Tecnología de PCB - Método de diseño de PCB digitales de alta velocidad basado en el análisis de la integridad de la señal

ESte artículo introduce un método de diSeño de señales digitales de alta velocidad Placa de circuito impreso Board Análisis informático basado en la integridad de la señal. En este método de diseño, Este Placa de circuito impreso BoardEn primer lugar, se establece un modelo de transmisión de señales de nivel para todas las señales digitales de alta velocidad., A través del cálculo y análisis de la integridad de la señal, se encuentra el espacio de solución del diseño., Finalmente Placa de circuito impreso Sobre la base del espacio de solución. Diseño y verificación de Placa de circuito impreso.

Con el aumento de la velocidad de conmutación de salida y la densidad de Placa de circuito impreso, la integridad de la señal se ha convertido en uno de los problemas importantes en el diseño de Placa de circuito impreso digitales de alta velocidad. Los parámetros de los componentes y Placa de circuito impreso, la disposición de los componentes y el cableado de las señales de alta velocidad conducirán a problemas de integridad de las señales, lo que dará lugar a un funcionamiento inestable del sistema, o incluso a un funcionamiento nulo.

La forma de tener plenamente en cuenta la integridad de la señal y adoptar medidas de control eficaces en el proceso de diseño de Placa de circuito impreso se ha convertido en un tema candente en la industria del diseño de Placa de circuito impreso. El método de diseño de Placa de circuito impreso digitales de alta velocidad basado en el análisis informático de la integridad de la señal puede realizar eficazmente la integridad de la señal del diseño de Placa de circuito impreso.

1. Visión Todos de la integridad de la señal

La integridad de la señal (si) es la capacidad de una señal para responder en el circuito con el tiempo y el voltaje correctos. Si la señal en el circuito puede llegar al ci con el tiempo, la duración y la amplitud de tensión necesarios, el circuito tiene una mejor integridad de la señal. Por el contrario, cuando la señal no puede responder normalmente, se producirá un problema de integridad de la señal. En términos generales, los problemas de integridad de la señal se manifiestan principalmente en cinco aspectos: retraso, reflexión, conversación cruzada, ruido de conmutación sincrónico (SSN) y compatibilidad electromagnética (EMI).

El retraso significa que la señal se transmite a una velocidad limitada en los cables del tablero de Placa de circuito impreso, y la señal se transmite desde el extremo transmisor al extremo receptor, durante el cual existe un retraso de transmisión. El retraso de la señal afectará el tiempo del sistema. En el sistema digital de alta velocidad, el retraso de transmisión depende principalmente de la longitud del cable y de la constante dieléctrica del medio circundante.

Además, cuando la impedancia característica del cable en el Placa de circuito impreso (llamada línea de transmisión en el sistema digital de alta velocidad) no coincide con la Impedancia de carga, después de que la señal llega al extremo receptor, parte de la energía se reflejará a lo largo de la línea de transmisión, lo que conduce a la distorsión de La forma de onda de la señal e incluso a la emisión de señales de sobrealimentación y sobrealimentación. Si la señal se refleja de ida y vuelta en la línea de transmisión, producirá oscilaciones de timbre y timbre.

Debido a la Capacitancia mutua y la Inductancia mutua entre dos equipos o cables en Placa de circuito impreso, cuando el equipo o la señal en el cable cambia, el cambio afectará a otros equipos o Inductancia a través de la Capacitancia mutua y la Inductancia mutua. Cables eléctricos, es decir, comentarios cruzados. La fuerza de la conversación cruzada depende del tamaño geométrico y la distancia entre el dispositivo y el cable.

Cuando muchas señales digitales Placa de circuito impreso Board are switched synchronously (such as CPU data bus, Bus de direcciones, Etc..), Debido a la impedancia del cable de alimentación y del cable de tierra, Se producirá un ruido de conmutación sincrónico, Rebote del plano de tierra en el cable de tierra. Noise (referred to as ground bomb). La fuerza del SSN y del rebote en tierra también depende de las características Io del CI, Impedancia de la capa de alimentación y la capa plana de puesta a tierra Placa de circuito impreso Board, Diseño y cableado de equipos de alta velocidad Placa de circuito impreso Board.

