Leiterplattentechnisch - Analyse der Signalintegrität von MCM High-Speed Schaltungen Layout Design

Zusammenfassung: Mit der Zunahme der Verpackungsdichte und der Zunahme der Betriebsfrequenz, die signal integrity problem in MCM circuit Design kann nicht ignoriert werden. Dieser Artikel nimmt die Detektorschaltung als Beispiel. Erstens, the Layout Design Die Schaltung wird mittels APD-Software realisiert, und dann mit der Signalintegritätsanalyse kombiniert, die Schaltung Layout Struktur wird wiederholt angepasst. Die final Spectra Quest software simulation results show that the improved circuit Layout Erfüllen Sie die Anforderungen an die Signalintegrität bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung hoher Simulationsgenauigkeit.

Schlüsselwörter: Multi-Chip-Komponenten; Ort und Route; Signalintegrität; Reflexion; Verzögerung

Mit der Entwicklung der integrierten Schaltungstechnologie wird die Arbeitsgeschwindigkeit von Multi-Chip-Komponenten immer höher, und die Verarbeitung von Hochgeschwindigkeitssignalen ist der Schlüssel zum Erfolg des MCM-SchaltungsDesigns geworden. Wenn die steigende oder fallende Kante des Taktsignals sehr klein ist, verursacht dies Übertragungsleitungseffekte, das heißt Signalintegritätsprobleme.

Dies Design nimmt die Detektorschaltung als Beispiel, and elaborates on the method of MCM Layout Design Verwendung von Signalintegritätsanalysewerkzeugen. Erstens, Erweiterung der Paketteilebibliothek, um die Anforderungen bestimmter Schaltkreise zu erfüllen Layout Design; then use APD (Advanced Package Designer) software to directly call the component packaging symbols to complete the preliminary Layout Design des Stromkreises; Reflexion endlich kombinieren, Verzögerung und elektromagnetische Verträglichkeit Nach der Signalintegritätssimulation werden die Analyseergebnisse wiederholt angepasst, die verbesserte Schaltung Layout reduziert die Reflexion des Signals, die relative Verzögerung des Eingangssignals überschreitet nicht 0.2ns, und das elektromagnetische Störphänomen wird auch unterdrückt, um die Signalintegritätsanforderungen zu erfüllen.

Software Realisierung von MCM Place and Route

Wie oben erwähnt, umfasst die Realisierung des MCM-Layouts die Generierung von Schaltplänen, die Erweiterung der Teilebibliothek und die endgültige Layout- und Routing-Vervollständigung und Verarbeitung von Datendateien. APD Layout umfasst fünf Typen: Padstack (*.pad), Package Symbol (*.psm), Mechanisches Symbol (*.bsm), Format Symbol (*.osm) und Shape Symbol (*.ssm). Im MCM-LayoutDesign müssen alle Layouts die richtige Library Packing haben. Die integrierte Paketbibliothek der MCM-Designsoftware kann die spezifischen Designanforderungen oft nicht erfüllen. Erst nachdem die Teilebibliothek erweitert wurde, können die Teile direkt für die Layoutgestaltung und die endgültige Ausgabe der Prozessdatei verwendet werden. Verwenden Sie zuerst die Padstack Editor-Software, um die Teilebibliothek zu erweitern, dann die Schaltung zu verpacken und die Netzlistendatei für elektrische Verbindungen über Concept HDL in die APD-Software zu exportieren und schließlich das SchaltungsLayout abzuschließen. Im gesamten Design sind 16-Padstacks und 81-Paketsymbole definiert, Padstack wird 251-Mal genannt und Funktionseinheiten werden 89-mal genannt, unter denen 251-Komponenten-Paket-Symbol-Pins und 229-Funktionseinheiten-Pins geteilt werden.

Es ist zu beachten, dass die von Orcad erzeugte Datei in die mcm-Datei der APD-Software konvertiert werden muss, wenn Orcad für das vorläufige SchaltungsDesign verwendet wird. Aber weil die konvertierte mcm-Datei ein ähnliches Problem wie brd hat, wird die Concept HDL-Software verwendet, um die Netzlistendatei zu exportieren, und dann wird die Netzwerkkabeltopologie zur Simulation extrahiert. Um die Simulationszeit zu reduzieren, wird ein Teilmodul-Simulationsverfahren verwendet.

