Tecnología de PCB - Diseño y análisis de simulación de PCB basados en la teoría de la integridad de la señal

En la actualidad, ESte related signal integrity (SI) engineering and research at home and abroad is still an immature subject, El método de análisis y la práctica no son perfectos., Todavía en la etapa de exploración continua. En Diseño de Placa de circuito impreso Método de análisis informático basado en la integridad de la señal, La parte central es construir Placa de circuito impreso BoardModelo de integridad de la señal de nivel, Esta es la principal diferencia con los métodos tradicionales de diseño. La exactitud del modelo si determinará la exactitud del diseño, La construcción del modelo si determina la viabilidad del método de diseño..

Problemas en los números de alta velocidad Diseño de circuitos 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, Tanto la Sobretensión como la infratensión amenazan la tolerancia a fallos, noise tolerance and monotonicity of the designed system; (3) After the signal edge time drops to 1 ns, La conversación cruzada entre las señales se vuelve muy grave. 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.

En el sistema de alta velocidad, la clave para el éxito del diseño del sistema es si la interconexión de la señal y la integridad de la señal se pueden resolver bien. Al mismo tiempo, la integridad de la señal es la base y la premisa para resolver los problemas de la integridad de la fuente de alimentación, la compatibilidad electromagnética y la interferencia electromagnética (Compatibilidad electromagnética / EMI).

Efecto de alta frecuencia y teoría de la línea de transmisión

Efecto de alta frecuencia

En el caso del efecto cutáneo de alta frecuencia, las ondas electromagnéticas se atenuarán rápidamente cuando entren en un buen conductor. Incluso si la distancia en un buen conductor es inferior a una longitud de onda, las ondas electromagnéticas se han atenuado significativamente, por lo que el campo electromagnético de alta frecuencia sólo puede existir en una superficie del buen conductor. En las capas delgadas, este fenómeno se llama efecto cutáneo. La profundidad de atenuación de la intensidad del campo electromagnético a 1 / E de la superficie es la profundidad de la epidermis.

La fórmula (1) muestra que cuanto mayor es la conductividad, mejor es la conductividad, mayor es la frecuencia de trabajo y menor es la profundidad de la piel, lo que resulta en una resistencia de alta frecuencia mucho mayor que la resistencia de baja frecuencia o la resistencia de corriente continua. Cuando el efecto de proximidad es la interferencia electromagnética mutua entre múltiples conductores portadores de corriente, la distribución de corriente en la sección transversal de cada conductor portador de corriente es diferente de la del conductor portador de corriente aislado. Cuando dos conductores adyacentes llevan corriente en la dirección opuesta, la densidad de corriente es la más cercana en ambos lados. Cuando la dirección actual de los dos conductores portadores de corriente es la misma, la densidad de corriente de los dos lados exteriores es la más pequeña. En general, el efecto de proximidad aumenta la resistencia equivalente y reduce la Inductancia.

Teoría de la línea de transmisión

La línea de transmisión generalizada es un conductor, medio o sistema de guía compuesto por ellos, que guía la transmisión de ondas electromagnéticas en una Dirección particular. La línea de transmisión generalmente discutida se refiere a la línea de transmisión de microondas, cuya teoría es la teoría de la línea larga. Cuando el tamaño geométrico de la línea de transmisión es igual a la longitud de onda de las ondas electromagnéticas, debe tenerse en cuenta el parámetro de distribución (o el parámetro parasitario) de la línea de transmisión. En el diseño de circuitos digitales o de radiofrecuencia de alta velocidad y el diseño de simulación de circuitos de alta velocidad, la teoría de la línea de transmisión debe utilizarse para explicar muchos fenómenos electromagnéticos. La teoría de la línea de transmisión es la base del estudio del circuito digital de alta velocidad (o RF).

