Leiterplattentechnisch - Signal Integrity Design von Gigabit Equipment PCB

Dieser Artikel diskutiert hauptsächlich die Probleme der Signalintegrität, die bei der Gigabit-Datenübertragung berücksichtigt werden müssen, und stellt gleichzeitig die Verwendung von PCB-Designwerkzeugen vor, um diese Probleme zu lösen, wie Hauteffekt und dielektrischer Verlust, den Einfluss von Durchkontaktierungen und Steckern, Differenzsignale und Verdrahtungserwägungen, Energieverteilung und EMI-Steuerung, etc.

Die schnelle Entwicklung der Kommunikations- und Computertechnologie hat Hochgeschwindigkeits-PCB-Design in das Gigabit-Feld eingeführt. Der Einsatz neuer Hochgeschwindigkeitsgeräte ermöglicht es, solche hohen Geschwindigkeiten über große Entfernungen auf der Backplane und Single Board zu übertragen. Gleichzeitig sind die Probleme der Signalintegrität (SI), der Netzintegrität und der elektromagnetischen Kompatibilität ebenfalls prominenter. Signalintegrität bezieht sich auf die Qualität des Signals, das auf der Signalleitung übertragen wird. Zu den Hauptproblemen gehören Reflexion, Oszillation, Timing, Ground Bounce und Übersprechen. Schlechte Signalintegrität wird nicht durch einen einzigen Faktor verursacht, sondern durch eine Kombination mehrerer Faktoren im Design auf Platinenebene. Beim PCB-Board-Design von Gigabit-Geräten erfordert ein gutes Signalintegritätsdesign von Ingenieuren, die Probleme der Komponenten, Übertragungsleitungsschemata, Energieverteilung und EMV vollständig zu berücksichtigen. EDA-Tools haben sich von der reinen Simulationsprüfung zu einer Kombination aus Design und Verifizierung entwickelt und helfen Designern, Regeln früh im Design festzulegen, um Fehler zu vermeiden, anstatt später Probleme im Design zu finden. Da die Datenrate höher wird und das Design immer komplexer wird, werden Hochgeschwindigkeits-PCB-Systemanalysewerkzeuge notwendiger. Diese Tools umfassen Timing-Analyse, Signalintegritätsanalyse, Scananalyse von Designraumparametern, EMV-Design, Stabilitätsanalyse von Energiesystemen usw. Hier konzentrieren wir uns auf einige Probleme, die bei der Signalintegritätsanalyse beim PCB-Design von Gigabit-Geräten berücksichtigt werden sollten.

Hochgeschwindigkeitsgeräte und Gerätemodelle

Obwohl die Gigabit-Sende- und Empfangskomponentenlieferanten Konstruktionsinformationen über den Chip bereitstellen, gibt es auch einen Prozess für den Komponentenlieferanten, um die Signalintegrität des neuen Geräts zu verstehen, so dass die vom Komponentenlieferanten gegebenen Designrichtlinien möglicherweise nicht ausgereift sind. Ja, die vom Gerätelieferanten vorgegebenen Designbeschränkungen sind in der Regel sehr hart, und es ist für den Konstrukteur sehr schwierig, alle Designregeln zu erfüllen. Daher ist es notwendig, dass Signalintegritätsingenieure Simulationsanalyse-Tools verwenden, um die Beschränkungsregeln und das tatsächliche Design des Lieferanten zu analysieren, Komponentenauswahl, Topologie, Matching-Schema und Wert übereinstimmender Komponenten zu untersuchen und zu optimieren und schließlich zu entwickeln, um Signalintegrität PCB-Layout und Routing-Regeln zu gewährleisten. Daher ist die genaue Simulationsanalyse von Gigabit-Signalen sehr wichtig geworden, und der Rolle von Gerätemodellen in der Signalintegritätsanalyse wurde auch mehr und mehr Aufmerksamkeit geschenkt.

Das Komponentenmodell umfasst in der Regel ein IBIS-Modell und ein Spice-Modell. Da sich die Simulation auf Platinenebene nur um die Signalantwort von Ausgangspins zu Eingangspins durch das Verbindungssystem kümmert und IC-Hersteller keine detaillierten Schaltungsinformationen innerhalb des Geräts auslaufen möchten, und die Simulationszeit des Spice-Modells auf Transistor-Ebene ist normalerweise unerträglich, so dass das IBIS-Modell in Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten verwendet wird. Das Designfeld wird allmählich von immer mehr Geräteherstellern und Signalintegritätsingenieuren akzeptiert.