Además, al igual que otros equipos electrónicos, los Placa de circuito impreso también tienen problemas de compatibilidad electromagnética, principalmente relacionados con la disposición y el cableado de los Placa de circuito impreso.

2.. Método tradicional de diseño de Placa de circuito impreso

En traditional Diseño process, Diseño de Placa de circuito impreso consists of circuit Diseño, Diseño de diseño, Placa de circuito impreso Producción, Pasos secuenciales de medición y depuración. En la fase de diseño del circuito, Debido a la falta de métodos y medios eficaces para analizar las características de transmisión de la señal real Placa de circuito impreso Board, El diseño del circuito se basa generalmente en las recomendaciones de los fabricantes de componentes y expertos, as í como en la experiencia de diseño anterior.. Por consiguiente,, Nuevo proyecto de diseño, Por lo general, es difícil seleccionar correctamente la topología de la señal y los parámetros de los componentes de acuerdo con las condiciones específicas..

En Diseño de Placa de circuito impreso t Diseño stage, También es difícil analizar y evaluar en tiempo real Placa de circuito impreso Diseño de componentes y cableado de señales, Por lo tanto, la calidad del diseño depende más de la experiencia del diseñador. En Placa de circuito impreso Fase de producción, Debido a cada Placa de circuito impreso Board Los fabricantes de componentes no son exactamente los mismos, Parámetros Placa de circuito impreso Board Y los componentes generalmente tienen un amplio rango de tolerancia, Hacer Placa de circuito impreso Board Más difícil de controlar.

En el proceso tradicional de diseño de Placa de circuito impreso, el rendimiento de la placa de Placa de circuito impreso sólo se puede juzgar mediante la medición de instrumentos después de la producción. Los problemas encontrados en la fase de depuración de Placa de circuito impreso deben ser modificados en el siguiente diseño de Placa de circuito impreso. Sin embargo, es más difícil cuantificar algunos problemas en el diseño de circuitos y diseños anteriores. Por lo tanto, para Placa de circuito impreso más complejos, el proceso anterior a menudo necesita ser repetido varias veces para cumplir con los requisitos de diseño.

3.. Diseño de Placa de circuito impreso method based on signal integrity analysis

El proceso de diseño de Placa de circuito impreso basado en el análisis informático de la integridad de la señal se muestra en la figura 2. En comparación con el método tradicional de diseño de Placa de circuito impreso, el método de diseño basado en el análisis de la integridad de la señal tiene las siguientes características:

Antes del diseño del Placa de circuito impreso, se establece un modelo de integridad de la señal para la transmisión de señales digitales de alta velocidad.

De acuerdo con el modelo si, se lleva a cabo una serie de análisis previos a la integridad de la señal, y se seleccionan los tipos de componentes, parámetros y topología adecuados de acuerdo con los resultados de la simulación, que son la base del diseño del circuito.

En el proceso de diseño del Circuito, el esquema de diseño se envía al modelo si para el análisis de la integridad de la señal, y se calcula y analiza el rango de tolerancia de los parámetros de los componentes y Placa de circuito impreso, la posible estructura topológica y los cambios de parámetros en el diseño de la disposición de Placa de circuito impreso y otros factores. Espacio de solución.

Después del diseño del Circuito, cada señal digital de alta velocidad debe tener un espacio de solución continuo y realizable. Es decir, cuando los parámetros de Placa de circuito impreso y componentes cambian en un cierto rango, la disposición de los componentes en el tablero de Placa de circuito impreso y el cableado de la línea de señal en el tablero de Placa de circuito impreso tienen cierta flexibilidad, y el requisito de integridad de la señal todavía se puede garantizar.

Antes del inicio del diseño del diseño del Placa de circuito impreso, los valores límite obtenidos para cada espacio de solución de señal se utilizan como restricciones para el diseño del diseño del diseño del Placa de circuito impreso y como base para el diseño del diseño y el enrutamiento del diseño del Placa de circuito impreso.

