Leiterplattentechnisch - Erläuterung der Testtechnologie basierend auf Hochgeschwindigkeits-PCB-Verbindungsdesign

PCBinterconnection Design Technologie umfasst Prüfung, Simulation und verschiedene verwandte Standards, unter denen Prüfung eine Methode und Mittel ist, um die Ergebnisse verschiedener Simulationsanalysen zu überprüfen. Ausgezeichnete Testmethoden und -methoden sind notwendig, um das Design und die Analyse der Leiterplattenverbindung sicherzustellen. Für traditionelle Signalwellenformtests ist das Hauptanliegen die Länge des Sondenleiters, um zu vermeiden, dass Pigtail unnötiges Rauschen einführt. In diesem Artikel wird hauptsächlich die neue Anwendung und Entwicklung der Verbindungstesttechnologie diskutiert.

In den letzten Jahren hat sich das Prüfobjekt mit zunehmender Signalrate deutlich verändert. Es ist nicht mehr auf die traditionelle Oszilloskop-Testsignalform beschränkt. Stromerdrauschen, synchrones Schaltrauschen (SSN) und Jitter (Jitter) sind allmählich zum Fokus der PCB-Verbindungsdesign-Ingenieure geworden, einige Instrumente im HF-Bereich wurden auf PCB-Verbindungsdesign angewendet. Häufig verwendete Testinstrumente im PCB-Verbindungsdesign umfassen Spektrumanalysatoren, Netzwerkanalysatoren, Oszilloskope und verschiedene Sonden und Vorrichtungen, die von diesen Instrumenten verwendet werden. Um sich an die stetig steigende Signalrate anzupassen, hat sich der Einsatz dieser Prüfgeräte stark verändert. Dieser Artikel verwendet diese Testinstrumente als Werkzeuge und stellt hauptsächlich die Entwicklung des PCB-Verbindungsdesigns und der Testtechnologie in den letzten Jahren unter den folgenden Aspekten vor.

1. Kalibrierverfahren für die Prüfung

2. Modellierungsverfahren für passive Bauteile

3. Prüfung der Leistungsintegrität

4. Taktsignaljitter-Prüfmethode

Am Ende des Artikels wird eine kurze Einführung in die Entwicklung zukünftiger Testtechnologien im Zusammenhang mit der gerade abgeschlossenen DesignCon2005 Konferenz gegeben.

Kalibrierverfahren

Unter den drei allgemein verwendeten Prüfinstrumenten ist die Kalibriermethode des Netzwerkanalysators die strengste, gefolgt vom Spektrumanalysator, und die Kalibriermethode des Oszilloskops ist die einfachste. Daher diskutieren wir hier hauptsächlich die Kalibriermethode des Netzwerkanalysators. Es gibt drei gängige Kalibriermethoden für Netzwerkanalysatoren, Thru, TRL und SOLT.

Es gibt drei Methoden, Thru, TRL und SOLT

Die Essenz von Thru ist Normalisierung. Während der Kalibrierung zeichnet der Netzwerkanalysator das Testergebnis der Vorrichtung auf (S21_C). Im eigentlichen Test wird das Testergebnis (S21_M) direkt durch S21_C geteilt, um das Testergebnis des Prüflings (S21_A) zu erhalten. Die Thru-Kalibrierung ignoriert die Reflexion, die durch die Fehlübereinstimmung in der Prüfvorrichtung und die elektromagnetische Kopplung im Raum verursacht wird, so dass sie die niedrigste Kalibrierungsgenauigkeit hat. Diese Kalibriermethode kann verwendet werden, wenn nur S21 getestet wird und die Prüfgenauigkeit nicht hoch ist.

In nichtkoaxialen Strukturen wie Leiterplatten ist es manchmal notwendig, die Eigenschaften von Leiterbahnen, Durchkontaktierungen und Steckverbindern zu testen. In diesem Fall stellt der Prüfgerätelieferant keine Standardkalibrierungsteile zur Verfügung, und es ist schwierig für Tester, gute Kalibrierungsteile wie offener Kreislauf, Kurzschluss und angepasste Last am Prüfkalibrierungsport herzustellen. Daher kann eine herkömmliche SOLT-Kalibrierung nicht durchgeführt werden. Der Vorteil der TRL-Kalibrierung besteht darin, dass keine Standardkalibrierteile benötigt werden und der Prüfkalibrierungsport auf die gewünschte Position erweitert werden kann. Derzeit ist TRL-Kalibrierung in der PCB-Strukturprüfung weit verbreitet.