Für die Simulation von Leiterplattensystemen von Gigabit-Geräten stellen Ingenieure oft die Genauigkeit des IBIS-Modells in Frage. Wenn das Gerät im Sättigungs- und Cut-Off-Bereich des Transistors arbeitet, fehlen dem IBIS-Modell ausreichende detaillierte Informationen, um es zu beschreiben. Im nichtlinearen Bereich des Transientenantrags können die Simulationsergebnisse mit dem IBIS-Modell keine genauen Antwortinformationen wie das Transistor-Level-Modell liefern. Für ECL-Geräte kann jedoch ein IBIS-Modell erhalten werden, das sehr konsistent mit den Simulationsergebnissen des Transistor-Level-Modells ist. Der Grund ist einfach. Der ECL-Treiber arbeitet im linearen Bereich des Transistors, und die Ausgangswellenform ist näher an der idealen Wellenform. Entsprechend dem IBIS-Standard kann es genauer sein. IBIS Modell.

Mit zunehmender Datenübertragungsrate wurden Differenzgeräte, die auf Basis der ECL-Technologie entwickelt wurden, stark entwickelt. LVDS-Standards und CML etc. ermöglichen die Übertragung von Gigabit-Signalen. Aus der obigen Diskussion ist ersichtlich, dass der IBIS-Standard aufgrund der Schaltungsstruktur und der entsprechenden differenziellen Technologieanwendung weiterhin für die Auslegung von Gigabit-Systemen geeignet ist. Einige veröffentlichte Anwendungsartikel des IBIS-Modells im 2.5GbpsLVDS- und CML-Design belegen dies ebenfalls.

Da das IBIS-Modell nicht zur Beschreibung aktiver Schaltkreise geeignet ist, ist das IBIS-Modell für viele Gbps-Geräte mit Vorbetonungsschaltungen zur Verlustkompensation nicht geeignet. Daher kann das IBIS-Modell bei der Auslegung eines Gigabit-Systems nur unter folgenden Bedingungen effektiv arbeiten:

1. Differentialgeräte arbeiten im Verstärkungsbereich (lineare V-I-Kurve)

2. Das Gerät hat keine aktive Pre-Emphasing Schaltung

3. Das Gerät verfügt über einen Vorschaltkreis, startet aber nicht (die Aktivierung der Vorschaltfunktion in einem kurzen, miteinander verbundenen System kann zu schlechteren Ergebnissen führen)

4. Das Gerät hat eine passive Vorbetonungsschaltung, aber die Schaltung kann von der Matrize des Geräts getrennt werden.

Wenn die Datenrate 10Gbps oder höher ist, ähnelt die Ausgangswellenform eher einer Sinuswelle, und dann ist das Spice-Modell anwendbarer.

Verlusteffekt

Wenn die Signalfrequenz steigt, kann die Dämpfung auf der Übertragungsleitung nicht ignoriert werden. Zu diesem Zeitpunkt ist es notwendig, den Verlust zu betrachten, der durch den äquivalenten Widerstand des Leiters in Reihe und die äquivalente Leitfähigkeit des Mediums parallel verursacht wird, und das verlustbehaftete Übertragungsleitungsmodell muss für die Analyse verwendet werden.

Das äquivalente Modell einer verlustfreien Übertragungsleitung ist in Abbildung 1 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der äquivalente Reihenwiderstand R und die äquivalente Parallelleitfähigkeit G den Verlust charakterisieren. Der äquivalente Reihenwiderstand R ist der Widerstand, der durch den DC-Widerstand und den Skin-Effekt verursacht wird. Der Gleichstromwiderstand ist der Widerstand des Leiters selbst, der durch die physikalische Struktur des Leiters und den Widerstand des Leiters bestimmt wird. Wenn die Frequenz zunimmt, beginnt der Hauteffekt zu wirken. Der Skin-Effekt ist ein Phänomen, bei dem sich der Signalstrom im Leiter auf der Leiteroberfläche konzentriert, wenn ein Hochfrequenzsignal durch den Leiter fließt. Im Inneren des Leiters zerfällt die Signalstromdichte exponentiell entlang des Querschnitts des Leiters, und die Tiefe, in der die Stromdichte auf die ursprüngliche 1/e abnimmt, wird die Hauttiefe genannt. Je höher die Frequenz, desto kleiner die Hauttiefe, was zu einer Erhöhung des Widerstands des Leiters führt. Die Hauttiefe ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Frequenz.

