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EDA/SW/T&M
SIMULAZIONE
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- ELETTRONICA OGGI 444 - APRILE 2015
le caratteristiche degli I/O, per tutte le temporizzazioni inter-
ne al chip e persino per gli effetti parassiti ai contatti esterni.
Solo se si tiene conto di tutto il tool di simulazione circuitale,
si può generare per ogni nodo del circuito la forma d’onda
più verosimile a quella realmente presente.
Altri due fastidi tipici dei moderni sistemi con frequenze di
lavoro ben oltre il GHz sono i jitter e la Bit Error Rate, o BER,
la cui valutazione può essere fatta analizzando i diagram-
mi a occhio. In pratica, per jitter si intendono le elongazioni
che si generano ai gradini di salita e discesa degli impulsi,
disegnando variazioni delle forme d’onda nel tempo che
si traducono in valori falsati di ampiezza, fase e frequenza
che a loro volta si manifestano chiudendo parzialmente il
diagramma a occhio. Oggi si sa che ogni tipo di jitter cau-
sa un diverso effetto sul diagramma a occhio e per cui in
questo modo si può riconoscere, ad esempio, l’interferenza
intersimbolica oppure altre problematiche semplicemente
usando l’oscilloscopio. D’altra parte, con la simulazione si
possono volutamente applicare numerose cause di jitter e
analizzarne le conseguenze valutando molti più scenari in
un sol colpo e perciò ottenendo un quadro delle prestazio-
ni del sistema più completo. L’oscilloscopio costringe a fare
una misura per ogni variabile da esaminare ma è più reali-
stico e consente, per esempio, di misurare il jitter introdotto
dal rumore termico che non si può simulare malgrado ne sia
la causa predominante. La sua natura casuale, infatti, non ne
consente una simulazione fedele e costringe ad acconten-
tarsi di una sua rappresentazione gaussiana, che può solo
assomigliargli quanto più possibile ma non sarà mai specu-
lare a quella realmente rilevata dall’oscilloscopio.
Test mirati
Uno degli effetti causati dai jitter è l’aumento della probabili-
tà d’errore BER, che può essere direttamente letta in termini
di tasso d’errore nel tempo nelle “bathtub curves” o “curve a
vasca da bagno” costruite componendo i risultati di un buon
numero di diagrammi a occhio rilevati con l’oscilloscopio.
Purtroppo, nel caso di bassi valori di BER ossia di debole
distorsione queste curve sono difficili da acquisire se non
prolungando le misure per molto tempo e nei sistemi più
complessi possono servire anche parecchi giorni. La velo-
cità di errore BER può essere estrapolata più efficacemente
con la simulazione, che permette di introdurre un gran nu-
mero di condizioni al contorno e ottenere immediatamente
una valutazione più completa. Un altro fatto che può ren-
dere molto diverse le forme d’onda direttamente misurate
da quelle simulate
è la
differenza fra i modelli delle piste di
rame nei circuiti stampati e la loro effettiva fisionomia so-
pra la scheda, che tipicamente mostra variazioni casuali di
larghezza, densità e spessore che ne cambiano l’impedenza
e possono falsare il diagramma a occhio. Affinché la simu-
lazione sia realistica, occorre verificare che le piste di rame
sulle schede, i pin dei contatti dei chip e i connettori per i
cablaggi abbiano dei modelli che corrispondano nelle ca-
ratteristiche in tutte le condizioni di impiego ossia nell’intera
banda di interesse, perché solo così la distribuzione dell’im-
pedenza lungo tutto il tragitto percorso dalle forme d’onda
può corrispondere a quella realmente presente sulla sche-
da. Inoltre, la modellizzazione diventa più difficile quando ci
sono degli I/O che incorporano dei buffer per immagazzi-
nare temporaneamente piccole quantità di segnale, che poi
rilasciano con una temporizzazione modificata, per adattarsi
in entrata al circuito interno e in uscita al canale di comuni-
cazione esterno. In questi casi occorre fare un bel po’ di test
e misure usando proprio l’oscilloscopio per poter costruire
un modello che corrisponda fedelmente alle caratteristiche
dell’I/O da mettere nel tool di simulazione. Si può anche usa-
re un analizzatore vettoriale per applicare degli stimoli sugli
I/O in tutta la banda di interesse e misurare quanta ener-
gia venga trasmessa e quanta venga riflessa all’interfaccia
di contatto a ogni frequenza, ricavandone così un modello.
Similmente con un riflettometro si può esaminare quanta
energia venga riflessa o trasmessa nel dominio del tempo
quando si applicano i gradini di salita o di discesa che tipi-
camente causano i jitter. Certamente la simulazione è oggi
un potente strumento che accompagna il progettista dall’i-
nizio della fase di progetto e ne accelera lo svolgimento, a
patto di perdere un po’ di tempo per definire molto bene i
modelli di tutti i componenti del sistema circuitale affinché
tengano conto di tutte le variabili che possono modificarne
le caratteristiche. D’altro canto, alcuni fenomeni sono elusi
dalla simulazione e per affrontarne lamessa a punto bisogna
per forza realizzare un adeguato prototipo sul quale esegui-
re delle misure nelle reali condizioni di funzionamento del
sistema. Le misure dirette rimangono quindi un’importante
risorsa da affiancare alla fase di simulazione per aiutare il
progettista nel ciclo di sviluppo.
n
Fig. 2 – Per generare le “bathtub curve” che evidenziano la probabilità
di guasto nel tempo la simulazione è molto più rapida ed efficace delle
misure dirette