Leiterplattentechnisch - Forschung zu PCB Simulation Design und Analyse basierend auf Signalintegritätstheorie

Zur Zeit, die related signal integrity (SI) engineering and research at home and abroad is still an immature subject, und seine Analysemethoden und -praktiken sind nicht gut perfektioniert, und es befindet sich noch in der Phase der kontinuierlichen Exploration. In der PCB-Design Verfahren basierend auf der Analyse der Signalintegrität, Der wichtigste Teil ist die Etablierung der LeiterplatteSignalintegritätsmodell auf Ebene, Das ist der Hauptunterschied von der traditionellen Designmethode. Die Genauigkeit des SI-Modells bestimmt die Richtigkeit des Entwurfs, und die Baubarkeit des SI-Modells bestimmt die Machbarkeit dieser Entwurfsmethode.

Die Probleme in der digitalen Hochgeschwindigkeit Schaltungsdesign are prominently reflected in the following types: (1) The increase in operating frequency and the reduction of signal rise/fall time will reduce the timing margin of the design system and even cause timing problems; (2) Transmission line effects The resulting signal oscillation, Überschuss und Unterschuss stellen eine große Gefahr für die Fehlertoleranz dar, noise tolerance and monotonicity of the designed system; (3) After the signal edge time drops to 1 ns, das Übersprechen zwischen den Signalen wird sehr ernst. An important problem; (4) When the time of the signal edge is close to 0.5ns, the stability problem of the power system and the electromagnetic interference (EMI) problem also become very prominent.

In einem Hochgeschwindigkeitssystem ist es der Schlüssel zum Erfolg des Systemdesigns, ob die Signalverbindung des Systems gut gehandhabt und das Problem der Signalintegrität gelöst werden kann. Gleichzeitig ist Signalintegrität auch Grundlage und Voraussetzung für die Lösung von Problemen mit Leistungsintegrität, elektromagnetischer Verträglichkeit und elektromagnetischer Störung (EMV/EMI).

Hochfrequenzeffekte und Übertragungsleitungstheorie

Hochfrequenzeffekt

Im Falle eines hochfrequenten Hauteffekts werden elektromagnetische Wellen beim Betreten eines guten Leiters stark abgeschwächt. Selbst bei weniger als einer Wellenlänge in einem guten Leiter wurde die elektromagnetische Welle signifikant abgeschwächt, so dass hochfrequente elektromagnetische Felder nur auf einer Oberfläche eines guten Leiters existieren können. In der dünnen Schicht wird dieses Phänomen Hauteffekt genannt. Die Tiefe der Abschwächung der elektromagnetischen Wellenfeldstärke auf 1/e der Oberfläche ist die Hauttiefe

Formel (1) erklärt: Je größer die elektrische Leitfähigkeit, desto besser die elektrische Leitfähigkeit, desto höher die Arbeitsfrequenz, desto kleiner die Hauttiefe, wodurch der Widerstand bei hohen Frequenzen viel größer ist als der Widerstand bei niedrigen Frequenzen oder DC. Wenn der Näherungseffekt in der gegenseitigen elektromagnetischen Störung zwischen mehreren stromführenden Leitern liegt, unterscheidet sich die Stromverteilung des Querschnitts jedes stromführenden Leiters von der eines isolierten stromführenden Leiters. Wenn es zwei benachbarte Leiter gibt, die Ströme in entgegengesetzte Richtungen tragen, ist die Stromdichte an den nächsten Punkten auf den beiden Seiten, die nahe beieinander liegen, die größte; Wenn die Stromrichtungen der beiden stromführenden Leiter gleich sind, ist die Stromdichte auf den beiden Außenseiten die kleinste. Im Allgemeinen erhöht der Näherungseffekt den äquivalenten Widerstand und verringert die Induktivität.

