سلامة الإشارة

سلامة الإشارة ( SI) هي مجموعة من مقاييس جودة الإشارة الكهربائية . في الإلكترونيات الرقمية ، يُمثَّل تدفق القيم الثنائية بموجة جهد (أو تيار). مع ذلك، فإن الإشارات الرقمية تناظرية في جوهرها، وتخضع جميع الإشارات لتأثيرات مثل التشويش والتشويه والفقد . على مسافات قصيرة وبمعدلات بت منخفضة، يمكن لموصل بسيط نقل هذه الإشارة بدقة كافية. أما عند معدلات بت عالية وعلى مسافات أطول أو عبر وسائط مختلفة، فقد تؤدي تأثيرات متنوعة إلى تدهور الإشارة الكهربائية إلى حد حدوث أخطاء وتعطل النظام أو الجهاز. هندسة سلامة الإشارة هي مهمة تحليل هذه التأثيرات والتخفيف من آثارها. وهي نشاط بالغ الأهمية على جميع مستويات تغليف وتجميع الإلكترونيات، بدءًا من التوصيلات الداخلية للدائرة المتكاملة (IC) ^{[ 1 ]} ، مرورًا بالتغليف ، ولوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، واللوحة الخلفية ، والوصلات بين الأنظمة. ^{[ 2 ]} في حين أن هناك بعض المواضيع المشتركة على هذه المستويات المختلفة، إلا أن هناك أيضًا اعتبارات عملية، ولا سيما وقت رحلة الربط البيني مقابل فترة البت، والتي تسبب اختلافات كبيرة في نهج سلامة الإشارة للاتصالات على الشريحة مقابل الاتصالات من شريحة إلى شريحة.

من بين المشكلات الرئيسية التي تثير القلق بشأن سلامة الإشارة: الرنين ، والتداخل ، وارتداد الأرض ، والتشويه ، وفقدان الإشارة، وضوضاء مصدر الطاقة .

تعتمد سلامة الإشارة بشكل أساسي على الأداء الكهربائي للأسلاك وغيرها من مكونات التغليف المستخدمة لنقل الإشارات داخل المنتج الإلكتروني. هذا الأداء مسألة فيزيائية أساسية، ولذلك ظل دون تغيير يُذكر منذ نشأة الإشارات الإلكترونية. عانى أول كابل تلغراف عبر المحيط الأطلسي من مشاكل خطيرة في سلامة الإشارة ، وقد أسفر تحليل هذه المشاكل عن العديد من الأدوات الرياضية التي لا تزال تُستخدم حتى اليوم لتحليلها، مثل معادلات التلغراف . عانت منتجات قديمة مثل مقسم الهاتف ذي القضبان المتقاطعة من شركة ويسترن إلكتريك (حوالي عام 1940)، والذي يعتمد على مرحل السلك والزنبرك، من جميع المشاكل التي نراها اليوم تقريبًا - الرنين، والتشويش، وارتداد الإشارة الأرضية، وضوضاء مصدر الطاقة التي تُعاني منها المنتجات الرقمية الحديثة.

في لوحات الدوائر المطبوعة، أصبحت سلامة الإشارة مصدر قلق بالغ عندما بدأت أزمنة انتقال الإشارات (الصعود والهبوط) تُقارب زمن انتشارها عبر اللوحة. وبشكل تقريبي، يحدث هذا عادةً عندما تتجاوز سرعات النظام بضع عشرات من الميغاهرتز. في البداية، لم تكن سوى بعض الإشارات الأكثر أهمية، أو ذات السرعة الأعلى، بحاجة إلى تحليل أو تصميم مُفصّل. ومع ازدياد السرعات، ازدادت نسبة الإشارات التي تتطلب تحليل سلامة الإشارة وممارسات التصميم. في  تصميمات الدوائر الحديثة (أكثر من 100 ميغاهرتز)، يجب تصميم جميع الإشارات تقريبًا مع مراعاة سلامة الإشارة.