Simulationsanalyse

IBIS-Modell

Spectra Quest ist das gleiche wie andere Schaltungsanalyse-Software. Um genaue Simulationsergebnisse zu erhalten, müssen Sie zunächst genaue elektrische Modelle für Schaltungskomponenten bereitstellen. Spectra Quest Software verwendet das IBIS Modell. Das IBIS-Modell (Input/Output Buffer Information Specification) verwendet I/V- und V/T-Tabellen, um die Eigenschaften von I/O-Einheiten und Pins zu beschreiben. Es handelt sich um einen schnellen und genauen I/O-Puffer basierend auf der V/I-Kurve. Die Methode des Modells. Es bietet ein Standarddateiformat zur Aufzeichnung von Parametern wie Treiber- oder Empfängerausgangsimpedanz, Steig-/Fallzeit und Eingangslast. Diese Parameter werden von Spectra Quest gelesen. Das IBIS-Modell verfügt über die für die Analyse der Signalintegrität erforderlichen Informationen und eignet sich sehr gut zur Berechnung und Simulation hochfrequenter Effekte wie Oszillation und Übersprechen.

Der Sigxplorer in Spectra Quest akzeptiert das IBIS-Modell und konvertiert es dann in eine einzigartige Designmodellierungssprache DML, um die Modellierung der komplexen I/O-Struktur abzuschließen. Darüber hinaus kann der Constraint Manager in Sigxplorer die in der Simulation verwendeten Parameter verwalten und in die nachfolgenden Platzierungs- und Routingbeschränkungen einbetten.

Reflexionsanalyse

Die Reflexion, das Echo auf der Übertragungsleitung, wird durch die Unterbrechung der Impedanz verursacht. Die Impedanzanpassung zwischen der Quelle und der Last verursacht Reflexionen auf der Leitung, und die Last reflektiert einen Teil der Spannung zurück zur Quelle. Wenn die Lastimpedanz kleiner als die Quellimpedanz ist, ist die reflektierte Spannung negativ; ansonsten ist die reflektierte Spannung positiv. Die ideale Situation ist, dass die Ausgangsimpedanz, die Übertragungsleitungsimpedanz und die Lastimpedanz alle gleich sind. Zu diesem Zeitpunkt ist die Impedanz der Übertragungsleitung kontinuierlich und es tritt keine Reflexion auf. Die Amplitude des reflektierten Spannungssignals wird durch den Quellreflexionskoeffizienten rS und den Lastreflexionskoeffizienten rL bestimmt.

Der Schlüssel zur Lösung der Übertragungsleitungsreflexion ist die Impedanzsteuerung. Impedanz Matching kann die Reflexion der Übertragungsleitung unterdrücken. Es gibt vier übereinstimmende Terminierungsmethoden: parallele Terminierung, Thevenin äquivalente Paralleltermination, AC Termination und Reihentermination. Hier wird das Thevenin äquivalente parallele Abschlussverfahren verwendet, um die Eingangsimpedanz der Detektorschaltung zu steuern, und dann wird die Schaltungstopologie extrahiert, und die Übertragungseigenschaften der Schaltung vor und nach dem übereinstimmenden Abschluss werden jeweils simuliert.

Vor dem Abschluss wird die Wellenform an der steigenden Kante verzerrt, was leicht zu Fehlbedienungen führt. Der übereinstimmende Abschluss beseitigt effektiv die Verzerrung des Signals, und die Monotonizität ist sehr gut, und das Originalsignal wird an der steigenden Kante hochgezogen, und die Pegelschaltung wird im Voraus eingegeben, was die Steady-State-Zeit des Signals erhöht, und die steigende Kante des Signals ist relativ stabil. Obwohl es in der hochrangigen Wartungsphase zu einem Überschuss kommt, hat dies keinen Einfluss auf die Signalbestätigung, und die Signalqualität ist ideal. Darüber hinaus hat die Länge der Signalübertragungsleitung auch einen bestimmten Effekt auf die Reflexion. Die Simulation fand heraus, dass, wenn die Übertragungsleitung lang war, das vorhergesagte Reflexionsphänomen erschien; Wenn die Übertragungsleitung kurz war, stimmten Simulationswellenform und Analyseergebnis gut überein. Daher ist die Verdrahtungslänge unterschiedlich und seine Verarbeitungsmethode sollte unterschiedlich sein. Im Allegemeinen, wenn die Spurenlänge kleiner als 2 Zoll ist, wird sie als eine Lumpenparameter-LC-Schaltung behandelt; Wenn es größer als 8 Zoll ist, wird es als eine verteilte Parameter-Übertragungsleitungsschaltung behandelt.