Theorie der Übertragungsleitung

Eine generalisierte Übertragungsleitung ist ein Leiter, Medium oder ein aus ihnen zusammengesetztes Führungssystem, das die Übertragung elektromagnetischer Wellen in eine bestimmte Richtung leitet. Die im Allgemeinen diskutierte Übertragungsleitung bezieht sich auf die Mikrowelle Übertragungsleitung, und ihre Theorie ist die Langstreckentheorie. Wenn die geometrische Größe der Übertragungsleitung mit der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle vergleichbar ist, müssen die Verteilungsparameter (oder parasitäre Parameter) der Übertragungsleitung berücksichtigt werden. In der Hochgeschwindigkeits-Digital- oder Hochfrequenzschaltungskonstruktion und der Hochgeschwindigkeits-Schaltungssimulation müssen viele elektromagnetische Phänomene mit Hilfe der Übertragungsleitungstheorie erklärt werden. Die Übertragungsleitungstheorie ist die Grundlage für die Untersuchung digitaler Hochgeschwindigkeitsschaltungen (oder Hochfrequenzschaltungen).

Wenn die Übertragungssignalrate oder -frequenz ein bestimmtes Niveau erreicht, müssen die Verteilungsparameter auf dem Übertragungssignalkanal berücksichtigt werden. Am Beispiel paralleler Doppeldrähte erhöht der Skin-Effekt die HF-Impedanz pro Längeneinheit. Wenn es den Hochfrequenzbereich erreicht, ist das Magnetfeld um die parallelen Doppellinien sehr stark, und seine parasitäre Induktivität muss berücksichtigt werden, und das elektrische Feld zwischen den parallelen Doppellinien sollte einem Kondensator entsprechen. Gleichzeitig sollte das Leckphänom zwischen den Drähten berücksichtigt werden, wenn die Frequenz hoch ist. So kann die äquivalente Schaltung einer Einheitslänge Übertragungsleitung aus R, L, G, C 4 Elementen bestehen, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Abbildung 1 Äquivalente Schaltung der Übertragungsleitung der Einheitslänge

Nach Kirchhoffs Gesetz kann die Übertragungsleitungsgleichung ausgedrückt werden als

Daher kann die allgemeine Lösung der Übertragungsleitungsgleichung wie folgt geschrieben werden:

In der Formel: V+, V-, I+, I- sind die Amplitudenkonstanten der Spannungswelle bzw. der Stromwelle bzw. der Übertragungsrichtung der einfallenden Welle (+Z) und der reflektierten Welle (-Z). Die Ausbreitungskonstante C ist definiert als

In der Formel: A ist die Dämpfungskonstante; B ist die Phasenkonstante. Die Spannung und der Strom an einem Punkt auf der Übertragungsleitung sind die Überlagerung der einfallenden Welle bzw. der reflektierten Welle. Die Spannung und der Strom an einem beliebigen Punkt der Z-Achse werden ausgedrückt als

Die obige Formel zeigt, dass die auf einer Übertragungsleitung übertragene Spannungswelle und Stromwelle Funktionen von Zeit und Übertragungsabstand sind.

Theorie der integrierten Übertragungsleitung

Integrierte Übertragungsleitungen umfassen Mikrostreifenleitungen, Streifenleitungen, gekoppelte Leitungen und verschiedene koplanare Wellenleiter. Microstrip Line ist derzeit die am weitesten verbreitete planare Übertragungsleitung in hybriden Mikrowellen-integrierten Schaltungen und monolithischen Mikrowellen-integrierten Schaltungen. Es kann für die Produktion von Lithographieprogrammen verwendet werden und ist einfach in andere passive Mikrowellenschaltungen und aktive Mikrowellengeräte zu integrieren, um die Integration von Mikrowellenkomponenten und -systemen zu realisieren. Die Signalleitung der Microstrip-Linie befindet sich auf der äußeren Schicht, und die Masseschicht ist auf der anderen Seite der Signalleitung, die leicht zu testen ist.

Die Streifenlinie, auch bekannt als Dreiplattenlinie, besteht aus zwei rechteckigen Querschnittsleiterstreifen, und ein gleichmäßiges Medium oder Luft wird zwischen den Erdungsplatten gefüllt. Die Signalleitung der Stripline ist zwischen zwei Leistungsschichten eingeklemmt. Theoretisch kann es das Signal am besten übertragen, weil es von der Leistungsschicht auf beiden Seiten abgeschirmt wird. Aber es versteckt die Signalleitung im Inneren und ist nicht förderlich für Tests.

