Tecnología de PCB - Diseño de la integridad de la señal de PCB para equipos gigabit

En este trabajo se discute el diseño de la integridad de la señal en la transmisión de datos Gigabit., Al mismo tiempo, introduce Diseño de Placa de circuito impreso Herramientas para resolver estos problemas, Por ejemplo, efectos cutáneos y pérdidas dieléctricas, Efectos de los orificios y conectores, Señales diferenciales y precauciones de cableado, Distribución y control del IME, Etc..

The rapid development of communication and computer technology has made Diseño de Placa de circuito impreso de alta velocidad Campo Gigabit de entrada. La aplicación de nuevos equipos de alta velocidad hace posible la transmisión de larga distancia en backplane y single Board.. Al mismo tiempo, Diseño de Placa de circuito impreso The signal integrity issues (SI), Los problemas de integridad de la fuente de alimentación y compatibilidad electromagnética también son más prominentes. La integridad de la señal se refiere a la calidad de la señal transmitida en la línea de señal. Los principales problemas incluyen la reflexión, Oscilación, Oportunidad, Rebote en tierra, Crosstalk. La mala integridad de la señal no es causada por un solo factor, Pero la combinación de muchos factores en el diseño a nivel de Junta. En Placa de circuito impreso Board Diseño de equipos gigabit, El buen diseño de la integridad de la señal requiere que los ingenieros tengan plenamente en cuenta los componentes, Esquema de interconexión de líneas de transmisión, Distribución y EMC. Alta velocidad Diseño de Placa de circuito impreso La herramienta EDA ha pasado de la simulación pura a la combinación de diseño y verificación, Ayudar a los diseñadores a establecer reglas al principio del diseño para evitar errores en lugar de encontrar problemas al final del diseño. Con el aumento de la tasa de datos, el diseño se vuelve cada vez más complejo., Alta velocidad Placa de circuito impreso Herramientas de análisis de sistemas cada vez más necesarias. Estas herramientas incluyen análisis de tiempo, Análisis de la integridad de la señal, Análisis de barrido de parámetros espaciales de diseño, Diseño de compatibilidad electromagnética, Análisis de estabilidad del sistema de potencia, Etc.. . Aquí, nos centraremos en algunos problemas que deben tenerse en cuenta en el análisis de la integridad de la señal Diseño de Placa de circuito impreso Equipo gigabit.

Modelo de equipo y equipo de alta velocidad

Aunque el proveedor de componentes de transmisión y recepción Gigabit proporcionará información sobre el diseño del chip, el proveedor de componentes también tiene un proceso para entender la integridad de la señal del nuevo dispositivo, por lo que las directrices de diseño dadas por el proveedor de componentes pueden no estar maduras. Sí, las limitaciones de diseño dadas por los proveedores de equipos son a menudo muy duras y los ingenieros de diseño tienen dificultades para cumplir todas las reglas de diseño. Por lo tanto, es necesario que el ingeniero de integridad de la señal utilice la herramienta de análisis de simulación para analizar las reglas de restricción y el diseño real del proveedor, investigar y optimizar la selección de componentes, topología, esquema de emparejamiento y valor de los componentes de emparejamiento, y finalmente desarrollar para asegurar la integridad de la señal diseño de Placa de circuito impreso y reglas de enrutamiento. Por lo tanto, el análisis preciso de la simulación de la señal Gigabit se ha vuelto muy importante, y el papel del modelo de equipo en el análisis de la integridad de la señal se ha prestado cada vez más atención.

Los modelos de componentes suelen incluir modelos Ibis y Spice. Dado que la simulación a nivel de tablero sólo se refiere a la respuesta de la señal del pin de salida al pin de entrada a través del sistema de interconexión, los fabricantes de CI no quieren revelar la información detallada del circuito dentro del dispositivo, y el tiempo de simulación del modelo Spice a nivel de Transistor es generalmente insoportable, Por lo que el modelo Ibis se utiliza para Placa de circuito impreso de alta velocidad. Cada vez más fabricantes de equipos e ingenieros de integridad de señales aceptan el campo del diseño.

Para dispositivos Gigabit analógicos Placa de circuito impreso Sistema, Los ingenieros a menudo cuestionan la exactitud del modelo Ibis. Cuando el dispositivo funciona en la región de saturación y corte del Transistor, El modelo Ibis carece de suficiente detalle para describirlo. En la región no lineal de la respuesta transitoria, Los resultados de la simulación del modelo Ibis no pueden producir información de respuesta precisa como el modelo de nivel transistor.. Sin embargo,, Para dispositivos de tipo ecl, Se puede obtener un modelo Ibis muy consistente con los resultados de la simulación del modelo de nivel transistor.. La razón es simple.. El controlador ecl funciona en la región lineal del Transistor, La forma de onda de salida está más cerca de la forma de onda ideal. Según la norma Ibis, Puede ser más preciso. Modelo Ibis.

