Blog de PCB - Tecnología de diseño de PCB basada en FPGA de alta velocidad

Qué maravilloso sería conducir a alta velocidad. PCB Board El diseño puede ser tan simple como conectar nodos esquemáticos, Es tan hermoso como se ve en un monitor de computadora.. Sin embargo,, A menos que el diseñador sea un novato en el diseño de PCB, O muy afortunado, El diseño real de PCB no suele ser tan fácil como el diseño de circuitos en el que trabajan.. PCB Board Los diseñadores se enfrentan a muchos nuevos desafíos hasta que el diseño finalmente funciona y alguien puede estar seguro de su rendimiento. Este es el estado actual de alta velocidad PCB Board Evolución de las normas y directrices de diseño, Si tienes suerte, Conducen a una solución exitosa. Gran mayoría PCB BoardS es un diseñador esquemático, experto en el principio de trabajo y la interacción de los componentes de PCB, as í como en varios estándares de transmisión de datos que componen la entrada y salida de PCB. Resultado de la colaboración entre diseñadores de diseño sobre lo que sucede cuando los cables se convierten en cables de cobre para circuitos impresos. A menudo, El diseñador del esquema es responsable del éxito o fracaso del tablero final. Sin embargo,, Cuanto más saben los diseñadores esquemáticos sobre la tecnología de diseño, Más oportunidades para evitar problemas importantes. Si el diseño incluye FPGA de alta densidad, Puede haber muchos desafíos antes de diseñar un buen Diagram a. Incluye cientos de puertos de entrada y salida, operating frequencies in excess of 5.00MHz (possibly higher in some designs), Espaciamiento de bolas de soldadura de pequeño a medio milímetro, Etc.. Interacción.

Ruido de conmutación concurrente

El desafío puede ser el llamado ruido de conmutación concurrente (SSN) o la salida de conmutación concurrente (SSO). La alta capacidad del flujo de datos de alta frecuencia producirá problemas como el zumbido y la conversación cruzada en la línea de datos, as í como el rebote de la fuente de alimentación y el ruido de la fuente de alimentación en el suelo que afecta el rendimiento general de la placa de circuito. Para resolver el problema del anillo y la conversación cruzada en la línea de datos de alta velocidad, cambiar a la señalización diferencial es un buen paso. Debido a que uno de los cables en el par diferencial es el colector y el otro es el cable fuente, el efecto de Inductancia se elimina básicamente. Cuando se utilizan pares diferenciales para transmitir datos, ayuda a reducir el ruido de "rebote" de la corriente inducida en el bucle, ya que la corriente permanece local. Para radiofrecuencias de hasta cientos de MHz o incluso varios GHz, la teoría de la señal muestra que la Potencia de la señal se puede transmitir cuando la impedancia coincide. Cuando las líneas de transmisión no coinciden, se producen reflejos, y sólo una parte de la señal se transmite del remitente al receptor, mientras que otras partes rebotan de ida y vuelta entre el remitente y el receptor. La realización de señales diferenciales en PCB desempeñará un papel importante en la correspondencia de impedancia (entre otras cosas).

