vignette| Diagramme de l'œil simulé affichant une forme d'onde d'un signal d'une mémoire vive dynamique DDR3. En électronique logique et numérique, l'expression intégrité du signal ou SI (pour signal integrity en anglais) désigne la qualité du signal électrique qu'il est nécessaire de maintenir pour que le système effectue la tâche pour laquelle il est conçu.
Le souci de l'intégrité du signal surgit dans la conception d'un nouveau dispositif électronique au moment de passer du schéma de principe au dessin de sa réalisation matérielle. Aux cadences supérieures à , on ne peut plus négliger, comme dans le schéma, les caractéristiques électriques des connexions entre composants : un simple conducteur a une résistance et une réactance, et dans leur réseau serré, chacun interfère au moins avec les plus proches. Le schéma de principe ne représente pas, en général, l'alimentation des circuits ; celle-ci peut cependant, en faisant varier les tensions de référence, affecter le signal.
Dans les conducteurs, le signal électrique se propage à environ la moitié de la vitesse de la lumière, ce qui ramené à la taille d'un circuit donne : aux cadences élevées, le temps que met le signal pour passer d'un composant à un autre n'est pas négligeable. Le rapport entre le temps de propagation entre deux éléments et la période du renouvellement du signal logique est un indicateur important de la nature des problèmes attendus.
L'intégrité du signal est ensuite une exigence dans l'intégration des systèmes électroniques et dans leur exploitation.
Généralités En électronique logique, qu'elle soit numérique ou partie d'un automatisme, les signaux peuvent avoir exclusivement deux valeurs, 0 ou 1, à un instant donné. Le signal électrique qui doit représenter ces valeurs est une grandeur qui varie sur une échelle continue. Le circuit récepteur convertit, à un certain moment, la valeur électrique moyenne de ce signal sur une certaine durée, en une valeur logique. Au cours de la transmission du signal électrique, le bruit de fond des circuits, les interférences, la distorsion linéaire ou non, des pertes, des retards et autres effets indésirables affectent les signaux électriques.
Sur de courtes distances, à faible cadence, et assez loin d'une autre ligne parallèle, un simple conducteur peut transmettre un signal logique avec une fidélité suffisante. À un débit binaire élevé, sur de plus longues distances ou à travers des milieux divers, plusieurs effets peuvent dégrader le signal électrique au point de causer des erreurs fatales et des pannes dans le système ou le dispositif. L'ingénierie de l'intégrité du signal consiste à analyser et à atténuer ces effets. Cette activité est cruciale pour la conception et l'assemblage des composants électroniques, des connexions internes d'un circuit intégré (IC) à ses liaisons au boîtier, pour les cartes de circuit imprimé (PCB), le fond de panier et les connexions inter-équipements. Bien que des thèmes communs relient ces différents niveaux, des considérations pratiques entraînent des différences substantielles entre ces applications. Le rapport entre temps de propagation dans les conducteurs concernés et cadence de succession des bits est un indice de difficultés particulières.
La distorsion, la suroscillation, la diaphonie, le , les réflexions en bout de ligne, les interférences, la perte de signal et le bruit d'alimentation affectent l'intégrité du signal.
L'intégration des systèmes électroniques dans une installation industrielle affecte l'intégrité du signal, dès lors que les protocoles de transmission impliquent des débits importants, comme avec des liaisons directes sur fibre optique entre sous-ensembles. L'intégrité du signal implique le respect d'un certain nombre de pratiques, qui se retrouvent au cours de l'exploitation de l'installation, dans la mesure où celle-ci peut entraîner des modifications, volontaires ou non..
Historique L'intégrité du signal concerne principalement les performances électriques des fils et des autres supports de transmission qui transportent les signaux dans un dispositif électronique ou entre 2 équipements. Les questions de performance relèvent de la physique de base et sont ainsi restées relativement inchangées depuis le début de la signalisation électronique logique. Le premier câble télégraphique transatlantique a souffert de graves problèmes d'intégrité du signal. L'analyse de ces problèmes a produit beaucoup des nombreux outils mathématiques qui servent encore de nos jours pour analyser les problèmes d'intégrité du signal, comme les équations des télégraphistes. Vers 1940, des systèmes comme le commutateur téléphonique Western Electric, basé sur des relais métalliques à ressort, subissaient presque tous les effets perturbant les produits numériques modernes : oscillations, diaphonie, le rebond et le bruit d'alimentation. En 1948, Claude Shannon fonde sa théorie de l'information sur la question de l'intégrité de l'information dans un signal électrique en présence de bruit et de distorsion..
Sur les circuits imprimés, on a commencé à se préoccuper sérieusement de l'intégrité du signal lorsque les temps de transition des signaux (montée et descente) sont devenus comparables au temps de propagation à travers la carte, à peu près quand les cadences excèdent quelques dizaines de MHz. Initialement, seuls les signaux les plus importants ou les plus rapides nécessitaient une analyse ou une conception détaillée. À mesure que les vitesses augmentaient, les méthodes d'analyse de l'intégrité du signal et les pratiques associées ont concerné une part de plus en plus grande des signaux. Dans les circuits modernes, à plus de , il faut étudier pratiquement tout.