Die äquivalente Parallelleitfähigkeit G wird auch dielektrischer Verlust (DielektricLoss) genannt. Bei niedrigen Frequenzen ist die äquivalente Parallelleitfähigkeit mit der Schüttgutleitfähigkeit und der äquivalenten Kapazität des Mediums verbunden, und wenn die Frequenz steigt, beginnt der dielektrische Verlustwinkel eine führende Rolle zu spielen. Zu diesem Zeitpunkt wird die dielektrische Leitfähigkeit durch den dielektrischen Verlustwinkel und die Signalfrequenz bestimmt.

Im Allgemeinen, wenn die Frequenz kleiner als 1GHz ist, spielt der Hauteffektverlust eine wichtige Rolle, und wenn die Frequenz über 1GHz ist, dominiert der dielektrische Verlust.

In der Simulationssoftware können Sie dielektrische Konstante, dielektrische Verlustwinkel, Leiterleitfähigkeit und Trennfrequenz einstellen. Die Software berücksichtigt den Hauteffekt und den dielektrischen Verlust entsprechend der Struktur der Übertragungsleitung während der Simulation. Wird eine Dämpfung simuliert, muss die entsprechende Grenzfrequenz entsprechend der Bandbreite des Signals eingestellt werden. Die Bandbreite wird durch die Signalrandrate bestimmt. Die Kantenrate vieler 622MHz-Signale und 2.5GHz-Signale unterscheidet sich nicht viel. Darüber hinaus ist das Äquivalent im Modell verlustbehafteter Übertragungsleitungen zu sehen. Widerstand und Leitfähigkeit variieren je nach Frequenz.

Aus Abbildung 2 ist ersichtlich, dass der Verlust die steigende Kante des Signals verlangsamt, das heißt, die Bandbreite des Signals reduziert und der Verlust die Amplitude des Signals verringert. Auf der anderen Seite ist dies gut, um Signalüberschreitungen zu unterdrücken.

Auch das Übersprechen der Übertragungsleitung wirkt sich auf den Verlust aus. Übersprechen wird durch die physikalische Struktur der Übertragungsleitung, Kupplungslänge, Signalstärke und Kantenrate bestimmt. Nach einer bestimmten Länge sättigt sich das Übersprechen, aber der Verlust wird nicht notwendigerweise zunehmen.

Einfluss von Vias und Steckverbindern

Vias übertragen das Signal auf die andere Seite des Boards. Der vertikale Metallteil zwischen den Platten ist unkontrollierbar Impedanz, und der Biegepunkt von horizontal zu vertikal ist ein Bruchpunkt, der Reflexion verursacht, so dass sein Aussehen minimiert werden sollte (Abbildung 3).

Bei der Auslegung und Simulation eines Gigabit-Systems ist der Einfluss von Durchkontaktierungen zu berücksichtigen und ein Via-Modell ist erforderlich. Die Modellstruktur des Durchgangs ist in Form eines Reihenwiderstands R, einer Induktivität L und einer Parallelkapazität C. Entsprechend spezifischen Anwendungen und Genauigkeitsanforderungen können mehrere RLC-Strukturen parallel verwendet werden, und Kopplung mit anderen Leitern kann in Betracht gezogen werden. Zu diesem Zeitpunkt ist das via Modell eine Matrix.

Es gibt zwei Methoden, um das Via-Modell zu erhalten. Eine besteht darin, sie durch Tests wie TDR zu erhalten, und die andere kann durch einen 3D-Feldextraktor (FieldSolver) basierend auf der physikalischen Struktur des Durchgangs extrahiert werden.

Über Modellparameter beziehen sich auf Material, Stapel, Dicke, Pad-/Anti-Pad-Größe der Leiterplatte und die Verbindungsmethode des mit ihr verbundenen Drahtes. In der Simulationssoftware können verschiedene Parameter entsprechend den Genauigkeitsanforderungen eingestellt werden. Die Software extrahiert das Modell des Via nach dem entsprechenden Algorithmus und berücksichtigt dessen Einfluss während der Simulation.

Bei der Gestaltung der Gigabit-Systemplatine sollte der Einfluss des Steckers besonders berücksichtigt werden. Die Entwicklung der Hochgeschwindigkeits-Steckertechnologie kann bereits während der Signalübertragung die Kontinuität der Impedanz und der Masseebene garantieren. Die Simulationsanalyse des Steckverbinders in der Konstruktion ist hauptsächlich Verwendung eines Mehrlinienmodells.

