Leiterplattentechnisch - Entwurfsmethode der digitalen Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte basierend auf Signalintegritätsanalyse

Dieser Artikel stellt eine Entwurfsmethode des digitalen Hochgeschwindigkeitssignals vor Leiterplatte basierend auf der Analyse der Signalintegrität. In dieser Konstruktionsmethode, die LeiterplatteSignalübertragungsmodell auf Pegel wird zuerst für alle digitalen Hochgeschwindigkeitssignale etabliert, und dann wird der Lösungsraum des Entwurfs durch die Berechnung und Analyse der Signalintegrität gefunden, und schließlich die PCB wird auf Basis des Lösungsraums fertiggestellt. Entwurf und Überprüfung der Leiterplatte.

Da die Ausgangsschaltgeschwindigkeit von integrierten Schaltungen zunimmt und die Dichte von Leiterplatten zunimmt, ist die Signalintegrität zu einem der Probleme geworden, die beim Hochgeschwindigkeits-Digital-PCB-Design betroffen sein müssen. Faktoren wie die Parameter der Komponenten und der Leiterplatte, das Layout der Komponenten auf der Leiterplatte und die Verdrahtung von Hochgeschwindigkeitssignalen verursachen Signalintegritätsprobleme, was zu einem instabilen Systembetrieb oder gar keinem Betrieb führt.

Wie man die Signalintegritätsfaktoren im PCB-Designprozess vollständig berücksichtigt und effektive Steuerungsmaßnahmen ergreift, ist heute ein heißes Thema in der PCB-Designindustrie geworden. Die schnelle digitale LeiterplattenDesignmethode, die auf der Signalintegritätscomputeranalyse basiert, kann die Signalintegrität des LeiterplattenDesigns effektiv realisieren.

1. Überblick über die Probleme der Signalintegrität

Signalintegrität (SI) bezieht sich auf die Fähigkeit eines Signals, mit dem richtigen Timing und der richtigen Spannung in der Schaltung zu reagieren. Wenn das Signal in der Schaltung den IC mit dem erforderlichen Timing, der Dauer und der Spannungsamplitude erreichen kann, hat die Schaltung eine bessere Signalintegrität. Umgekehrt tritt ein Problem mit der Signalintegrität auf, wenn das Signal nicht normal reagieren kann. Im Großen und Ganzen manifestieren sich Signalintegritätsprobleme hauptsächlich in fünf Aspekten: Verzögerung, Reflexion, Übersprechen, synchrones Schaltrauschen (SSN) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMI).

Verzögerung bedeutet, dass das Signal mit einer begrenzten Geschwindigkeit auf den Drähten der Leiterplatte übertragen wird, und das Signal vom sendenden Ende zum empfangenden Ende gesendet wird, während dessen es eine Übertragungsverzögerung gibt. Die Signalverzögerung wirkt sich auf das Timing des Systems aus. In einem digitalen Hochgeschwindigkeitssystem hängt die Übertragungsverzögerung hauptsächlich von der Länge des Drahtes und der Dielektrizitätskonstante des den Draht umgebenden Mediums ab.

Wenn die charakteristische Impedanz der Drähte auf der Leiterplatte (als Übertragungsleitungen in digitalen Hochgeschwindigkeitssystemen bezeichnet) nicht mit der Lastimpedanz übereinstimmt, wird ein Teil der Energie entlang der Übertragungsleitung zurückgespiegelt, nachdem das Signal das Empfangsende erreicht hat, wodurch die Signalwellenform verzerrt wird oder sogar das Überschwingen und Unterschwingen signalisiert. Wenn das Signal auf der Übertragungsleitung hin und her reflektiert wird, erzeugt es Klingeln und Ringschwingungen.

Da es gegenseitige Kapazität und gegenseitige Induktivität zwischen zwei Geräten oder Drähten auf der Leiterplatte gibt, wirkt sich diese Änderung, wenn sich ein Gerät oder Signal auf einem Draht ändert, auf andere Geräte oder Induktivität durch gegenseitige Kapazität und gegenseitige Induktivität aus. Draht, also Übersprechen. Die Stärke des Übersprechens hängt von der geometrischen Größe und dem gegenseitigen Abstand der Geräte und Drähte ab.