Theorie der Signalintegrität

Signalintegrität (SI) untersucht hauptsächlich die Qualitäts- und Timing-Probleme, nachdem das Signal entlang des Drahtes übertragen wird. Im Allgemeinen umfassen die Probleme der Signalintegrität, die gelöst werden müssen: (1) Reflexion, verursacht durch Impedanzanpassung; (2) Übersprechen, verursacht durch die Kopplung benachbarter Signale; (3) Überschreitung und Unterschreitung; (4) Klingeln, Leistung Damit das Signal wiederholt oszilliert, kann es durch ordnungsgemäße Beendigung unterdrückt werden; (5) Ground Plane Bounce Noise und Schaltgeräusch, für Hochgeschwindigkeitsgeräte kippt eine große Anzahl von Datenbussignalen schnell, und die Stromänderung durch die Ground Loop führt zu einer nicht idealen Ground Ebene; (6) Energieverteilung. Bei Hochgeschwindigkeitsschaltungen ist die Steuerung der Impedanz der Leistungs-/Masseebene der Schlüssel zum Systemdesign; (7) Zeitliche Probleme. Bei Hochgeschwindigkeitsdesigns reichen Signalausbreitungsverzögerung, Taktversatz und Jitter aus, um zu verursachen. Das System kann die Daten nicht richtig beurteilen; (8) EMI-Probleme umfassen elektromagnetische Strahlung und Immunität. Das Lösen von EMI-Problemen im PCB-Design ist das wichtigste Glied in der System-EMI-Steuerung, und die Kosten sind die niedrigsten.

Simulationsmodell und Modellierungsmethode

SPICE Simulationsmodell und Modellierungsmethode

SPICE Simulationsmodell SPICE (Simulationsprogramm mit integrierter Schaltung Betonung) ist ein allgemeines Schaltungsanalyseprogramm, das verschiedene Schaltungseigenschaften unter allgemeinen Bedingungen analysieren und simulieren kann.

Das SPICE-Programm kann die Funktionen des gesamten elektronischen Labors wie BreadBretts und Oszilloskope ersetzen. Das SPICE-Programm verfügt über eine riesige Gerätebibliothek, einschließlich: (1) Passive Gerätemodelle, wie Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Übertragungsleitungen usw.; (2) Halbleitergerätemodelle, wie Dioden, Transistoren, Übergangsfeldeffekttransistoren und MOS-Felder. Effektröhre usw.; (3) Verschiedene Stromversorgungen, einschließlich linearer und nichtlinear gesteuerter Quellen, wie unabhängige Spannungsquellen, Stromquellen, gesteuerte Spannungsquellen, Stromquellen usw.; (4) A/D, D/A Umwandlungsschnittstelle Schaltungs- und Digitalschaltungsgerätebibliothek.

Die SPICE-Modellierungsmethode verwendet normalerweise zwei Arten von Geräten, eine sind diskrete Komponenten und die andere ist Chip. Je nach Gerätetyp werden zwei Schaltungsmodellierungsmethoden übernommen.

1) Grundgerätemodell. Zum Beispiel: Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, gewöhnliche Trioden usw. Dies sind die grundlegendsten Einheiten, die eine Schaltung bilden. Die physikalische Methode wird normalerweise verwendet, um zu modellieren, das heißt, das Modell der Vorrichtung wird mit der Gleichung erstellt, die die physikalischen Eigenschaften der Vorrichtung als Ausgangspunkt beschreibt. Die Modelle desselben Gerätes unter verschiedenen Betriebsfrequenzen sind unterschiedlich.

2) Chip-Unterschaltungsgerät Modell. Chips bestehen normalerweise aus einigen Grundkomponenten, und jede Grundeinheit und ihre Verbindungsbeziehung werden in Form von Netzlisten zu Unterschaltungen gemacht, die von anderen Schaltungen aufgerufen werden können, um ein Unterschaltungsmodell eines Chips zu bilden. Normalerweise wird Black Box (Blackbox)-Methode verwendet, um zu modellieren, das heißt, das Gerät wird als Black Box betrachtet, wobei sich die Arbeitseigenschaften des Ports konzentrieren und es verwenden, um ein Modell zu bilden.