بالنسبة للدوائر المتكاملة، أصبح تحليل سلامة الإشارة ضروريًا نتيجةً لتقليل قواعد التصميم. في بدايات عصر الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (VLSI)، كان تصميم وتخطيط الدوائر الرقمية للرقائق يتم يدويًا. ومنذ ذلك الحين، سمح استخدام التجريد وتطبيق تقنيات التركيب الآلي للمصممين بالتعبير عن تصاميمهم باستخدام لغات عالية المستوى ، وتطبيق عملية تصميم آلية لإنشاء تصاميم بالغة التعقيد، متجاهلين إلى حد كبير الخصائص الكهربائية للدوائر الأساسية. مع ذلك، أعادت اتجاهات التصغير (انظر قانون مور  ) التأثيرات الكهربائية إلى الواجهة في تقنيات التصنيع الحديثة. مع تصغير التكنولوجيا إلى ما دون 0.25 ميكرومتر، أصبحت تأخيرات الأسلاك مماثلة أو حتى أكبر من تأخيرات البوابات. ونتيجةً لذلك، كان من الضروري مراعاة تأخيرات الأسلاك لتحقيق دقة التوقيت . في تقنيات النانومتر عند 0.13  ميكرومتر وما دون، أصبحت التفاعلات غير المقصودة بين الإشارات (مثل التشويش المتبادل) عاملًا مهمًا في التصميم الرقمي. عند هذه التقنيات، لا يمكن ضمان أداء التصميم وصحته دون مراعاة تأثيرات الضوضاء.

يتناول معظم هذا المقال مفهوم سلامة الإشارة في سياق التكنولوجيا الإلكترونية الحديثة، ولا سيما استخدام الدوائر المتكاملة وتقنية لوحات الدوائر المطبوعة . ومع ذلك، فإن مبادئ سلامة الإشارة لا تقتصر على تقنية الإشارة المستخدمة، فقد وُجدت قبل ظهور أيٍّ من هاتين التقنيتين، وستبقى قائمة ما دامت الاتصالات الإلكترونية مستمرة.

يمكن أن يكون لمشاكل سلامة الإشارة في الدوائر المتكاملة الحديثة (ICs) العديد من العواقب الوخيمة على التصميمات الرقمية:

• قد تفشل المنتجات في العمل على الإطلاق، أو الأسوأ من ذلك، أن تصبح غير موثوقة في الميدان.
• قد ينجح التصميم، ولكن فقط بسرعات أبطأ من المخطط لها.
• قد ينخفض ​​المحصول، وأحيانًا بشكل كبير.

تُعدّ تكلفة هذه الإخفاقات باهظة للغاية، وتشمل تكاليف الأقنعة الضوئية ، والتكاليف الهندسية، وتكلفة الفرصة البديلة الناتجة عن تأخير طرح المنتج. لذلك، طُوّرت أدوات أتمتة تصميم الإلكترونيات (EDA) لتحليل هذه المشكلات ومنعها وتصحيحها. ^{[ 1 ]} في الدوائر المتكاملة ، أو ICs، يُعدّ التشويش المتبادل السبب الرئيسي لمشاكل سلامة الإشارة . في تقنيات CMOS ، يعود ذلك أساسًا إلى سعة الاقتران ، ولكن بشكل عام، قد ينتج عن الحث المتبادل ، واقتران الركيزة ، والتشغيل غير المثالي للبوابة، ومصادر أخرى. تتضمن الحلول عادةً تغيير أحجام المحركات و/أو تباعد الأسلاك.

في الدوائر التناظرية، يهتم المصممون أيضاً بالضوضاء الناجمة عن مصادر فيزيائية، مثل الضوضاء الحرارية ، وضوضاء الوميض ، وضوضاء الطلقات . تمثل مصادر الضوضاء هذه، من جهة، حداً أدنى لأصغر إشارة يمكن تضخيمها، ومن جهة أخرى، تحدد حداً أعلى للتضخيم المفيد.

في الدوائر المتكاملة الرقمية، ينشأ التشويش في الإشارة المراد دراستها بشكل أساسي من تأثيرات التداخل الناتجة عن تبديل الإشارات الأخرى. وقد أدى ازدياد كثافة التوصيلات البينية إلى تقارب الأسلاك المجاورة، مما زاد من التداخل بين الشبكات المتجاورة. ومع استمرار تصغير الدوائر وفقًا لقانون مور ، تضافرت عدة عوامل لتفاقم مشاكل التشويش.