La teoría básica de la línea de transmisión debe tener en cuenta los parámetros de distribución en el canal de transmisión cuando la velocidad o frecuencia de la señal de transmisión alcanza un cierto nivel. Tomando como ejemplo dos líneas paralelas, el efecto cutáneo aumenta la Impedancia de RF por unidad de longitud. Cuando se alcanza el rango de radiofrecuencia, el campo magnético alrededor de las líneas paralelas es muy fuerte, y la Inductancia parasitaria debe ser considerada. El campo eléctrico entre las líneas paralelas debe ser equivalente al condensador. Al mismo tiempo, cuando la frecuencia es alta, debe tenerse en cuenta la fuga entre los conductores. Por lo tanto, el circuito equivalente de la línea de transmisión de longitud unitaria puede consistir en cuatro elementos R, L, G y C, como se muestra en la figura 1.

Figura 1 circuito equivalente de la línea de transmisión de longitud unitaria

De acuerdo con la Ley de Kirchhoff, la ecuación de la línea de transmisión se puede expresar como

Por lo tanto, la solución general de la ecuación de la línea de transmisión se puede escribir como

En la fórmula: v +, V -, I +, I - son las constantes de amplitud de la onda de tensión y la onda de corriente respectivamente, y + representan la dirección de transmisión de la onda incidente (+ z) y la onda reflejada (- z), respectivamente. La constante de propagación C se define como:

Donde a es la constante de atenuación; B es la constante de fase. La tensión y la corriente en un punto de la línea de transmisión son la superposición de la onda incidente y la onda reflejada, respectivamente. La tensión y la corriente en cualquier punto del eje Z se expresan como:

La fórmula anterior muestra que la onda de tensión y la onda de corriente transmitida en la línea de transmisión son funciones del tiempo y la distancia de transmisión.

Teoría de la línea de transmisión integrada

Las líneas de transmisión integradas incluyen líneas de MICROSTRIP, líneas de banda, líneas de acoplamiento y varias guías de onda coplanares. La línea MICROSTRIP es la línea de transmisión plana más ampliamente utilizada en circuitos integrados híbridos de microondas y circuitos integrados monolíticos de microondas. Se puede utilizar para la fabricación de programas de litografía, y se puede integrar fácilmente con otros circuitos pasivos de microondas y dispositivos activos de microondas para realizar la integración de componentes y sistemas de microondas. La línea de señal de la línea MICROSTRIP se encuentra en la capa exterior y la capa de tierra se encuentra en el otro lado de la línea de señal, que es fácil de probar.

La línea de banda, también conocida como línea de tres placas, consiste en dos tiras rectangulares de conductores transversales, el suelo entre el llenado de medios uniformes o aire. El cable de señal de la línea de cinta se interpone entre las dos capas de potencia. Teóricamente, es la mejor manera de transmitir la señal porque está protegida por las capas de energía en ambos lados. Pero oculta la línea de señal en el interior, lo que no es bueno para la prueba.

Teoría de la integridad de la señal

La integridad de la señal (si) se centra en la calidad y el tiempo de transmisión de la señal a lo largo del cable. En general, los problemas de integridad de la señal que deben resolverse incluyen: (1) la reflexión causada por el desajuste de impedancia; Conversación cruzada causada por el acoplamiento de señales adyacentes; Exceso y subducción; El anillo, que se muestra como oscilación repetida de la señal, puede ser suprimido por la terminación apropiada; El ruido de rebote y el ruido de conmutación del plano de puesta a tierra. Para los equipos de alta velocidad, un gran número de señales de bus de datos se invierten rápidamente, y el cambio de corriente del bucle de puesta a tierra conduce a un plano de puesta a tierra no ideal; Distribución de energía. Para circuitos de alta velocidad, el control de la Impedancia de la fuente de alimentación / plano de puesta a tierra es la clave del diseño del sistema. Cuestión de tiempo. Para el diseño de alta velocidad, el retraso de propagación de la señal, el desplazamiento del reloj y el nerviosismo son suficientes para hacer que el sistema no pueda juzgar los datos correctamente. Los problemas del IME incluyen la radiación electromagnética y la inmunidad. La solución del problema del IME en el diseño de Placa de circuito impreso es el eslabón más importante en el control del IME del sistema, y el costo es el más bajo.

Modelo de simulación y método de modelado

Modelo de simulación Spice y método de modelado

El modelo de simulación especia (Programa de simulación centrado en IC) es un program a General de análisis de circuitos, que puede analizar y simular varias características de circuitos en condiciones generales.