En el proceso de diseño de la disposición de Placa de circuito impreso, el diseño parcial o completo se envía al modelo si para el análisis de la integridad de la señal después del diseño, a fin de confirmar si el diseño de la disposición real cumple los requisitos de integridad de la señal esperados. Si los resultados de la simulación no pueden cumplir los requisitos, es necesario modificar el diseño del diseño o incluso el diseño del Circuito, lo que puede reducir el riesgo de fallo del producto debido al diseño inadecuado.

Después Placa de circuito impreso Diseño is completed, Este Placa de circuito impreso Board Sí, claro.. Rango de tolerancia Placa de circuito impreso Board manufacturing Parámetros should be within Este range of the solution space of the signal integrity analysis.

Después de la fabricación de Placa de circuito impreso, el instrumento se utiliza para medir y depurar para verificar la corrección del modelo si y el análisis si, y se toma como base para la corrección del modelo.

Sobre la base del modelo correcto de si y el método de análisis, la placa de Placa de circuito impreso se puede completar sin o sólo necesita varias modificaciones repetidas en el diseño y la producción, lo que puede acortar el ciclo de desarrollo del producto y reducir el costo de desarrollo.

4.. Modelo de análisis de la integridad de la señal

En el método de diseño de Placa de circuito impreso basado en el análisis informático de la integridad de la señal, la parte más importante es establecer el modelo de integridad de la señal a nivel de Placa de circuito impreso, que es diferente del método de diseño tradicional.

La corrección del modelo si determinará la corrección del diseño, y la construcción del modelo si determinará la viabilidad del método de diseño.

4.1. Modelo si para el diseño de Placa de circuito impreso

Hay muchos modelos para analizar la integridad de la señal a nivel de tablero de Placa de circuito impreso en el diseño electrónico. Los tres tipos más comunes son Spice, IBIS y verilog - A.

Modelo especia

Spice es un potente simulador de circuitos analógicos de uso general. En la actualidad, el modelo Spice se ha utilizado ampliamente en el diseño electrónico y se han derivado dos versiones principales: hspice y pspice. Hspice se utiliza principalmente para el diseño de circuitos integrados, mientras que pspice se utiliza principalmente para el diseño de Placa de circuito impreso y sistemas.

El modelo especia se compone de dos partes: la ecuación del modelo y los parámetros del modelo. Dado que se proporcionan las ecuaciones del modelo, el modelo Spice puede estar estrechamente relacionado con el algoritmo del simulador, por lo que se puede obtener una mejor eficiencia y resultados analíticos.

Cuando el análisis si se realiza a nivel de Placa de circuito impreso utilizando el modelo Spice, los diseñadores y fabricantes de CI deben proporcionar una descripción detallada y precisa del modelo Spice y los parámetros de fabricación de las características de semiconductores de los subcircuitos de E / s de CI. Debido a que estos materiales suelen pertenecer a la propiedad intelectual y a la confidencialidad de los diseñadores y fabricantes, sólo unos pocos fabricantes de semiconductores proporcionan el modelo Spice correspondiente para los productos de chips.

La precisión del análisis del modelo Spice depende principalmente de la fuente de los parámetros del modelo (es decir, la precisión de los datos) y del ámbito de aplicación de la ecuación del modelo. La combinación de ecuaciones modelo y varios simuladores digitales también puede afectar la precisión del análisis. Además, el modelo Spice a nivel de placa de Placa de circuito impreso tiene un gran número de cálculos de simulación, y el análisis consume relativamente tiempo.

Modelo Ibis

El modelo Ibis fue desarrollado originalmente por Intel para el análisis de integridad de señales digitales a nivel de tablero de Placa de circuito impreso y sistema. Ahora es administrado por el foro abierto Ibis y se ha convertido en la norma oficial de la industria (EIA / ANSI 656 - a).