• للحفاظ على مقاومة مقبولة رغم انخفاض العرض، تتميز الأسلاك الحديثة بسماكة أكبر تتناسب مع المسافة بينها. وهذا يزيد من سعة الجدار الجانبي على حساب السعة مع الأرض، مما يزيد بالتالي من جهد الضوضاء المستحث (المعبر عنه كنسبة من جهد التغذية).
• أدى تصغير حجم التكنولوجيا إلى انخفاض جهد العتبة لترانزستورات MOS، كما قلل من الفرق بين جهد العتبة وجهد التغذية، مما أدى إلى تقليل هوامش الضوضاء .
• لقد زادت سرعات المنطق، وسرعات الساعة على وجه الخصوص، بشكل ملحوظ، مما أدى إلى تقليل زمن الانتقال (الصعود والهبوط). ويرتبط هذا التسارع في زمن الانتقال ارتباطًا وثيقًا بزيادة التشويش السعوي المتبادل. كما أن الخصائص الحثية للأسلاك، وخاصة الحث المتبادل، تلعب دورًا مهمًا عند هذه السرعات العالية.

أدت هذه التأثيرات إلى زيادة التداخل بين الإشارات وتقليل مقاومة دوائر CMOS الرقمية للضوضاء. وقد جعل هذا الضوضاء مشكلةً كبيرةً في الدوائر المتكاملة الرقمية، ويجب على كل مصمم رقائق رقمية أخذها في الاعتبار قبل تصنيعها . وهناك عدة مخاوف يجب التخفيف منها:

• قد يتسبب التشويش في أخذ الإشارة قيمة خاطئة. وهذا أمر بالغ الأهمية، خاصةً عندما تكون الإشارة على وشك التثبيت (أو أخذ عينة منها)، إذ قد يتم تحميل قيمة خاطئة في عنصر التخزين، مما يؤدي إلى عطل منطقي.
• قد يؤدي التشويش إلى تأخير استقرار الإشارة على القيمة الصحيحة. وهذا ما يسمى غالبًا بتأخير التشويش .
• قد يتسبب التشويش (مثل الرنين) في انخفاض جهد دخل البوابة إلى ما دون مستوى الأرض، أو تجاوزه جهد التغذية. وهذا بدوره قد يقلل من عمر الجهاز نتيجة إجهاد المكونات، أو يؤدي إلى حدوث ظاهرة التثبيت ، أو التسبب في تكرار الإشارات التي من المفترض أن تتكرر مرة واحدة فقط خلال فترة زمنية محددة.

تقنية إنهاء الإشارة على الشريحة (ODT) أو التحكم الرقمي في المعاوقة (DCI ^{[ 4 ]} ) هي تقنية يتم فيها وضع مقاومة الإنهاء لمطابقة المعاوقة في خطوط النقل داخل شريحة أشباه الموصلات، بدلاً من جهاز منفصل مثبت على لوحة الدوائر. يؤدي قرب الإنهاء من جهاز الاستقبال إلى تقصير المسافة بينهما، مما يحسن سلامة الإشارة بشكل عام.

بالنسبة للوصلات السلكية، من المهم مقارنة وقت انتقال الوصلة البينية بفترة البت لتحديد ما إذا كانت هناك حاجة إلى وصلة متطابقة أو غير متطابقة.

يبلغ زمن انتقال النبضة (التأخير) في وصلة الربط حوالي 1 نانوثانية لكل 15 سم ( 6 بوصات ) من خط النقل FR-4 (تعتمد سرعة الانتشار على العازل الكهربائي والهندسة). ^{[ 5 ]} تتلاشى انعكاسات النبضات السابقة عند عدم تطابق المعاوقة بعد ارتدادات قليلة صعودًا وهبوطًا على طول الخط (أي في حدود زمن الانتقال). عند معدلات بت منخفضة، تتلاشى هذه الصدى تلقائيًا، وبحلول منتصف النبضة، لا تُشكل أي مشكلة. لذا، فإن مطابقة المعاوقة ليست ضرورية ولا مرغوبة. توجد أنواع عديدة من لوحات الدوائر المطبوعة غير FR-4، ولكنها عادةً ما تكون أكثر تكلفة في التصنيع.