Wenn viele digitale Signale auf dem Leiterplatte are switched synchronously (such as CPU data bus, Adressbus, etc.), aufgrund der Impedanz der Stromleitung und der Erdungsleitung, synchrones Schaltrauschen wird erzeugt, und Bodenebene Bounce wird auf der Bodenlinie auftreten. Noise (referred to as ground bomb). Die Stärke von SSN und Ground Bounce hängt auch von den IO-Eigenschaften der integrierten Schaltung ab, die Impedanz der Spannungsversorgungsschicht und der Masseebene des Leiterplatte, und das Layout und die Verdrahtung von Hochgeschwindigkeitsgeräten auf der Leiterplatte.

Darüber hinaus haben Leiterplatten, wie andere elektronische Geräte, auch elektromagnetische Kompatibilitätsprobleme, die hauptsächlich mit dem Layout und der Verdrahtung der Leiterplatte zusammenhängen.

2. Traditionelle PCB Board Design Methode

In der traditional Entwurfsprozess, PCB-Design consists of circuit Design, Layout Design, PCB Produktion, Mess- und Debugging-Schritte wiederum. In der SchaltungsDesignphase, aufgrund des Fehlens wirksamer Methoden und Mittel, um die Übertragungseigenschaften des Signals auf dem tatsächlichen Leiterplatte, Das Schaltungsdesign kann in der Regel nur auf der Grundlage von Vorschlägen von Bauteilherstellern und Experten und vergangener Konstruktionserfahrungen durchgeführt werden. Daher, für ein neues Designprojekt, Es ist in der Regel schwierig, die richtige Auswahl von Faktoren wie Signaltopologie und Bauteilparametern entsprechend der spezifischen Situation zu treffen.

In der Leiterplattenlayout t design stage, Es ist auch schwierig, Echtzeitanalysen und -auswertungen der Signalleistungsänderungen durchzuführen, die durch die PCB Bauteillayout und Signalverdrahtung, So hängt die Qualität des Layoutdesigns mehr von der Erfahrung des Designers ab. In der PCB Produktionsstufe, da die Prozesse jedes einzelnen Leiterplatte und Komponentenhersteller sind nicht ganz gleich, die Parameter der Leiterplatte und Bauteile haben in der Regel einen großen Toleranzbereich, die Leistung der Leiterplatte schwieriger zu kontrollieren.

Im traditionellen PCB-Designprozess kann die Leistung der Leiterplatte erst nach Abschluss der Produktion durch Instrumentenmessung beurteilt werden. Die Probleme, die in der PCB-Debugging-Phase gefunden werden, müssen im nächsten PCB-Board-Design geändert werden. Schwieriger ist jedoch, dass einige Probleme oft schwer in die Parameter des vorherigen Schaltungsdesigns und Layoutdesigns zu quantifizieren sind. Daher muss bei komplexeren Leiterplatten der oben genannte Prozess in der Regel viele Male wiederholt werden, um schließlich die Designanforderungen zu erfüllen.

Es kann gesehen werden, dass mit der traditionellen PCB-Designmethode der Produktentwicklungszyklus länger ist und die Kosten für Forschung und Entwicklung entsprechend höher sind.

3. PCB-Design method based on signal integrity analysis

Der PCB-Designprozess, der auf der Signalintegritäts-Computeranalyse basiert, wird in Abbildung 2 gezeigt. Verglichen mit der traditionellen PCB-Designmethode hat das auf der Signalintegritätsanalyse basierende Designverfahren die folgenden Eigenschaften:

Vor dem Leiterplattendesign erstellen Sie zuerst ein Signalintegritätsmodell für die digitale Hochgeschwindigkeitssignalübertragung.

Entsprechend dem SI-Modell wird eine Reihe von Voranalysen auf das Problem der Signalintegrität durchgeführt, und die geeigneten Komponententypen, Parameter und Schaltungstopologie werden entsprechend den Ergebnissen der Simulationsberechnung als Grundlage für das Schaltungsdesign ausgewählt.