Con el aumento de la velocidad de transmisión de datos, los dispositivos diferenciales basados en ecl se han desarrollado en gran medida. El estándar LVDS y la LMC hacen posible la transmisión de señales Gigabit S. De lo anterior se desprende que, debido a la estructura del circuito y a la aplicación de la tecnología diferencial correspondiente, la norma Ibis sigue siendo adecuada para el diseño del sistema Gigabit. Algunos artículos publicados sobre la aplicación del modelo Ibis en el diseño de LVDS y LMC de 2,5 Gbps también lo demuestran.

Dado que el modelo Ibis no es adecuado para describir circuitos activos, el modelo Ibis no es adecuado para muchos dispositivos Gbps con circuitos de pre - ponderación para la compensación de pérdidas. Por lo tanto, al diseñar un sistema Gigabit, el modelo Ibis sólo puede funcionar eficazmente en las siguientes condiciones:

1. El dispositivo diferencial funciona en la región de amplificación (curva lineal V - i)

2. El equipo no tiene circuito de pre - ponderación activo

3. El dispositivo tiene un circuito de pre - ponderación, pero no se inicia (la activación de la función de pre - ponderación en un sistema de interconexión corta puede conducir a resultados peores)

4. El dispositivo tiene un circuito de pre - ponderación pasiva, pero el circuito puede separarse del núcleo del dispositivo.

Cuando la tasa de datos es de 10 Gbps o más, la forma de onda de salida es más sinusoidal, por lo que el modelo Spice es más adecuado.

Efecto de pérdida

Cuando la frecuencia de la señal aumenta, la atenuación de la línea de transmisión no puede ser ignorada. En este caso, la pérdida causada por la resistencia equivalente del conductor de serie y la conductividad equivalente del medio paralelo debe ser considerada, y el modelo de línea de transmisión con pérdida debe ser utilizado para el análisis.

El modelo equivalente de la línea de transmisión con pérdidas se muestra en la figura 1. Se puede ver que la resistencia de la serie equivalente R y la conductividad paralela equivalente G caracterizan la pérdida. La resistencia equivalente en serie R es la resistencia causada por la resistencia DC y el efecto cutáneo. La resistencia DC es la resistencia del conductor en sí, determinada por la estructura física del conductor y la resistividad del conductor. A medida que aumenta la frecuencia, el efecto cutáneo comienza a funcionar. El efecto cutáneo es un fenómeno en el que la corriente de señal en el conductor se concentra en la superficie del conductor cuando la señal de alta frecuencia pasa a través del conductor. En el interior del conductor, la densidad de corriente de la señal disminuye exponencialmente a lo largo de la sección transversal del conductor, y la densidad de corriente disminuye a la profundidad original de 1 / E, que se llama profundidad de la epidermis. Cuanto mayor es la frecuencia, menor es la profundidad de la piel y mayor es la resistencia del conductor. La profundidad de la piel es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia.

La Conductancia paralela equivalente G también se llama pérdida dieléctrica. A baja frecuencia, la conductividad paralela equivalente está relacionada con la conductividad a granel y la Capacitancia equivalente del Medio. Cuando la frecuencia aumenta, el ángulo de pérdida dieléctrica comienza a desempeñar un papel dominante. En este punto, la conductividad dieléctrica se determina por el ángulo de pérdida dieléctrica y la frecuencia de la señal.

En general, cuando la frecuencia es inferior a 1 GHz, la pérdida del efecto cutáneo desempeña un papel importante, mientras que cuando la frecuencia es superior a 1 GHz, la pérdida dieléctrica es dominante.

La constante dieléctrica, el ángulo de pérdida dieléctrica, la conductividad del conductor y la frecuencia de Corte se pueden establecer en el software de simulación. El software tendrá en cuenta el efecto cutáneo y la pérdida dieléctrica de acuerdo con la estructura de la línea de transmisión durante la simulación. Si se produce una atenuación analógica, la frecuencia de Corte correspondiente debe establecerse de acuerdo con el ancho de banda de la señal. El ancho de banda está determinado por la velocidad de borde de la señal. Muchas señales de 622 MHz y 2,5 GHz tienen poca diferencia en la velocidad de borde. Además, la equivalencia se puede ver en el modelo de línea de transmisión con pérdidas. La resistencia y la conductividad varían con la frecuencia.

Como puede verse en la figura 2, la pérdida ralentiza el borde ascendente de la señal, es decir, reduce el ancho de banda de la señal, y la pérdida reduce la amplitud de la señal. Por otro lado, esto ayuda a suprimir el exceso de señal.

La conversación cruzada de la línea de transmisión también afecta la pérdida. La conversación cruzada está determinada por la estructura física de la línea de transmisión, la longitud de acoplamiento, la fuerza de la señal y la velocidad de borde. Después de una cierta longitud, la conversación cruzada se saturará, pero la pérdida no aumentará necesariamente.

Efectos de los orificios y conectores

El orificio transmite la señal al otro lado del tablero. Las Partes verticales de metal entre las placas son impedancias incontrolables, y el punto de inflexión horizontal a vertical es un punto de ruptura que causa reflexión, por lo que su apariencia debe minimizarse (figura 3).