IBIS Simulationsmodell und Modellstruktur

IBIS Simulationsmodell IBIS (Input/Output Puffer Information) Input/Output Puffer Information Spezifikation, ist die Standardmodellinformation eines Bauteils. Das IBIS-Modell ist eine Methode zur schnellen und genauen Modellierung von I/O-Puffern basierend auf der V/I-Kurve. Es ist ein internationaler Standard, der die elektrischen Eigenschaften des Chipantriebs und -empfangs widerspiegelt. Es stellt ein Standarddateiformat zur Verfügung, um z.B. Laufwerke aufzuzeichnen. Parameter wie Ausgangsimpedanz, Steig-/Fallzeit und Ausgangslast eignen sich sehr gut zur Berechnung und Simulation von Hochfrequenzeffekten wie Klingeln und Übersprechen.

Das IBIS-Modell ist ein Modell, das verwendet wird, um die Eigenschaften von I/O-Pufferinformationen zu beschreiben. Die Verhaltensbeschreibung eines Ausgangs- und Eingangsports kann in eine Reihe von einfachen Funktionsmodulen zerlegt werden, und aus diesen einfachen Funktionsmodulen kann ein vollständiges IBIS-Modell erstellt werden., Das heißt, die Grundelemente in einer Puffereinheit, einschließlich der parasitären Parameter (Eingang, Ausgang oder Enable Terminal), die durch das Paket gebracht werden, die parasitäre Kapazität des Siliziums selbst, die Energie- oder Erdungseinbettungsschutzschaltung, die Schwelle und die Enable Logik, Pull-up und Pull-down Schaltungen usw.

PCB simulation examples and results analysis

Einstellung relevanter Parameter für die Leiterplattensimulation

There are two types of gedruckte SchaltungBrett Simulation: Liniensimulation und Brett Niveausimulation. Liniensimulation kann Konstrukteuren helfen, das Layout von Komponenten anzupassen, Planung von Systemtaktnetzen und Festlegung der Terminierungsstrategie von Schlüsselleitungsnetzen vor dem Routing gemäß den Anforderungen an Signalintegrität und Timing während des Entwurfs, Verfolgen Sie das Design während des Routingprozesses, und Feedback des Routings jederzeit Effekt. Die Simulation auf Boardebene erfolgt in der Regel nach dem PCB-Design ist grundsätzlich abgeschlossen. Der Einfluss dieser Faktoren auf SI und der gegenseitige Einfluss dieser Faktoren wie elektrische, EMV, Wärmeleistung und mechanische Leistung können umfassend berücksichtigt werden, um echte Analysen auf Systemebene durchzuführen und zu verifizieren. Bei der Durchführung von Simulationen, Laden Sie zuerst das Simulationsmodell des Bauteils, und führen Sie dann die Vorsimulation durch, um die Parametereinstellungen und einige Einschränkungen zu bestimmen, die im Verdrahtungsprozess erforderlich sind. Dann, Überprüfung des Verdrahtungseffekts durch Leitungssimulation jederzeit während des eigentlichen Verdrahtungsprozesses, und schließlich Nachdem die Verkabelung grundsätzlich abgeschlossen ist, Brett-level simulation is performed to check the performance of the system [6]. The example in this article is the reflection simulation analysis of SFP (small form-factor pluggable optical transceiver) small form-factor pluggable optical transceiver.