El programa Spice puede reemplazar las funciones de todo el laboratorio electrónico, como el tablero de pruebas y el osciloscopio. El programa Spice tiene una gran biblioteca de dispositivos, incluyendo: (1) modelos de dispositivos pasivos, tales como resistencias, condensadores, inductores, líneas de transmisión, etc.; Modelos de dispositivos semiconductores, como diodos, transistores, transistores de efecto de campo de unión y campos mos. Tubos de efecto, etc.; Diversas fuentes de alimentación, incluidas las fuentes controladas lineales y no lineales, como las fuentes de tensión independientes, las fuentes de corriente, las fuentes de tensión controladas y las fuentes de corriente, etc.; A / D, D / a Converting Interface Circuit and Digital Circuit Equipment Library.

El método de modelado del modelo especia generalmente utiliza dos tipos de dispositivos, uno es un componente discreto, el otro es un chip. De acuerdo con el tipo de dispositivo, se adoptan dos métodos de modelado de circuitos.

Modelo de equipo básico. Por ejemplo: resistencias, condensadores, inductores, triodos comunes, etc. estas son las unidades básicas que componen el circuito. Por lo general, el método físico se utiliza para modelar, es decir, el modelo de equipo se establece a partir de la ecuación que describe las características físicas del equipo. El modelo del mismo dispositivo es diferente en diferentes frecuencias de funcionamiento.

Modelo de dispositivo de circuito de chip. El chip se compone generalmente de algunos componentes básicos, cada componente básico de la unidad y su relación de conexión se convierten en sub - circuitos en forma de tabla de red, otros circuitos pueden llamar a estos Sub - circuitos para formar el modelo de sub - Circuito del chip. A menudo se modela usando el método de caja negra, es decir, el dispositivo se ve como una caja negra, centrándose en las características de trabajo del puerto, y usando el modelo.

Modelo de simulación y estructura del modelo Ibis

Ibis Simulation Model Ibis (input / output Buffer Information) input / output Buffer Information Specification, is the Standard Model Information of the component. El modelo Ibis es un método de modelado rápido y preciso del Buffer de E / s basado en la curva V / I. Es una norma internacional que refleja las características eléctricas de la conducción y recepción de chips. Proporciona un formato de archivo estándar para grabar, como una unidad. Los parámetros de impedancia de salida, tiempo de subida / caída y carga de salida son adecuados para calcular y simular efectos de alta frecuencia, como zumbido y conversación cruzada.

El modelo Ibis es un modelo para describir las características de la información de Buffer de E / S. La descripción del comportamiento de los puertos de entrada y salida se puede dividir en una serie de módulos funcionales simples, y el modelo Ibis completo se construye a partir de estos modelos funcionales simples. Es decir, los elementos básicos de la unidad de amortiguación incluyen los parámetros parasitarios (terminales de entrada, salida o habilitación) introducidos por el paquete, la Capacitancia parasitaria del propio silicio, el circuito de protección integrado de la fuente de alimentación o la puesta a tierra, los circuitos umbral y habilitante, los circuitos Pull - up y Pull - down, etc.

Placa de circuito impreso simulation examples and results analysis

Configuración de parámetros relacionados con la simulación de Placa de circuito impreso

There are two types of Circuito impresoTabla Simulación: simulación de líneas y Tabla Simulación horizontal. La simulación de línea puede ayudar a los diseñadores a ajustar el diseño de los componentes, De acuerdo con la integridad de la señal y los requisitos de tiempo durante el diseño, se planifica la red de reloj del sistema y se determina la estrategia de terminación de la red de líneas clave antes del cableado., Diseño de seguimiento en el proceso de cableado, Y el efecto de enrutamiento de retroalimentación en cualquier momento. La simulación a nivel de placa se realiza generalmente en Diseño de Placa de circuito impreso Conclusión básica. La influencia de estos factores en el silicio y la interacción de estos factores, como la electricidad, EMC, Las propiedades térmicas y mecánicas pueden ser consideradas integralmente, Para el análisis y la verificación prácticos a nivel de sistema. Tiempo de ejecución de la simulación, En primer lugar, el modelo de simulación del componente de carga, A continuación, se realiza la simulación previa para determinar la configuración de parámetros y algunas limitaciones necesarias durante el enrutamiento. Y luego, En el proceso real de cableado, compruebe el efecto de cableado a través de la simulación de cableado en cualquier momento, Por último, una vez finalizado el cableado, Tabla-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.