Im Schaltungsdesignprozess wird der Entwurfsplan zur Signalintegritätsanalyse an das SI-Modell gesendet, und der Toleranzbereich der Komponenten und Leiterplattenparameter, die möglichen topologischen Struktur- und Parameteränderungen im PCB-Layoutdesign und andere Faktoren werden berechnet und analysiert. Lösungsraum.

Nachdem das Schaltungsdesign abgeschlossen ist, sollte jedes digitale Hochgeschwindigkeitssignal einen kontinuierlichen und erreichbaren Lösungsraum haben. Das heißt, wenn sich die PCB- und Komponentenparameter innerhalb eines bestimmten Bereichs ändern, haben das Layout der Komponenten auf der Leiterplatte und die Verdrahtung der Signalleitungen auf der Leiterplatte ein gewisses Maß an Flexibilität, die Anforderungen an die Signalintegrität können immer noch garantiert werden.

Bevor das PCB-Layout-Design beginnt, wird der Grenzwert jedes erhaltenen Signallösungsraums als Bedingung des Layoutdesigns verwendet, der als Designgrundlage für das Layout und die Verdrahtung des PCB-Layouts verwendet wird.

Im PCB-Layoutdesignprozess wird das teilweise abgeschlossene oder vollständig abgeschlossene Design zur Analyse der Signalintegrität nach dem Design an das SI-Modell zurückgesendet, um zu bestätigen, ob das tatsächliche Layoutdesign die erwarteten Anforderungen an die Signalintegrität erfüllt. Wenn die Simulationsergebnisse die Anforderungen nicht erfüllen können, müssen Sie das Layout-Design und sogar das Schaltungsdesign ändern, was das Risiko eines Produktausfalls aufgrund eines falschen Designs verringern kann.

Nach dem PCB Design ist abgeschlossen, die Leiterplatte kann hergestellt werden. Der Toleranzbereich der Leiterplatte manufacturing Parameter should be within die range of the solution space of the signal integrity analysis.

Nachdem die Leiterplatte hergestellt wurde, wird das Instrument zum Messen und Debuggen verwendet, um die Richtigkeit des SI-Modells und der SI-Analyse zu überprüfen und dies als Grundlage für die Korrektur des Modells zu verwenden.

Auf der Grundlage des richtigen SI-Modells und der Analysemethode kann die Leiterplatte in der Regel ohne oder nur wenige wiederholte Änderungen am Design und der Produktion finalisiert werden, was den Produktentwicklungszyklus verkürzen und die Entwicklungskosten senken kann.

4. Analysemodell der Signalintegrität

Bei der PCB-Designmethode, die auf der Signalintegritätscomputeranalyse basiert, ist der wichtigste Teil die Etablierung des Signalintegritätsmodells auf Leiterplattenebene, das den Unterschied zur traditionellen Designmethode darstellt.

Die Richtigkeit des SI-Modells bestimmt die Richtigkeit des Entwurfs, und die Baubarkeit des SI-Modells bestimmt die Machbarkeit dieser Entwurfsmethode.

4.1. SI Modell des PCB Designs

Es gibt viele Modelle, die für die Analyse der Signalintegrität auf Leiterplattenebene im elektronischen Design verwendet werden können. Drei der am häufigsten verwendeten sind SPICE, IBIS und Verilog-A.

a. SPICE-Modell

SPICE ist ein leistungsstarker universeller analoger Schaltungssimulator. Jetzt ist das SPICE-Modell weit verbreitet im elektronischen Design, und zwei Hauptversionen wurden abgeleitet: HSPICE und PSPICE. HSPICE wird hauptsächlich im integrierten Schaltungsdesign verwendet, während PSPICE hauptsächlich im PCB-Board- und Systemdesign verwendet wird.

Das SPICE-Modell besteht aus zwei Teilen: Modellgleichungen und Modellparameter. Da die Modellgleichung bereitgestellt wird, kann das SPICE-Modell eng mit dem Algorithmus des Simulators verbunden werden, und bessere Analyseeffizienz und Analyseergebnisse können erzielt werden.