Pour les circuits intégrés, la miniaturisation des règles de gravure a rendu l'analyse SI nécessaire. Au début de l'ère VLSI moderne, la conception et la disposition des circuits à puce numérique étaient des procédés manuels. L'utilisation de l'abstraction et l'application de techniques de synthèse automatique ont permis aux concepteurs d'utiliser des langages de haut niveau et d'appliquer un processus de conception automatisé pour mettre au point des organisations très complexes, ignorant dans une large mesure les caractéristiques électriques des circuits sous-jacents. La tendance de doublement périodique de la complexité du matériel informatique (loi de Moore) a ramené les effets électriques à l'avant-plan dans les systèmes technologiques récents. Avec le réduction de la résolution de gravure en dessous de , les délais de transmission sont devenus au moins aussi importants que les délais des portes logiques. Il a fallu en tenir compte pour garantir le respect des temps de synchronisation. Pour les nanotechnologies de et moins, les interactions involontaires entre les signaux, comme la diaphonie, sont devenues une considération importante dans la conception numérique. Pour ces technologies, on ne peut pas assurer les performances et l'exactitude d'une conception sans tenir compte des effets du bruit.
La suite de cet article concerne principalement l'intégrité du signal dans les technologies électroniques modernes. Toutefois, les principes de l'intégrité du signal ne sont pas limités aux techniques actuelles. L'intégrité du signal existait bien avant et continuera tant que les communications électroniques existeront.
Intégrité des signaux internes à une puce Les problèmes d'intégrité du signal dans les circuits intégrés (CI) modernes peuvent entraîner des conséquences sévères dans les équipements numériques : les produits peuvent ne pas fonctionner du tout, ou pire, devenir peu fiables sur le terrain ; la conception peut fonctionner, mais uniquement à des vitesses plus lentes que prévu ; le rendement peut diminuer, parfois de façon drastique.
Ces défaillances sont très coûteuses. Les coûts encourus comprennent les coûts des masques photoélectriques, les coûts d'ingénierie et les coûts d'opportunité causés par une introduction retardée du produit. Par conséquent, on a développé des outils d'automatisation de la conception électronique pour analyser, prévenir et corriger ces problèmes. Dans les circuits intégrés (CI), la diaphonie est la principale cause des problèmes d'intégrité du signal. Dans les technologies CMOS, elle est principalement causée par la capacité de couplage. Cependant, en général, elle peut être causée entre autres par une inductance mutuelle, un couplage de substrat et un fonctionnement de porte non idéal. Les correctifs impliquent normalement de changer la taille des amplificateurs, l'espacement des fils ou les deux.
Dans les circuits analogiques, les concepteurs se préoccupent également du bruit provenant de sources physiques, comme le bruit thermique, le bruit de scintillement et le bruit de grenaille. Ces sources de bruit constituent d'une part une limite inférieure au plus petit signal qu'on peut amplifier, et d'autre part, une limite supérieure à l'amplification utile.
Dans les circuits intégrés numériques, le bruit dans un signal provient surtout des effets de couplage causés par la commutation d'autres signaux.
L'augmentation de la densité d'interconnexion a rapproché physiquement chaque fil de ses voisins, produisant une diaphonie accrue entre des signaux voisins. Les dimensions des circuits ayant diminué conformément à la loi de Moore, plusieurs causes ont aggravé les problèmes de bruit. Les principales sont les suivantes.
Pour conserver une résistance acceptable malgré une largeur réduite, les géométries des fils modernes sont plus épaisses proportionnellement à leur espacement. Cela augmente les capacités parasites vis-à-vis des signaux latéraux, au détriment de la capacité par rapport à la terre (GND), augmentant ainsi les tensions de bruit induites (exprimées en fraction de la tension d'alimentation).
La mise à l'échelle de la technologie a entraîné une baisse des tensions de seuil pour les transistors MOS et a également réduit la différence entre les tensions de seuil et d'alimentation, réduisant ainsi l'.
Les vitesses des signaux logiques, et les vitesses d'horloge en particulier, ont augmenté de manière significative, conduisant ainsi à des temps de transition (montée et descente) plus rapides. Ces temps de transition plus rapides sont étroitement liés à une diaphonie capacitive plus élevée. De plus, à de telles vitesses, les propriétés inductives des fils entrent en jeu, surtout l'inductance mutuelle.
Ces causes ont augmenté les interactions entre les signaux et diminué l'immunité au bruit des circuits CMOS numériques. Ils ont fait du bruit un problème important pour les circuits intégrés numériques qui doit être pris en compte par les concepteurs de puces numériques avant le lancement de la fabrication de la puce. Plusieurs problèmes doivent être minimisés.
Le bruit peut faire prendre au signal la mauvaise valeur. Ceci est particulièrement critique lorsqu'on est sur le point de verrouiller ou échantillonner le signal, car une valeur incorrecte pourrait être chargée dans un élément de stockage, provoquant une défaillance logique.
Le bruit peut retarder la stabilisation du signal à la valeur correcte. Ce phénomène est souvent appelé bruit sur retard.
Le bruit (par exemple, une suroscillation) peut faire chuter la tension d'entrée d'une porte en dessous du niveau de la masse () ou lui faire dépasser la tension d'alimentation. Cela peut réduire la durée de vie de l'appareil en sollicitant les composants, en induisant un à l'état passant ou en provoquant des changements d'état multiples de signaux qui ne devraient changer d'état qu'une seule fois au cours d'une période donnée.
Recherche des problèmes d'intégrité du signal dans les circuits intégrés En règle générale, un concepteur de circuits intégrés doit prendre les mesures suivantes pour la vérification de l'intégrité du signal :