تسارع الاتجاه التدريجي نحو معدلات نقل بيانات أعلى بشكل ملحوظ في عام 2004، مع إطلاق شركة إنتل لمعيار PCI-Express . وبناءً على ذلك، شهدت غالبية معايير توصيل الرقاقات تحولًا معماريًا من ناقلات متوازية إلى روابط التسلسل/فك التسلسل ( SERDES ) المعروفة باسم "المسارات". تُزيل هذه الروابط التسلسلية انحراف توقيت الناقل المتوازي وتقلل عدد المسارات وما ينتج عنها من تأثيرات اقتران، إلا أن هذه المزايا تأتي على حساب زيادة كبيرة في معدل نقل البيانات على المسارات، وفترات بت أقصر.

عند معدلات نقل بيانات متعددة الجيجابت/ثانية، يجب على مصممي الوصلات مراعاة الانعكاسات عند تغيرات المعاوقة (مثل تغير مستويات المسارات عند الثقوب الموصلة ، انظر خطوط النقل )، والضوضاء الناتجة عن الوصلات المتجاورة المكتظة ( التداخل )، وتوهين الترددات العالية الناتج عن تأثير الجلد في المسار المعدني ومعامل فقد العازل. ومن أمثلة تقنيات التخفيف من هذه العيوب إعادة تصميم هندسة الثقوب الموصلة لضمان مطابقة المعاوقة، واستخدام الإشارات التفاضلية ، والترشيح المسبق للتأكيد ، على التوالي. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

مع معدلات نقل البيانات الجديدة هذه التي تصل إلى عدة جيجابت/ثانية، تكون فترة البت أقصر من زمن انتقال الإشارة؛ ما قد يؤدي إلى وصول أصداء النبضات السابقة إلى جهاز الاستقبال فوق النبضة الرئيسية وتشويهها. يُعرف هذا في هندسة الاتصالات بتداخل الرموز (ISI). أما في هندسة سلامة الإشارة، فيُطلق عليه عادةً اسم "انغلاق العين" (إشارةً إلى التشويش في مركز رسم بياني يُسمى مخطط العين على راسم الإشارة). عندما تكون فترة البت أقصر من زمن انتقال الإشارة، يصبح التخلص من الانعكاسات باستخدام تقنيات الميكروويف التقليدية، مثل مطابقة المعاوقة الكهربائية لجهاز الإرسال مع وصلة الربط، وأجزاء وصلة الربط مع بعضها البعض، ووصلة الربط مع جهاز الاستقبال، أمرًا بالغ الأهمية. يُعدّ الإنهاء بمصدر أو حمل مرادفًا للمطابقة عند الطرفين. وتُقيّد معاوقة وصلة الربط التي يمكن اختيارها بمعاوقة الفضاء الحر ( حوالي 377 أوم )، وعامل الشكل الهندسي، والجذر التربيعي لثابت العزل النسبي لمادة حشو خط النقل (عادةً FR-4، بثابت عزل نسبي يبلغ حوالي 4). تحدد هذه الخصائص مجتمعة المعاوقة المميزة للمسار . 50 أوم هو خيار مناسب للخطوط أحادية الطرف، ^{[ 8 ]} و 100 أوم للخطوط التفاضلية.

نتيجةً لانخفاض المعاوقة المطلوبة للمطابقة، تحمل مسارات الإشارة على لوحات الدوائر المطبوعة تيارًا أعلى بكثير من نظيراتها على الشريحة. يُحدث هذا التيار الأكبر تداخلًا بين الإشارات، بشكل أساسي في الوضع المغناطيسي أو الحثي، وليس في الوضع السعوي. ولمعالجة هذا التداخل، يجب على مصممي لوحات الدوائر المطبوعة الرقمية مراعاة مسار الإشارة المقصود لكل إشارة، وكذلك مسار عودة تيار الإشارة. فالإشارة نفسها ومسار عودة تيار الإشارة قادران على توليد تداخل حثي بنفس القدر. وتساعد أزواج المسارات التفاضلية في تقليل هذه التأثيرات.