SOLT wird allgemein als Standardkalibrierungsmethode angesehen. Im Kalibriermodell gibt es zwölf Kalibrierfehlerparameter. Verschiedene Fehler werden mittels Kurzschluss, offener Schaltung, Last und Durchgang kalibriert. Da Testgeräteanbieter in der Regel nur koaxiale Kalibrierteile bereitstellen, können SOLT-Kalibriermethoden nicht in nichtkoaxialen Strukturen eingesetzt werden.

Die oben genannten drei Kalibriermethoden können alle detailliert mit Hilfe von Signalflussdiagrammen analysiert werden, in denen jeder Fehlerparameter einen entsprechenden Parameter im Signalflussdiagramm hat. Durch das Signalflussdiagramm können Sie die Fehlerempfindlichkeit verschiedener Kalibriermethoden klar verstehen und somit den Fehlerbereich des tatsächlichen Tests verstehen. Der Punkt, der hier angesprochen werden muss, ist, dass selbst bei der Standard-SOLT-Kalibriermethode fünf Fehlerparameter im Kalibriermodell ignoriert werden. Unter normalen Umständen haben diese fünf Fehlerparameter keinen Einfluss auf die Kalibriergenauigkeit. Wenn Sie jedoch während des Gebrauchs nicht auf das Design der Kalibriervorrichtung achten, ist eine Kalibrierung unmöglich.

Der Spektrumanalysator stellt eine Standardquelle für die Kalibrierung zur Verfügung. Bei der Kalibrierung müssen Sie nur die interne Standardquelle über die Prüfvorrichtung an den Eingangsport anschließen. Die Kalibrierzeit beträgt etwa zehn Minuten. Die Kalibrierung des Oszilloskops ist noch einfacher. Schließen Sie die Sonde an die interne Standardquelle an und bestätigen Sie. Die Kalibrierung dauert etwa eine Minute.

Passive Bauteilprüfung und Modellierung

Mit der kontinuierlichen Erhöhung der Signalraten wird die Rolle von passiven Geräten in der Signalverbindung immer wichtiger. Die Genauigkeit der Simulationsanalyse der Systemleistung wird oft durch die Genauigkeit des Modells des passiven Geräts bestimmt. Daher ist das Testen und Modellieren von passiven Komponenten allmählich zu einem wichtigen Teil des PCB-Verbindungsdesigns verschiedener Ausrüstungslieferanten geworden. Häufig verwendete passive Komponenten sind wie folgt:

1. Verbinder

2. Leiterbahnen und Durchgänge von Leiterplatten

3. Kapazität

4. Induktivität (magnetische Perlen)

Im Hochgeschwindigkeitssignalintegritätsdesign hat der Stecker den größten Einfluss auf die Signalverbindung. Bei häufig verwendeten Hochgeschwindigkeitssteckverbindern besteht die übliche Praxis darin, eine Kalibriervorrichtung nach der TRL-Kalibriermethode herzustellen und Testmodelle für die Simulationsanalyse am Stecker durchzuführen. Die Testmodellierungsmethode von Leiterplatten-Leiterbahnen und Durchkontaktierungen ähnelt derjenigen von Steckverbindern. Die TRL-Kalibrierung wird auch verwendet, um den Testport an die gewünschte Position zu verschieben und dann die Testmodellierung durchzuführen.

Das Kapazitätsmodell hat Anwendungen in der Signalintegritätsanalyse und noch wichtiger, es wird in der Leistungsintegritätsanalyse verwendet. Die häufig verwendeten Kapazitätsmodellierungsinstrumente in der Industrie sind Impedanzanalysatoren und Netzwerkanalysatoren, die für verschiedene Frequenzbänder geeignet sind. Impedanzanalysatoren eignen sich für Niederfrequenzbänder und Netzwerkanalysatoren für Hochfrequenzbänder. Wenn ein Netzwerkanalysator für die Prüfung der Leistungsintegrität im eigentlichen Test verwendet wird, wird empfohlen, den Netzwerkanalysator im vollen Frequenzband der Kapazitätsmodellierung zu verwenden, um die Konsistenz der Modellierung und Anwendung sicherzustellen. Da die Impedanz des Kondensators gering ist, wird der Parallelmodus normalerweise bei der Modellierung mit einem Netzwerkanalysator verwendet. Derzeit besteht das ungelöste Problem bei der Kondensatormodellierung in der Industrie darin, die gegenseitige Kopplung zwischen der Vorrichtung und dem Kondensator zu beseitigen, um den Einfluss der Vorrichtung auf das Modellierungsergebnis zu reduzieren.