Wenn das SPICE-Modell verwendet wird, um SI-Analysen auf Leiterplattenebene durchzuführen, ist es erforderlich, dass der integrierte Schaltungsdesigner und Hersteller eine detaillierte und genaue Beschreibung des SPICE-Modells der integrierten Schaltungs-I/O-Einheit-Teilschaltung und der Herstellungsparameter der Halbleitereigenschaften bereitstellt. Da diese Materialien in der Regel zum geistigen Eigentum und zur Vertraulichkeit von Designern und Herstellern gehören, werden nur wenige Halbleiterhersteller entsprechende SPICE-Modelle zur Verfügung stellen und Chipprodukte bereitstellen.

Die Analysegenauigkeit des SPICE-Modells hängt hauptsächlich von der Quelle der Modellparameter (d.h. der Genauigkeit der Daten) und dem anwendbaren Umfang der Modellgleichungen ab. Die Kombination von Modellgleichungen mit verschiedenen digitalen Simulatoren kann auch die Genauigkeit der Analyse beeinflussen. Darüber hinaus verfügt das SPICE-Modell auf Leiterplattenebene über eine große Menge an Simulationsberechnung, und die Analyse ist relativ zeitaufwendig.

b. IBIS-Modell

Das IBIS-Modell wurde ursprünglich von Intel Corporation speziell für die Analyse der digitalen Signalintegrität auf Leiterplatten- und Systemebene entwickelt. Es wird nun vom IBIS Open Forum verwaltet und ist ein offizieller Industriestandard (EIA/ANSI 656-A).

Das IBIS-Modell verwendet die Form von I/V- und V/T-Tabellen, um die Eigenschaften von digitalen integrierten Schaltungen I/O-Einheiten und Pins zu beschreiben. Da das IBIS-Modell das interne Design der I/O-Einheit und der Transistor-Fertigungsparameter nicht beschreiben muss, wurde es von Halbleiterherstellern begrüßt und unterstützt. Jetzt können alle großen Hersteller digitaler integrierter Schaltungen entsprechende IBIS-Modelle zur Verfügung stellen und Chips bereitstellen.

Die Analysegenauigkeit des IBIS-Modells hängt hauptsächlich von der Anzahl der Datenpunkte in den I/V- und V/T-Tabellen und der Genauigkeit der Daten ab. Da die PCB-Board-Level-Simulation auf Basis des IBIS-Modells Tabellenrechnungen verwendet, ist die Menge der Berechnung gering, in der Regel nur 1/10 bis 1/100 des entsprechenden SPICE-Modells.

c. Verilog-AMS-Modell und VHDL-AMS-Modell

Verilog-AMS und VHDL-AMS erschienen vor weniger als vier Jahren und sie sind ein neuer Standard. Als Modellierungssprachen auf Hardwareverhaltensebene sind Verilog-AMS und VHDL-AMS Supersets von Verilog bzw. VHDL, während Verilog-A eine Teilmenge von Verilog-AMS ist.

Anders als SPICE- und IBIS-Modelle ist es in der AMS-Sprache Aufgabe des Benutzers, Gleichungen zu schreiben, die das Verhalten von Komponenten beschreiben. Ähnlich wie das IBIS-Modell ist die AMS-Modellierungssprache ein unabhängiges Modellformat, das in vielen verschiedenen Arten von Simulationswerkzeugen verwendet werden kann. AMS-Gleichungen können auch auf vielen verschiedenen Ebenen geschrieben werden: Transistor-Ebene, I/O-Zelle-Ebene, I/O-Zellgruppe usw.

Da Verilog-AMS und VHDL-AMS neue Standards sind, können bisher nur wenige Halbleiterhersteller AMS-Modelle anbieten und es gibt weniger Simulatoren, die AMS unterstützen können als SPICE und IBIS. Die Machbarkeit und Berechnungsgenauigkeit des AMS-Modells in der Analyse der Signalintegrität auf Leiterplattenebene stehen den SPICE- und IBIS-Modellen jedoch nicht nach.

4.2 Auswahl des Modells

Da es kein einheitliches Modell gibt, um alle Signalintegritätsanalysen auf Leiterplattenebene abzuschließen, ist es beim Design von Hochgeschwindigkeits-digitalen Leiterplatten notwendig, die oben genannten Modelle zu mischen, um das Übertragungsmodell von Schlüsselsignalen und empfindlichen Signalen im größten Umfang zu etablieren.