Ejemplos de simulación y análisis de resultados

Después de completar el diseño del principio del módulo transceptor óptico SFP, se establece el modelo de simulación., the Placa de circuito impreso Board El diseño debe comenzar. Dado que la frecuencia de funcionamiento del módulo de transceptor óptico SFP se establece en 1.25gbit/s, Tasa de datos muy alta, La longitud de la trayectoria diferencial es muy larga, Por lo tanto, el emparejamiento de impedancia de la línea de transmisión MICROSTRIP debe ser adoptado para reducir la reflexión de la fuente y la terminal., Para garantizar la calidad de la señal. De acuerdo con los datos del chip max3748 en el diagrama esquemático, La Impedancia de salida de un solo extremo de la línea diferencial es de 50 ω, Y de acuerdo con el Protocolo SFP - MSA, Impedancia diferencial de RD+/Puerto de la madreTabla Son 100 islas). Basado en la teoría de la línea diferencial, Sin acoplamiento, La impedancia diferencial de dos líneas de transmisión MICROSTRIP paralelas es igual al doble de la Impedancia de un solo extremo. Por consiguiente,, Debe coincidir con una línea de transmisión con una impedancia característica de 50. Extraer la topología de red de interconexión entre max3748 y el conector J1, como se muestra en la figura 2. Porque J1 es un conector, No hay datos del modelo Ibis correspondientes que llamar. Por consiguiente,, Para hacer posible la simulación, Cargar din1 receptor diferencial con el sistema en J1. Y establecer la frecuencia de trabajo correspondiente.

Figura 2 topología de la interconexión entre max3748 y J1

Los resultados de la simulación y el análisis a través del análisis de los resultados de la simulación, la calidad de la señal no cumple los requisitos de diseño. Los principales problemas son los siguientes: (1) no linealidad de los bordes ascendentes y descendentes; Alguna Sobretensión y subducción en la forma de onda; La velocidad del borde se ralentiza. De acuerdo con los problemas anteriores, a través del análisis adicional del Circuito, encontramos que estos fenómenos son causados por dos factores. Debido a que el módulo de transceptor óptico SFP utiliza principalmente líneas diferenciales para la transmisión de señales, de acuerdo con el Protocolo SFP - MSA, la impedancia diferencial en la placa base es de 100 ω. Además, la Impedancia de salida diferencial del max3748 es de 100 ω. En simulaciones anteriores, cuando el sistema extrae topología, la impedancia predeterminada es de 60 © MICROSTRIP, lo que resulta en un desajuste de impedancia. Debido a que el terminal de entrada diferencial del sistema está cargado detrás de J1, cuando está en estado de alta impedancia, es equivalente a la condición de circuito abierto del terminal, y hay una gran reflexión.

Por lo tanto, para garantizar la calidad de la señal, es necesario realizar el emparejamiento de impedancia. Ajuste la Impedancia de la línea de transmisión diferencial a 100 islas. De acuerdo con la teoría de la línea de MICROSTRIP diferencial, el ancho de línea de la línea de viaje es de 15 mils, la distancia entre líneas es de 10 mils, y la Impedancia de un solo extremo es de aproximadamente 62,5 islas. Debido a que hay un cierto acoplamiento entre las líneas de diferencia, las líneas de MICROSTRIP no destructivas en la topología simulada anterior se sustituyen por líneas de MICROSTRIP acopladas con pérdidas reales para el análisis de simulación. Al mismo tiempo, a ñadir una resistencia terminal de 50 "a la fuente de alimentación de 3,3 V en la topología.

La topología modificada se muestra en la figura 3.

Figura 3: topología modificada

De acuerdo con el análisis de la forma de onda simulada y el patrón ocular, la señal tiene una buena integridad de la señal. La amplitud de sobreimpulso de la señal es de aproximadamente 54 MV, el borde ascendente y el borde descendente son de aproximadamente 100 ps, y la amplitud de oscilación de la señal de salida diferencial es de aproximadamente 850 MV, lo que cumple los requisitos de salida de la señal.