هي 0 في نقطه اخري لان الحاله 1 مازالت في طريقها للانتشار في الموصل لاكن الاشاره اسرع فتغيرت حالتها و لم تكن الحاله الاولي قد استقرت في الموصل

و هنا سنعطي مثال نستخرج منه مشكلتنا
في الطبيعي يكون هناك مدخل و مخرج للاشاره , مكون الكتروني يقوم بارسال اشاره بطاقة معلومه داخل الموصل و تنتقل في الموصل حتي تصل للمكون الالكتروني المستقبل و يقوم يامتصاص الاشاره داخله في الوضع المثالي سيتم امتصاص الاشاره بشكل كلي فالاشاره التي بداخل الموصل تكمل مسيرتها بداخل المكون لتؤدي المهمه و ترجع في التيار الارضي ground المجمع للمكون

و لكن عمليا هذا لا يحدث تكون الممانعه الداخلية(input impedance) للمكون المستقبل كبيره نوعا ما تؤدي الي ارتداد بعض الطاقه بداخل الموصل
و هنا يوجد حالتين

1- الاشاره داخل الموصل مستقرة فحاله الموصل في كل نقطه واحده متساوية هنا يعامل الموصل كمقاومه فتكون مقاومه الدخل للمكون المستقبل تحدد قيمه التيار الذي سيمر في الموصل
2-هذه الحاله حاله خط الارسال و هنا تكون مشكله كبيره فالمصمم لا يعرف حاله الاشاره في اي نقطه في الموصل فكل نقطه لها قيمه مختلفه في الاشاره و الطاقه المنعكسه من مقاومه دخل المستقبل ستقابل قيمه للاشاره لم تصل للمستقبل و عندما تتقابل كميتان كهربيتان اما ان يتم جمع قيمتها او طرحها و النتيجه النهاءيه هو تدمير قيمه الاشاره فتصل معلومه خاطءه للمستقبل و يستمر حاله الانعكاس في الانتشار حتي تتدمر الاشاره في كامل خط الارسال

و قد يؤدي ذلك الي تدمير دخل المكون اذا كان الطاقه المنعكسه كبيره و جمعت علي اشاره الموصل في هذه النقطه و كان الناتج فلطيه اعلي من ان يتحملها دخل المستقبل او خرج المرسل و هذه المشكله من اشهر المشاكل في دراسه صحه الاشاره او signal integrity.

https://i0.wp.com/www.ni.com/cms/images/devzone/tut/a/2170dcae1750.gif?w=700

https://i1.wp.com/e2e.ti.com/cfs-file/__key/communityserver-discussions-components-files/48/40MHz-Clock.png?resize=700%2C438&ssl=1

لو حاولنا دراسه هذه المشكله سنجد ان اساس المشكله هي عدم تكيف الموصل مع الاشاره المنتشره بداخله
فكيف نصنف الموصل انه سيكون خط ارسال. يتم تصنيف الموصل انه خط ارسال اذا كان سرعه الاشاره اسرع من سرعه انتشار الاشاره بداخل الموصل
و لحساب ذلك نتبع الطريقه الاتيه

اذا كان زمن انتشار الاشاره داخل الموصل ابطا من 1/3 rise time للاشارة يتم اعتبار الموصل حخط ارسال
و مثال علي ذلك
لو فرضنا ان rise time لاشارة تساوي 5ns
فلابد ان تكون سرعه انتشار الاشاره داخل الموصل اسرع من 1.66ns
بمعني ان الاشاره تحتاج 1.66ns لتنتقل من بدايه الموصل لنهايته
و سرعه الاشاره داخل الموصل تتحدد بطول الموصل و نوع ماده الموصل
بالمثال السابق نريد ان نعرف ما اقصي طول للموصل قبل ان يتحول لخط ارسال
يمكننا معرفه سرعه انتشار الاشاره داخل المواد عن طريقه العلاقه التاليه
VP = speed of light / (sqrt)dielectric constant
حيث ال VP propagation velocity سرعه الانتشار داخل الماده
و dielectric constant هو ثابت للمواد و قيمته لل FR4 PCB و هي اكثر انواع PCB المنتشره هو 4

و سرعه الضوء =   11.811 in inches per nanosecond
سرعه انتشار الاشاره في موصل FR4 PCB تساوي 5.9055 inches per nano sec
و بما ان السرعة تساوي المسافة مقسومه علي الزمن
و اقصي زمن نريد تحقيقة هو 1.66ns
مكننا حساب اقصي طول للموصل ليساوي 3.557 inches او 90.17mm
اذا كان طول الموصل اكبر من القيمه المستنتجه سيتم معامله الموصل معامله خاصة لللتاكد من عدم وجود اي ارتداد للاشاره عند طريقه التحكم في مقاومه الموصل و علاقته بما حوله و يتم تسميه هذه الحاله ب controlled impedance routing

عند تحول الموصل لخط ارسال تكون المعادله الموجوده في الصوره السابقه هي المعبره عن علاقه الموصل بما حوله فقرب اي موصل منه و قرب الground plane و قد يغير قيمه المكثف و المقاومه للموصل و يوثر علي فعاليته لتوصيل الاشاره
و يتم التحكم في ال impedance الخاصه بالموصل عن المعلومات المتاحه من الجهه المصنعه و التصميم علي هذه المعلومات
لتصميم خط الارسال فمثلا المقاومه الموصي بها للموصلين الخاصين ب usb2 هي 50 ohm للوصول لاعلي سرعه و افضل انتشار للاشارات
و يتم استخدام ال controlled impedance في كل ال high speed signal design
و يتم اخبار المصنع المسؤل عن تصنيع ال pcb بان هذه الدائره الالكترونيه هي controlled impedance pcb لاعاده الحسابات الخاصه بالموصلات اذا حدث اي تغير في المعلومات المتاحه من المصنع.

لديك سؤال او تعليق...