Im traditionellen Netzteildesign werden Induktivitäten (Magnetkugeln) häufig verwendet, um das Netzteil zu isolieren, um Störeinflüsse zu reduzieren. Im eigentlichen Design wird oft die Isolationsinduktivität (magnetische Perlen) entfernt und das Rauschen der Stromversorgung reduziert. Denn der Induktor (Magnetperlen) schwingt mit anderen Filterkomponenten. Um diese Situation zu vermeiden, ist es notwendig, die Induktivität (magnetische Perlen) zu modellieren und zu simulieren, um Resonanz zu vermeiden. Die in der Industrie übliche Induktivitätsmodellmethode (magnetische Perle) verwendet auch einen Netzwerkanalysator. Die spezifische Methode ähnelt der Kapazitätsmodellierung. Der Unterschied besteht darin, dass der Induktor (magnetische Wulst) in Reihe modelliert und der Kondensator parallel modelliert wird.

Die Modellierung der oben genannten verschiedenen passiven Komponenten wird hauptsächlich in der Signalintegrität und Leistungsintegrität verwendet. In den letzten Jahren entwickelt sich die EMI-Simulationsanalyse allmählich weiter, und die Testmodellierung von EMI-passiven Komponenten ist allmählich zum Design der Leiterplattenverbindung geworden. Konzentriere dich. Abbildung 1 zeigt die Impedanzkurve des Kondensators.

Prüfung der Leistungsintegrität

Da die Chipleistung weiter zunimmt und die Betriebsspannung weiter abnimmt, ist das Rauschen der Stromversorgung allmählich zum Gegenstand von Bedenken im PCB-Verbindungsdesign geworden. Aus der Perspektive des Prüfobjekts kann der Leistungsintegritätstest in zwei Schritte unterteilt werden, den Leistungssystemcharakteristiktest und den Leistungsgrundrauschtest. Ersteres ist, die Leistung des Stromversorgungsteils des Systems zu testen (passiver Test), und letzteres ist, das Stromerdgeräusch direkt zu testen, wenn das System arbeitet (aktiver Test). Synchrones Schaltrauschen kann auch als Stromerdrauschen klassifiziert werden.

Beim Testen der Leistung des Stromsystems wird in der Regel ein Netzwerkanalysator verwendet, und die Testobjekte sind die Selbstimpedanz und Transferimpedanz des Stromsystems. Im Allgemeinen ist die Impedanz des Stromsystems viel kleiner als die Impedanz des Netzwerkanalysatorsystems (50 Ohms), so dass Sie nur durch Kalibrierung während des Tests tun müssen. Die Impedanz des Stromsystems kann mit der Formel S21=Z/25 ermittelt werden. Abbildung 2 zeigt die Leistungsimpedanz-Eigenschaften einer einzelnen Platine.

Sie können einen Spektrumanalysator und ein Oszilloskop verwenden, um das Rauschen der Stromversorgung zu testen. Der Eingangsport des Spektrumanalysators kann nicht an die DC-Komponente angeschlossen werden. Daher müssen Sie bei der Prüfung des Rauschens des Netzteils DC-Blocking in Reihe in der Prüfvorrichtung anschließen. Die Eingangsimpedanz des Spektrumanalysators ist 50 Ohms, und die Impedanz des Stromerdungsnetzes ist im Allgemeinen im Milliohm-Niveau, so dass die Testvorrichtung das zu testende System nicht beeinflusst. Die Eingangsimpedanz des Oszilloskops ändert sich mit verschiedenen Einstellungen. Nehmen wir zum Beispiel Tektronix TDS784, seine niederfrequente Trennfrequenz ändert sich mit dem Kopplungsmodus und der Systemimpedanz.

Die beschriebenen Methoden testen vor allem das Stromerdrauschen auf der einzelnen Platine, und was die Arbeit des Chips wirklich beeinflusst, ist das Stromerdrauschen im Chip. Zu diesem Zeitpunkt ist es notwendig, den synchronen Schaltrauschtest zu verwenden, um das Leistungsgrundrauschen im Chip zu bestimmen. Angenommen, der Chip hat N IO Ports, lassen Sie einen von ihnen statisch bleiben, und die anderen N-1 werden zur gleichen Zeit umgedreht, um die Signalwellenform auf dem statischen Netzwerk zu testen, das heißt, das synchrone Schaltrauschen. Synchrones Schaltrauschen umfasst sowohl Strom- als auch Erdgeräusche und Übersprechen zwischen verschiedenen Signalen im Gehäuse. Es gibt derzeit keine Möglichkeit, die beiden vollständig zu unterscheiden.