En el diseño y simulación del sistema Gigabit, se debe tener en cuenta el efecto de la perforación y se necesita un modelo de perforación. La estructura del modelo a través del agujero es la resistencia de la serie R, la Inductancia L y el condensador paralelo c. de acuerdo con la aplicación concreta y el requisito de precisión, se pueden utilizar varias estructuras RLC en paralelo, y se puede considerar el acoplamiento con otros conductores. En este punto, el modelo a través del agujero es una matriz.

Hay dos métodos para obtener el modelo a través del agujero. Uno se obtiene mediante pruebas (por ejemplo, TDR) y el otro se puede extraer mediante un extractor de campo 3D (Solucionador de campo) basado en la estructura física a través del agujero.

Los parámetros del modelo a través del agujero están relacionados con el material, la pila, el espesor, el tamaño de la almohadilla / almohadilla inversa y el método de conexión de los cables conectados a ella. En el software de simulación, se pueden establecer diferentes parámetros de acuerdo a los requisitos de precisión. El software extraerá el modelo a través del agujero de acuerdo con el algoritmo correspondiente y tendrá en cuenta su influencia en el proceso de simulación.

En el diseño del sistema gigabit Placa de circuito impreso, Debe prestarse especial atención a los efectos de los conectores. El desarrollo de la tecnología de conectores de alta velocidad ha garantizado la continuidad de la impedancia y el plano de tierra durante la transmisión de la señal. El análisis de simulación del conector en el diseño se basa principalmente en el modelo de varias líneas.

El modelo multi - cable del conector se extrae en el espacio tridimensional considerando el acoplamiento de Inductancia y Capacitancia entre los pines. La matriz rlgc es extraída por el extractor de campo 3D en el modelo multi - cable del conector, que generalmente adopta la forma de sub - Circuito del modelo Spice. Debido a la complejidad de la estructura del modelo, la extracción y el análisis de simulación necesitan mucho tiempo. En el software spectraquest, puede editar el modelo de especia del conector a un modelo espice, asignarlo a un dispositivo o invocarlo directamente, o editarlo a un modelo de paquete en formato dml y asignarlo a un dispositivo.

Señales diferenciales y precauciones de cableado

La señal diferencial tiene las ventajas de una fuerte capacidad anti - interferencia y una alta velocidad de transmisión. En la transmisión de la señal Gigabit, puede reducir mejor el efecto de crosstalk y EMI. Las formas de acoplamiento incluyen acoplamiento de borde y acoplamiento superior e inferior, acoplamiento suelto y acoplamiento estrecho.

En comparación con el acoplamiento superior e inferior, El acoplamiento de borde tiene la ventaja de reducir mejor la conversación cruzada, Cableado conveniente, Procesamiento simple, Etc.., Y el acoplamiento superior e inferior se aplica más a menudo Placa de circuito impreso Board with high wiring density. En comparación con el acoplamiento suelto, El acoplamiento compacto tiene una mejor capacidad anti - interferencia y puede reducir la conversación cruzada, El acoplamiento suelto puede controlar mejor la continuidad de la Impedancia de la trayectoria diferencial..

La influencia de la continuidad de la impedancia, la pérdida, la conversación cruzada y la diferencia de longitud de la traza debe ser considerada de acuerdo a diferentes condiciones. Es mejor analizar los resultados de la simulación de la línea diferencial usando el diagrama ocular. El software de simulación puede configurar el Código de secuencia aleatoria para generar el patrón ocular, y puede introducir los parámetros de nerviosismo y desplazamiento para analizar su influencia en el patrón ocular.

Distribución y EMC

El aumento de la velocidad de transmisión de datos va acompañado de una velocidad de borde más rápida y requiere una mayor estabilidad de la fuente de alimentación en la banda ancha. El sistema de alta velocidad puede pasar a través de una corriente transitoria de 10 a, y requiere una onda de alimentación máxima de 50 MV, lo que significa que la Impedancia de la red de distribución dentro de un rango de frecuencia específico debe estar dentro de 5 m. Por ejemplo, el tiempo de subida de la señal es inferior a 0,5 ns. El ancho de banda es de hasta 1,0 GHz.

En el diseño del sistema Gigabit, debemos evitar la interferencia del ruido sincrónico (SSN) y garantizar que el sistema de distribución tenga una impedancia más baja en el ancho de banda. Por lo general, en el rango de baja frecuencia, el condensador de desacoplamiento se utiliza para reducir la impedancia. En el rango de alta frecuencia, la distribución de la fuente de alimentación y el plano de puesta a tierra se consideran principalmente. La figura 4 muestra un Diagram a de respuesta de frecuencia de una variación de impedancia cuando un condensador de desacoplamiento es considerado por la fuente de alimentación y la capa del plano de tierra, y cuando un condensador de desacoplamiento no es considerado.

El software spectraquest puede analizar el efecto del ruido de sincronización causado por la encapsulación. El software de integración de potencia (PI) utiliza el análisis de dominio de frecuencia del sistema de distribución de energía para analizar eficazmente el número y la ubicación de los condensadores de desacoplamiento, as í como la influencia de la fuente de alimentación y el plano de puesta a tierra, para ayudar a los ingenieros a elegir y colocar condensadores de desacoplamiento, enrutamiento y análisis de distribución del plano.