Diseño de la trayectoria diferencial

El diseño de la trayectoria diferencial se basa en el principio del tablero de PCB de control de impedancia. Su modelo es un poco como un cable coaxial. En el PCB de impedancia controlada, la capa metálica plana se utiliza como escudo, el aislante es un laminado fr4 y el conductor es un par de trazas de señal (ver figura 1). Las constantes dieléctricas medias de fr4 están entre 4.2 y 4.5. Se desconoce que el error de fabricación puede conducir a la corrosión excesiva del alambre de cobre y, en última instancia, al error de impedancia. El método de cálculo de la Impedancia de trayectoria de PCB es el uso de un program a de análisis de campo (generalmente bidimensional, a veces tridimensional), que requiere el uso de elementos finitos para resolver directamente las ecuaciones de Maxwell de todo el lote de PCB. El software puede analizar el efecto de interferencia electromagnética de acuerdo a la distancia de la pista, la anchura de la pista, el espesor de la pista y la altura de aislamiento. La impedancia característica se ha convertido en el valor estándar de la industria para cables de conexión diferencial. Una línea de diferencia de 100 islas puede consistir en dos líneas iguales de 50 islas de un solo extremo. Dado que las dos trazas están cerca unas de otras, el acoplamiento de campo entre las trazas reducirá la Impedancia de modo diferencial de las trazas. Para mantener la Impedancia de 100 islas, el ancho de la trayectoria debe reducirse ligeramente. Por lo tanto, la Impedancia de modo común de cada cable en un par de 100 © diferencia será ligeramente superior a 50 ©. El tamaño de la trayectoria y el material utilizado en teoría determinan la impedancia, pero la discontinuidad de impedancia se introduce en la trayectoria de la señal a través de agujeros, conectores e incluso almohadillas de equipo. Normalmente es imposible sin estas cosas. A veces, para un diseño y cableado más razonables, es necesario aumentar el número de capas en el PCB o añadir la función de incrustación a través del agujero. La incrustación a través del agujero sólo conecta algunas capas de PCB, pero resuelve el problema de la línea de transmisión y aumenta el costo de fabricación de PCB. Pero a veces no hay alternativa. A medida que la velocidad de la señal se hace más rápida y el espacio se hace más pequeño, aumenta la necesidad adicional de incrustar a través de agujeros, que debe ser el factor de costo de la solución de PCB. En el cableado de cinta, la señal está atrapada en el medio por el material FR - 4. En la línea MICROSTRIP, el conductor está expuesto al aire. Debido a la constante dieléctrica del aire (ER = 1), la capa superior es adecuada para el enrutamiento de señales críticas, como señales de reloj o señales de secuencia inversa de alta frecuencia (serdes). El cableado MICROSTRIP debe acoplarse a la capa inferior de la tierra, que absorbe algunas líneas electromagnéticas para reducir la interferencia electromagnética (EMI). En la línea de banda, todas las líneas electromagnéticas están acopladas a los planos de referencia superior e inferior, lo que reduce en gran medida la interferencia electromagnética. Si es posible, debe tratar de no utilizar el diseño de banda acoplada de borde ancho. Esta estructura es susceptible al ruido diferencial acoplado en el plano de referencia. Además, es difícil controlar la necesidad de una fabricación equilibrada de PCB. En general, es relativamente fácil controlar el espaciamiento de las líneas en la misma capa.

Condensadores de desacoplamiento y derivación

Otro aspecto importante para determinar si el rendimiento real de los PCB es el esperado es el control mediante la adición de condensadores de desacoplamiento y derivación. La adición de condensadores de desacoplamiento ayuda a reducir la Inductancia entre la fuente de alimentación de PCB y el suelo, y ayuda a controlar la Impedancia de la señal y el CI en todo el PCB. Los condensadores de derivación ayudan a proporcionar una fuente de alimentación limpia (un grupo de carga) a la FPGA. La regla tradicional es que el condensador de desacoplamiento debe colocarse en un lugar conveniente para el cableado de PCB, y el número de pin de alimentación FPGA determina el número de condensadores de desacoplamiento. Sin embargo, la velocidad de conmutación ultraalta de FPGA rompe completamente este estereotipo. En el diseño típico del tablero FPGA, el condensador cerca de la fuente de alimentación proporciona compensación de frecuencia para el cambio de corriente en la carga. Para proporcionar un filtro de baja frecuencia y evitar la caída de la tensión de alimentación, utilice un condensador de desacoplamiento grande. Cuando se inicia el circuito diseñado, la caída de tensión se debe al retraso de la respuesta del regulador. Este condensador grande es generalmente un Condensador electrolítico con una mejor respuesta de baja frecuencia, con un rango de respuesta de frecuencia de DC a varios cientos de kHz. Cada cambio en la salida FPGA requiere carga y descarga de la línea de señal, lo que requiere energía. La función del condensador de derivación es proporcionar almacenamiento local de energía en una amplia gama de frecuencias. Además, se requiere un pequeño condensador con una pequeña Inductancia en serie para proporcionar una corriente de alta velocidad para los transitorios de alta frecuencia. Después de consumir la energía del condensador de alta frecuencia, el condensador grande de respuesta lenta continúa suministrando corriente. Un gran número de transitorios de corriente en el bus de potencia aumenta la complejidad del diseño FPGA. Estos transitorios de corriente suelen estar relacionados con sso / SSN. La inserción de condensadores con Inductancia muy baja proporcionará energía local de alta frecuencia para eliminar el ruido de la corriente de conmutación en el bus de alimentación. El condensador de desacoplamiento evita que la corriente de alta frecuencia entre en la fuente de alimentación del dispositivo y debe estar muy cerca de la FPGA (menos de 1 cm). A veces, muchos condensadores pequeños se conectan en paralelo como almacenamiento local de energía del dispositivo y responden rápidamente a las necesidades cambiantes de corriente. En general, la trayectoria del condensador de desacoplamiento debe ser corta, incluyendo la distancia vertical a través del agujero. Incluso a ñadir una pequeña cantidad también aumentará la Inductancia del cable, reduciendo el efecto de desacoplamiento.