Taktsignaljitter-Test

In einigen High-End-Produkten ist Jitter allmählich zu einem wichtigen Indikator geworden, der die Produktleistung beeinflusst. Hier ist nur eine kurze Einführung zur Verwendung eines Spektrumanalysators, um Taktsignaljitter und Problemlokalisierung zu testen. Der Jittertest von Datensignalen ist vorerst nicht involviert.

In den meisten Systemen wird die Uhr durch einen Kristalloszillator oder eine phasenverriegelte Schleife erzeugt. Der Jittertest des Taktsignals ist relativ einfach, es ist keine High-End-Testausrüstung erforderlich, und ein gemeinsamer Spektrumanalysator kann verwendet werden, um das Problem zu lokalisieren. Das Spektrum eines idealen Taktsignals ist ein sauberes diskretes Spektrum, mit nur Komponenten im Vielfachen der Taktfrequenz. Wenn das Taktsignal zittert, erscheinen Seitenlappen in der Nähe dieser Multiplikatoren, und der Jitter ist proportional zur Leistung dieser Seitenlappen.

Die spezifische Methode zur Verwendung eines Spektrumanalysators, um den Taktjitter zu testen, besteht darin, einen prüfbaren Punkt auf der Taktsignalverbindung zu finden, das Signal durch DC-Blocking mit dem Spektrumanalysator zu verbinden und das Testergebnis zu beobachten. Da es sich bei der Prüfvorrichtung um ein lineares System handelt, müssen Sie sich keine Gedanken über die Erzeugung neuer Spektralkomponenten machen. Wie bereits erwähnt, werden Uhren alle durch Kristalloszillatoren oder phasenverriegelte Schleifen erzeugt. In diesem Fall ist der wichtige Grund für die Einführung des Taktjitters das Spannungsrauschen der Kristalloszillatoren oder phasenverriegelten Schleifen. Das Stromversorgungsgeräusch des Kristalloszillators oder der phasenverriegelten Schleife, das durch das oben beschriebene Verfahren erhalten wird, wird mit dem Seitenkolben im Taktspektrum verglichen, und die Ursache des Taktjitters kann grundsätzlich bestimmt werden. Die Lösung für das Problem besteht darin, den Filterkreis des Kristalloszillators oder die phasenverriegelte Schleife entsprechend dem Seitenkolben des Taktspektrums neu zu gestalten. Im Allgemeinen können diese Probleme durch eine vernünftige Auswahl von Filterkondensatoren gelöst werden.

Technische Leitung von DesignCon2005

Die DesignCon ist jedes Jahr die erste Konferenz im Bereich der Verbindungstechnik. Im diesjährigen DesignCon2005 gibt es auf der Jahrestagung vor allem folgende technologische Entwicklungstrends:

1. Es gibt bereits viele Anwendungen in der Industrie für Simulation und Prüfung der reinen Leistungsintegrität, und es ist kein schwieriger Punkt mehr in der Analysearbeit.

2. Die Modellierung von Kapazität und Induktivität (magnetische Perlen) wurde in der Industrie gefördert, und seine Methode war relativ vollständig.

3. Der Fokus des PCB-Verbindungsdesigns hat sich auf das Verpacken verlagert, und die Analyse auf Leiterplattenebene ist ausgereifter geworden. Die simultane Schaltgeräuschsimulation und -prüfung sind in der Industrie allmählich zum Thema geworden.

4. Jitter-Testmethoden und -Standards sind allmählich ein Anliegen der Industrie geworden. Auf der Konferenz stellten viele Anbieter von Prüfgeräten eigene Jitter-Analysatoren vor.

Zusammenfassen

Dieser Artikel stellt kurz die aktuellen Testobjekte und Testmethoden im Bereich PCBinterconnection Design vor. Während die Signalrate weiter steigt, erscheinen allmählich einige neue Testinhalte, einschließlich Stromversorgung und Erdrauschen, passive Gerätemodellierung, Jitter usw. Der Autor schlägt eine Testmethode für diese neuen Testinhalte vor, basierend auf seiner eigenen Arbeitserfahrung. Im traditionellen Signalwellenformtest sollte die Hauptüberlegung darin bestehen, die Länge des Erdungsdrahts zu reduzieren, um Pigtail-Kopplung in Rauschen zu vermeiden und die Testgenauigkeit zu verringern. Im zukünftigen PCB-Verbindungsdesign wird sich aufgrund der Zunahme der Signalbetriebsfrequenz der Schwerpunkt der Arbeit auf die Chipverpackung verlagern, und verwandte Test- und Modellierungstechniken werden in den Fokus der Arbeit rücken.