يتمثل الاختلاف الثالث بين التوصيل على الشريحة والتوصيل بين الشرائح في حجم المقطع العرضي لموصل الإشارة، حيث تكون موصلات لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) أكبر بكثير (عادةً 100 ميكرومتر أو أكثر في العرض). وبالتالي، تتميز مسارات لوحة الدوائر المطبوعة بمقاومة تسلسلية منخفضة (عادةً 0.1 أوم/سم) عند التيار المستمر. ومع ذلك، يتم إضعاف المكون عالي التردد للنبضة بسبب مقاومة إضافية ناتجة عن تأثير الجلد ومعامل فقد العزل الكهربائي المرتبط بمادة لوحة الدوائر المطبوعة.

غالباً ما يعتمد التحدي الرئيسي على ما إذا كان المشروع تطبيقاً استهلاكياً يركز على التكلفة أم تطبيقاً للبنية التحتية يركز على الأداء. ^{[ 9 ]} ويتطلب كل منهما عادةً تحققاً مكثفاً بعد التخطيط (باستخدام محاكي EM ) وتحسيناً للتصميم قبل التخطيط (باستخدام SPICE ومحاكي القنوات )، على التوالي.

طوبولوجيا التوجيه

تعتمد مستويات الضوضاء على مسار/شبكة بشكل كبير على بنية التوجيه المختارة. في بنية التوجيه من نقطة إلى نقطة، يتم توجيه الإشارة من المرسل مباشرةً إلى المستقبل (يُطبق هذا في PCIe و RapidIO و Gigabit Ethernet و DDR2 / DDR3 / DDR4 DQ/DQS وغيرها). تتميز بنية التوجيه من نقطة إلى نقطة بأقل قدر من مشاكل تداخل الإشارة، نظرًا لعدم وجود مطابقة معاوقة كبيرة ناتجة عن خطوط T (تقسيم المسار ثنائي الاتجاه).

في الواجهات التي تستقبل فيها حزم متعددة البيانات من نفس الخط (كما هو الحال في تكوين اللوحة الخلفية)، يجب تقسيم الخط عند نقطة ما لخدمة جميع أجهزة الاستقبال. ومن المتوقع حدوث بعض حالات عدم التوافق في المعاوقة. تشمل واجهات الحزم المتعددة B LVDS ، وبنك DDR2/DDR3/DDR4 C/A، و RS485 ، وناقل CAN . يوجد نوعان رئيسيان من بنى الحزم المتعددة: الشجرية والتلاشي.

يشير مفهوم سلامة الإشارة في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة إلى جودة الإشارات الكهربائية أثناء انتقالها عبر المسارات والوصلات والمكونات على لوحة الدوائر المطبوعة. ويُعدّ ضمان سلامة الإشارة أمرًا بالغ الأهمية في التصاميم عالية السرعة والتردد، إذ قد تؤدي رداءة جودة الإشارة إلى أخطاء في البيانات وتشويه الإشارة وتعطل النظام.