Verzögerungsanalyse

Mit der Erhöhung der Betriebsfrequenz des Systems, wenn das Signal steigt oder fällt Kante sehr steil ist, kann die Verdrahtungsverzögerung nicht mehr ignoriert werden. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Einrichtung und Wartung des Signals und kann sogar das Timing des Systems beeinflussen und Fehlfunktionen verursachen, so dass es berücksichtigt werden muss. Das MCM-HochgeschwindigkeitsschaltungsDesign erfordert, dass die Phasenabweichung des Speicherchips nicht zu groß sein kann, so dass die Verdrahtungsverzögerung vom Antriebsende zum Empfangsende ungefähr gleich sein sollte. Die Länge der Signalleitung hat einen großen Einfluss auf die Übertragungsqualität und kann dazu führen, dass das Signal während des Übertragungsprozesses verzerrt wird. Die Signalübertragungsqualität verschlechtert sich mit zunehmender Leitungslänge. Bei zu langen Signalleitungen sollte das Quell- oder Klemmenabgleich verwendet werden, um die Übertragungsqualität zu verbessern. Mit Hilfe von Signalintegritätssimulationswerkzeugen können Sie die Verzögerung vom Antriebsende zu jedem Chip leicht simulieren und dann das Layout und das Routing entsprechend den Simulationsergebnissen anpassen, um die vorbestimmten Anforderungen zu erfüllen.

Jedes Signal des Detektors sollte die gleiche Übertragungsverzögerung so weit wie möglich beibehalten, was eine möglichst gleichmäßige Verkabelung erfordert. Bei geringfügigen Abweichungen kann die Verkabelung entsprechend den Simulationsergebnissen verlängert oder verkürzt werden. Nach Abschluss der Verkabelung, verwenden Sie Spectra Quest Software, um die Übertragungsverzögerung des Eingangssignals zu simulieren. Die spezifischen Parameter sind in Tabelle 2 dargestellt. Es ist zu sehen, dass die relative Verzögerung 0,2ns nicht überschreitet, und das Simulationsergebnis ist ideal.

EMI-Analyse

Die obige Analyse der Signalreflexion und der Verzögerung im Zeitbereich, zusätzlich EMI (elektromagnetische Interferenz) ist auch ein wichtiger Aspekt des HochgeschwindigkeitsschaltungsDesigns.

Elektromagnetische Störungen umfassen übermäßige elektromagnetische Strahlung und Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Strahlung. Zu hohe Betriebsfrequenz, zu schnelle Signaländerungen oder unzumutbare Anordnung und Verkabelung können elektromagnetische Störungen verursachen. EMI-Simulationen wurden an den Detektorschaltungen vor und nach dem Klemmenabgleich durch Änderung der Verdrahtungsstrategie durchgeführt. Das Rauschen, das durch das Signal erzeugt wird, dauert von 0 bis 2GHz mit einem breiten Bereich an, und die Strahlungsintensität jeder Frequenz ist nicht gleich. Die Strahlungsintensität einiger Frequenzen überschreitet die Grenze, d.h. die elektromagnetische Störung des Signals bei dieser Frequenz hat die Widerstandsfähigkeit des Systems überschritten. Insofern sollten Maßnahmen ergriffen werden, um seinen Strahlungsniveau zu verringern. Führen Sie eine Impedanzsteuerung nach dem oben genannten Verfahren durch und minimieren Sie die Verdrahtungslänge. Es kann gesehen werden, dass die Frequenzwelle, die die Grenze überschreitet, unter die horizontale Linie gefallen ist, und die Strahlungsintensität jedes Frequenzpunktes reduziert wurde, und die gesamte Strahlungsintensität reduziert wurde. Dies zeigt, dass bei der Signalübertragung das Ändern der Verdrahtungslänge und das Hinzufügen eines geeigneten passenden Abschlussnetzes nicht nur die Übertragungseigenschaften des Signals verbessert, sondern auch die elektromagnetische Strahlungsintensität verringert und die Qualität des Signals verbessert.

Schlussbemerkungen

Wann Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsstrecken, Verwenden Sie zuerst genaue Gerätemodelle, um Signalintegrität und EMI-Simulationsanalyse von Systemfunktionen durchzuführen, um die Layout der Schaltung, und dann simulieren, um das Verdrahtungsnetzwerk zu verbessern, bis ein zufriedenstellendes Verdrahtungsergebnis erzielt wird. Dies Design simuliert und analysiert hauptsächlich die Reflexion, Verzögerungs- und EMI-Probleme der MCM-Platzierung und -Routing im Zeitbereich und Frequenzbereich basierend auf dem MCM Layout Design Technologie, kombiniert mit den Detektorverpackungsbeispielen, und erzielte gute Ergebnisse.