Für diskrete passive Komponenten können Sie das vom Hersteller bereitgestellte SPICE-Modell suchen oder direkt ein vereinfachtes SPICE-Modell durch experimentelle Messungen etablieren und verwenden.

Für wichtige digitale integrierte Schaltungen ist das vom Hersteller bereitgestellte IBIS-Modell zu suchen. Derzeit können die meisten Entwickler und Hersteller integrierter Schaltungen das erforderliche IBIS-Modell bereitstellen und Chips über Websites oder andere Methoden bereitstellen.

Bei nicht kritischen integrierten Schaltungen, wenn das IBIS-Modell des Herstellers nicht verfügbar ist, kann je nach Funktion der Chippins auch ein ähnliches oder standardmäßiges IBIS-Modell ausgewählt werden. Natürlich kann ein vereinfachtes IBIS-Modell auch durch experimentelle Messungen etabliert werden.

Für die Übertragungsleitung auf der Leiterplatte kann das vereinfachte Übertragungsleitung SPICE-Modell in der Voranalyse der Signalintegrität und der raumlösenden Analyse verwendet werden, und das komplette Übertragungsleitung SPICE-Modell muss in der Analyse nach der Verdrahtung entsprechend dem tatsächlichen Layoutentwurf verwendet werden.

5. Kombination von Entwurfsmethode und bestehender EDA-Software

Derzeit gibt es keine integrierte EDA-Software in der PCB-Designindustrie, um die oben genannte Designmethode zu vervollständigen, so dass es durch die Kombination einiger allgemeiner Softwaretools realisiert werden muss.

Verwenden Sie allgemeine SPICE-Software (wie PSPICE, HSPICE usw.), um SPICE-Modelle für diskrete und passive Komponenten und Übertragungsleitungen auf der Leiterplatte zu erstellen und zu debuggen und zu verifizieren.

Fügen Sie die SPICE/IBIS-Modelle verschiedener Komponenten und Übertragungsleitungen hinzu, die zur allgemeinen Signalintegritätsanalysesoftware wie SPECCTRAQuest, HyperLynx, Tau, IS_Analyzer usw. erhalten wurden, etablieren Sie das SI-Analysemodell des Signals auf der Leiterplatte und führen Sie die Signalintegritätsanalyse und die Berechnung des Geschlechts durch.

Verwenden Sie die Datenbankfunktion, die mit der SI-Analysesoftware geliefert wird, oder verwenden Sie eine andere universelle Datenbanksoftware, um die Ergebnisse des Simulationsvorgangs weiter zu sortieren und zu analysieren und nach dem idealen Lösungsraum zu suchen.

Unter Berücksichtigung des Grenzwerts des Lösungsraums als Grundlage des PCB-Schaltungsdesigns und der Beschränkungsbedingung des Layoutdesigns werden allgemeine PCB-Design EDA-Software wie OrCAD, Protel, PADS, LeistungPCB, Allegro und Mentor verwendet, um PCB-Schaltungsdesign und Layoutdesign abzuschließen.

Nach dem Leiterplattenlayout t design is completed, the parameters of the actual design circuit (such as topology, Länge, Abstand, etc.) can be extracted automatically or manually through the above Layout Design software, und an die vorherige Signalintegritätsanalysesoftware für die Verkabelung zurückgesendet. SI-Analyse zur Überprüfung, ob das tatsächliche Design den Anforderungen des Lösungsraums entspricht.

Nach dem PCB board wird hergestellt, Die Richtigkeit jedes Modells und Simulationsberechnung kann durch Messung von Versuchsinstrumenten überprüft werden.

Zusammenfassung dieses Artikels:

This Konstruktionsmethode has strong practical significance for the design and development of high-speed digital Leiterplatte s, kann nicht nur effektiv die Leistung des Produktdesigns verbessern, kann aber auch den Produktentwicklungszyklus erheblich verkürzen und Entwicklungskosten senken. Es ist absehbar, dass mit der kontinuierlichen Verbesserung und Verbesserung von Signalintegritätsanalysemodellen und Berechnungs- und Analysealgorithmen,PCB Konstruktionsmethodes based on signal integrity computer analysis will be increasingly used in the design of electronic products.