• سلامة الطاقة
• التداخل الكهرومغناطيسي
• التوافق الكهرومغناطيسي

• هوارد جونسون؛ مارتن غراهام. (2002). انتشار الإشارات عالية السرعة  : السحر الأسود المتقدم . أبر سادل ريفر، نيو جيرسي: برنتيس هول بي تي آر. رقم ISBN 0-13-084408-X.نص مرجعي متقدم المستوى للمصممين الرقميين ذوي الخبرة الذين يرغبون في دفع تصميماتهم إلى أقصى حدود السرعة والمسافة.
• إريك بوغاتين. (2009). سلامة الإشارة والطاقة - مبسطة، الطبعة الثانية . أبر سادل ريفر، نيو جيرسي: برنتيس هول. ISBN 978-0-13-234979-6تمت أرشفة النسخة الأصلية بتاريخ 10-09-2011.من الغلاف الخلفي: يستند الكتاب إلى خبرة المؤلف الصناعية وعمله في تدريس أكثر من خمسة آلاف مهندس.
• ستيفن هـ. هول؛ غاريت و. هول؛ جيمس أ. ماكول. (2000). تصميم الأنظمة الرقمية عالية السرعة  : دليل لنظرية الربط البيني وممارسات التصميم . نيويورك: وايلي. ISBN 0-471-36090-2.
• ويليام ج. دالي؛ جون و. بولتون. (1999). هندسة الأنظمة الرقمية . كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 0-521-59292-5.كتاب مدرسي حول مشاكل بناء الأنظمة الرقمية، بما في ذلك سلامة الإشارة.
• دوغلاس بروكس. (2003). قضايا سلامة الإشارة وتصميم لوحات الدوائر المطبوعة . أبر سادل ريفر، نيو جيرسي: برنتيس هول بي تي آر. رقم ISBN 0-13-141884-X.يتناول هذا الكتاب مبادئ الهندسة الكهربائية وسلامة الإشارة من مستوى أساسي، مفترضاً فهماً مسبقاً ضئيلاً.
• جيف لوداي؛ ديفيد أيرلاند وجريج إدلوند. (2008). دليل مهندس سلامة الإشارة  : الاختبار والقياس في الوقت الحقيقي ومحاكاة التصميم . أبر سادل ريفر، نيو جيرسي: برنتيس هول. ISBN 978-0-13-186006-3.
• راج؛ أ. إيجه إنجين. (2008). نمذجة وتصميم سلامة الطاقة لأشباه الموصلات والأنظمة . أبر سادل ريفر، نيو جيرسي: برنتيس هول. ISBN 978-0-13-615206-4.باستخدام دراسات حالة واقعية وأمثلة برمجية قابلة للتنزيل، يُقدّم اثنان من أبرز الخبراء أفضل التقنيات المُتاحة اليوم لتصميم ونمذجة الوصلات البينية لتوزيع الطاقة بكفاءة وتقليل التشويش. يُقدّم المؤلفان شرحًا وافيًا للمفاهيم الأساسية لتصميم توزيع الطاقة، ويعرضان ويقارنان بشكل منهجي أحدث التقنيات لنمذجة التشويش، ويربطان هذه التقنيات بتطبيقات مُحددة. تتراوح أمثلتهم العديدة من أبسطها (باستخدام المعادلات التحليلية لحساب تشويش مصدر الطاقة) إلى تطبيقات مُعقدة على مستوى النظام.
• سلامة الإشارة لمصممي لوحات الدوائر المطبوعة
• مركز سلامة الإشارة لشركة ألترا
• المبادئ الأساسية لسلامة الإشارة
• موارد تحليل سلامة الإشارة من Agilent EEsof EDA
• "نصيحة تصميمية: نمذجة الأجهزة لتحسين محاكاة سلامة الإشارة"، مجلة EETimes ، جون أولاه، 25 أكتوبر 2007
• تمت مناقشة مواضيع تتعلق بسلامة الإشارة في مؤتمر DesignCon 2008 الذي عقد في الفترة من 4 فبراير 2008 إلى 7 فبراير 2008
• "فهم سلامة الإشارة - أصبحت سلامة الإشارة مشكلة أكثر أهمية مع زيادة ترددات الساعة" بقلم إريك بوغاتين، مختبرات جيجا تيست، مذكرة تطبيق أجيلنت 5988-5978EN، أبريل 2002، 8 صفحات، ملف PDF، 0.9  ميجابايت
• "سلسلة تحليل سلامة الإشارة الجزء 1: TDR أحادي المنفذ، TDR/TDT، وTDR ثنائي المنفذ" (مذكرة تطبيق Agilent 5989-5763EN، فبراير 2007، 72 صفحة، PDF، 5.2  ميجابايت)
• "سلسلة تحليل سلامة الإشارة الجزء 2: TDR/VNA/PLTS ذو 4 منافذ" (مذكرة تطبيق Agilent 5989-5764EN، فبراير 2007، 56 صفحة، PDF، 3.6  ميجابايت)
• "سلسلة تحليل سلامة الإشارة الجزء 3: أساسيات إزالة التضمين" (مذكرة تطبيق Agilent 5989-5765EN، يوليو 2007، 48 صفحة، PDF، 2.5  ميجابايت)
• "تحليل سلامة الإشارة للإلكترونيات الخاصة بالسيارات" (يوليو 2024، 25 صفحة، PDF، 2.5  ميجابايت)