Otras tecnologías

Con el aumento de la velocidad de la señal, es cada vez más difícil transmitir fácilmente datos a través de la placa de circuito. Se pueden utilizar varias otras técnicas para mejorar aún más el rendimiento de los PCB. El primer enfoque obvio es el diseño simple del dispositivo. Es de sentido común diseñar rutas cortas y directas para conexiones críticas, pero no subestimes esto. ¿Por qué molestarse en ajustar la señal en el tablero cuando una estrategia simple puede hacer esto? Un enfoque casi igualmente simple es considerar el ancho de la línea de señal. Cuando la velocidad de datos es de 622 MHz o más, el efecto cutáneo de la señal se hace cada vez más prominente. A distancias más largas, las trazas muy delgadas (por ejemplo, 4 o 5 mils) en el PCB producirán una gran atenuación de la señal, al igual que un filtro de paso bajo no diseñado para la atenuación, cuya atenuación aumenta con la frecuencia. Cuanto más largo sea el backplane, mayor será la frecuencia y mayor será la línea de señal. Para trazas de placas traseras de más de 20 pulgadas de longitud, la anchura de la traza debe ser de 10 o 12 mils. Por lo general, la señal clave en el tablero es la señal del reloj. Cuando las líneas de reloj son demasiado largas o mal diseñadas, amplifican el nerviosismo y se inclinan aguas abajo, especialmente cuando la velocidad aumenta. Debe evitarse el reloj de transmisión multicapa y no debe haber agujeros en la línea del reloj, ya que los agujeros aumentarán los cambios de impedancia y la reflexión. Si el reloj debe ser enrutado usando capas internas, las capas superior e inferior deben usar planos de tierra para reducir el retraso. Cuando se diseña con FPGA pll, el ruido en el plano de potencia aumenta el nerviosismo pll. Si esto es crítico, se puede crear una "isla de potencia" para pll, que se puede utilizar para aislar fuentes de alimentación analógicas y digitales pll más gruesas en planos metálicos.

Para las señales de velocidad superior a 2 Gbps, deben considerarse soluciones más costosas. En tales frecuencias, el espesor de la placa posterior y el diseño del orificio pueden tener un impacto significativo en la integridad de la señal. Cuando el espesor de la placa trasera no es superior a 0.200 pulgadas, el efecto es bueno. Cuando se utilice una señal de alta velocidad en un PCB, el número de capas debe ser lo menos posible para limitar el número de agujeros. En la placa gruesa, el agujero más largo que conecta la capa de señal formará la rama de la línea de transmisión en la ruta de la señal. Este problema se puede resolver mediante el uso de agujeros enterrados, pero el costo de fabricación es alto. Otra opción es utilizar materiales dieléctricos de bajo consumo, como Rogers 4350, getek o Arlon. Estos materiales cuestan casi el doble que los materiales fr4, pero a veces es una opción. Otras técnicas de diseño de FPGA proporcionan algunas opciones de posición de entrada / salida. En el diseño crítico de serdes de alta velocidad, es posible aislar las E / s de serdes manteniendo (pero no usando) los pines de E / s adyacentes. Por ejemplo, el área de la bola bga 3x3 o 5x5 puede mantenerse en relación con serdes RX y TX, vccrx y vcctx, y la posición de la bola. Alternativamente, si es posible, coloque todo el Grupo de entrada / salida cerca de serdes. Si no hay restricciones de entrada / salida en el diseño, estas técnicas pueden ser beneficiosas sin costo adicional. Otro enfoque es hacer referencia a los tableros de referencia proporcionados por los fabricantes de FPGA. La mayoría de los fabricantes proporcionan información sobre el diseño de la fuente para el tablero de referencia, pero pueden requerir requisitos especiales debido a problemas de información propietaria. Estos circuitos suelen contener interfaces estándar de entrada / salida de alta velocidad que los fabricantes de FPGA necesitan para describir las características de sus dispositivos. Sin embargo, tenga en cuenta que estas placas de circuitos están generalmente diseñadas para una variedad de propósitos y pueden no estar necesariamente diseñadas para satisfacer necesidades específicas de diseño. Sin embargo, pueden servir de punto de partida para la creación de soluciones.

Resumen de este artículo

Por supuesto., Este artículo trata sólo de algunos conceptos básicos. Cualquier tema cubierto aquí puede ser discutido a lo largo del libro. La clave es determinar cuál es el objetivo antes de invertir mucho tiempo y esfuerzo en el diseño de PCB. Una vez terminado el diseño, El rediseño puede llevar mucho tiempo y dinero, Incluso si el ancho de la marca se ajusta ligeramente. No puedes confiar en PCB Board El ingeniero de diseño diseña para satisfacer las necesidades reales. Los diseñadores esquemáticos siempre están allí para proporcionar orientación, Tomar decisiones informadas, Responsable del éxito de la solución.