Das Steckverbindermodell ist ein Modell, das in einem dreidimensionalen Raum unter Berücksichtigung der Induktivitäts- und Kapazitätskopplung zwischen den Pins extrahiert wird. Das Verbindungsmehrlinienmodell verwendet im Allgemeinen einen dreidimensionalen Feldextraktor, um die RLGC-Matrix zu extrahieren, die in der Regel in Form einer Spice-Modell-Unterschaltung ist. Aufgrund der komplexen Struktur des Modells dauert die Extraktion und Simulationsanalyse sehr lange. In der SpecctraQuest-Software können Sie das Spice-Modell des Steckers in ein Espice-Modell bearbeiten, dem Gerät zuweisen oder direkt aufrufen, oder es in ein Paketmodell im DML-Format bearbeiten und dem Gerät zuweisen.

Unterschiedliche Signal- und Verdrahtungsüberlegungen

Differentialsignal hat die Vorteile der starken Störfestigkeit und der hohen Übertragungsrate. In der Gigabit-Signalübertragung kann es den Einfluss von Übersprechen und EMI besser reduzieren. Seine Kupplungsformen umfassen Kantenkupplung und obere und untere Kupplung, lose Kupplung und dichte Kupplung.

Verglichen mit der oberen und unteren Kupplung hat die Kantenkupplung die Vorteile einer besseren Reduzierung des Übersprechens, einer bequemen Verdrahtung, einer einfachen Verarbeitung usw., und die obere und untere Kupplung werden häufiger auf Leiterplatten mit hoher Verdrahtungsdichte angewendet. Verglichen mit loser Kupplung hat die enge Kupplung eine bessere Interferenzfähigkeit und kann Übersprechen reduzieren, während die lose Kupplung die Kontinuität der Differenzspurimpedanz besser steuern kann.

Spezifische Differential-Routing-Regeln sollten die Auswirkungen von Impedanzkontinuität, Verlust, Übersprechen und Spurlängenunterschieden je nach Situation berücksichtigen. Am besten verwenden Sie Augendiagramme, um Simulationsergebnisse für Differenzlinien zu analysieren. Die Simulationssoftware kann den zufälligen Sequenzcode einstellen, um das Augendiagramm zu generieren, und kann die Jitter- und Offsetparameter eingeben, um seine Auswirkungen auf das Augendiagramm zu analysieren.

Energieverteilung und EMV

Der Anstieg der Datenübertragungsrate geht mit einer schnelleren Kantenrate einher, und es ist notwendig, die Stabilität der Stromversorgung in einem breiteren Frequenzband zu gewährleisten. Ein Hochgeschwindigkeitssystem kann einen transienten 10A Strom passieren und erfordert eine maximale Spannungswelligkeit von 50mV, was bedeutet, dass die Impedanz des Stromverteilungsnetzes innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs innerhalb von 5mΩliegen muss. Beispielsweise beträgt die Anstiegszeit des Signals weniger als 0,5ns, der Bandbreitenbereich beträgt bis zu 1,0GHz.

Bei der Auslegung eines Gigabit-Systems ist es notwendig, die Interferenz des synchronen Rauschens (SSN) zu vermeiden und sicherzustellen, dass das Stromverteilungssystem innerhalb der Bandbreite eine niedrigere Impedanz aufweist. Im Allgemeinen werden im Niederfrequenzband Entkopplungskondensatoren verwendet, um die Impedanz zu reduzieren, und im Hochfrequenzband werden Stromversorgung und Erdungsebene Verteilung hauptsächlich berücksichtigt. Abbildung 4 zeigt das Frequenzgangsdiagramm der Impedanzänderungen, wenn Entkopplungskondensatoren für Leistungs- und Masseebenen berücksichtigt werden und wenn die Entkopplungskondensatoren nicht berücksichtigt werden.

SpecctraQuest Software kann die Auswirkungen von synchronen Rauschen analysieren, die durch die Paketstruktur verursacht werden. Die Software PowerIntegrity (PI) verwendet Frequenzbereichsanalyse des Stromverteilungssystems, die effektiv die Anzahl und den Standort von Entkopplungskondensatoren und die Auswirkungen von Energie- und Erdungsebenen analysieren kann und Ingenieuren hilft, Entkopplungskondensatoren Auswahl und Platzierung, Verkabelung und Ebenenverteilungsanalyse durchzuführen.