Simulationsbeispiele und Ergebnisanalyse

Das Simulationsmodell wird erstellt, nachdem die schematische Auslegung des optischen SFP-Transceivermoduls abgeschlossen ist, the Leiterplatte Design sollte gestartet werden. Da die Arbeitsfrequenz des optischen SFP Transceivermoduls auf 1 eingestellt ist.25Gbit/s, die Datenrate ist sehr hoch, und die Länge der Differentialspur ist sehr lang, Daher muss die Impedanzanpassung der Mikrostreifenübertragungsleitung verwendet werden, um die Reflexion an Quelle und Klemme zu reduzieren, So gewährleisten Sie die Qualität des Signals. Entsprechend den Chipdaten von MAX3748 im Schaltplan, Die einseitige Ausgangsimpedanz der Differenzleitung beträgt 50Ω, und gemäß dem SFP-MSA Protokoll, die Differenzimpedanz der RD++/Port auf der MutterBrett ist 100Ω. Nach der Theorie der Differenzlinien, ohne Kupplung, Die Differenzimpedanz zweier paralleler Mikrostreifen-Übertragungsleitungen ist gleich doppelt der einseitigen Impedanz. Daher, Zur Anpassung muss eine Übertragungsleitung mit einer charakteristischen Impedanz von 50Ω verwendet werden. Extrahieren Sie die Topologie des Verbindungsnetzes zwischen MAX3748 und Stecker J1 wie in Abbildung 2 gezeigt. Da J1 ein Stecker ist, Es gibt keine entsprechenden IBIS-Modelldaten, die aufgerufen werden können. Daher, um die Simulation zu ermöglichen, Laden Sie einen Differenzialempfänger DIN1, der mit dem System bei J1 geliefert wird. Und stellen Sie die entsprechende Arbeitsfrequenz ein.

Abbildung 2 Topologische Struktur der Verbindung zwischen MAX3748 und J1

Simulationsergebnisse und Analyse Durch die Analyse von Simulationsergebnissen entspricht die Signalqualität nicht den Designanforderungen. Die Hauptprobleme sind folgende: (1) Nichtlinearität in den aufsteigenden und fallenden Kanten; (2) Bestimmtes Über- und Unterschwingen in der Wellenform; (3) Die Kantenrate wird langsamer. Angesichts der oben genannten Probleme wird durch weitere Analyse der Schaltung festgestellt, dass diese Phänomene durch zwei Faktoren verursacht werden. 1) Da das optische SFP-Transceivermodul hauptsächlich Differenzleitungen für die Signalübertragung verwendet, ist die Differenzimpedanz auf der Hauptplatine 100Ω. Darüber hinaus beträgt die Impedanz des Differenzausgangsenden des MAX3748 100Ω. In der vorherigen Simulation, als das System die Topologie extrahierte, war die Standardimpedanz 60Ω Mikrostreifenlinie, was zu Impedanzanpassungen führte. 2) Da die differenzielle Eingangsklemme des Systems hinter J1 geladen wird, wenn sie sich im Zustand der hohen Impedanz befindet, ist sie äquivalent zur Situation des offenen Anschlusses, und es gibt eine große Reflexion.

Um die Qualität des Signals sicherzustellen, muss daher eine Impedanzanpassung durchgeführt werden. Stellen Sie die Impedanz der Differenzübertragungsleitung auf 100Ω. Entsprechend der Theorie der differentiellen Mikrostreifenlinie kann unter Verwendung der Übertragungsleitungsberechnungssoftware die Linienbreite der Differenzlinie berechnen, um 15mil zu sein, der Linienabstand ist 10mil, und die entsprechende einseitige Impedanz ist etwa 62.5Ω. Da es eine bestimmte Kopplung zwischen den Differenzlinien gibt, wird die verlustfreie Mikrostreifenlinie in der topologischen Struktur der vorherigen Simulation durch die tatsächliche verlustfreie und gekoppelte Mikrostreifenlinie zur Simulationsanalyse ersetzt. Gleichzeitig fügen Sie dem 3,3V Netzteil in der Topologie einen Anschlusswiderstand von 50Ω hinzu.

Die geänderte Topologie ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3 Geänderte Topologie

Aus der Simulationswellenform- und Augendiagrammanalyse kann bekannt werden, dass das Signal eine relativ gute Signalintegrität aufweist. Die Überschwingamplitude des Signals beträgt etwa 54mV, die steigenden und fallenden Kanten sind etwa 100ps, und die Schwingamplitude des differenziellen Ausgangssignals erreicht etwa 850mV, das die Signalausgangsanforderungen erfüllt.