El modelo Ibis utiliza tablas I / V y V / T para describir las características de las unidades y pines de E / s de circuitos integrados digitales. Debido a que el modelo Ibis no necesita describir el diseño interno de las células de E / S y los parámetros de fabricación de transistores, es bien recibido y apoyado por los fabricantes de semiconductores. Hoy en día, todos los principales fabricantes de circuitos integrados digitales pueden proporcionar los modelos Ibis correspondientes junto con los chips.

La precisión del análisis del modelo Ibis depende principalmente del número de puntos de datos en las tablas I / V y V / T y de la exactitud de los datos. Debido a que la simulación a nivel de tablero de Placa de circuito impreso basada en el modelo Ibis utiliza el cálculo de búsqueda de tablas, la cantidad de cálculo es muy pequeña, por lo general sólo 1 / 10 a 1 / 100 del modelo Spice correspondiente.

Verilog AMS Model and VHDL AMS Model

Verilog AMS y VHDL - AMS aparecieron hace menos de cuatro a ños como un nuevo estándar. Como lenguaje de modelado de nivel de comportamiento de hardware, verilog AMS y VHDL - AMS son hiperconjuntos de verilog y VHDL, respectivamente, mientras que verilog - a es un subconjunto de verilog AMS.

A diferencia de los modelos Spice e Ibis, las ecuaciones que describen el comportamiento de los componentes son escritas por el usuario en AMS. Al igual que el modelo Ibis, AMS Modeling Language es un formato de modelo independiente que se puede utilizar en muchos tipos diferentes de herramientas de simulación. Las ecuaciones AMS también se pueden escribir en muchos niveles diferentes: nivel de Transistor, nivel de célula de E / S, Grupo de células de E / S, Etc..

Debido a que verilog AMS y VHDL - AMS son nuevos estándares, hasta ahora sólo unos pocos fabricantes de semiconductores han proporcionado modelos AMS y menos simuladores que Spice e Ibis soportan AMS. Sin embargo, la viabilidad y precisión del modelo AMS en el análisis de la integridad de la señal a nivel de Placa de circuito impreso no son inferiores a los modelos Spice e Ibis.

4.2 selección de modelos

Debido a que no hay un modelo unificado para completar el análisis de la integridad de todas las señales a nivel de Placa de circuito impreso, es necesario mezclar los modelos anteriores en el diseño de Placa de circuito impreso digitales de alta velocidad para establecer el modelo de transmisión de señales críticas y sensibles en la mayor medida posible.

Para componentes pasivos discretos, puede buscar el modelo Spice proporcionado por el fabricante, o puede establecer y utilizar el modelo Spice simplificado directamente a través de mediciones experimentales.

Para circuitos integrados digitales críticos, debe buscarse el modelo Ibis proporcionado por el fabricante. En la actualidad, la mayoría de los diseñadores y fabricantes de CI pueden proporcionar los modelos Ibis necesarios mientras proporcionan chips a través de sitios web u otros métodos.

Para circuitos integrados no críticos, si el modelo Ibis del fabricante no está disponible, puede seleccionar un modelo Ibis similar o predeterminado basado en la funcionalidad del pin del chip. Por supuesto, el modelo Ibis simplificado también puede construirse mediante mediciones experimentales.

Para las líneas de transmisión en Placa de circuito impreso, el Modelo simplificado de línea de transmisión Spice se puede utilizar para el análisis previo de la integridad de la señal y el análisis de la solución espacial. De acuerdo con el diseño de la disposición real, el modelo completo de línea de transmisión Spice se utiliza para el análisis después del cableado.

5. Combinación del método de diseño con el software EDA existente

En la actualidad, la industria del diseño de Placa de circuito impreso no ha integrado el software EDA para completar los métodos de diseño anteriores, por lo que debe lograrse mediante la combinación de algunas herramientas de software comunes.

El software general Spice (como pspice, hspice, Etc..) se utiliza para construir el modelo Spice para componentes discretos y pasivos y líneas de transmisión en Placa de circuito impreso, y se depura y valida.

El modelo Spice / Ibis de varios componentes y líneas de transmisión se a ñade al software general de análisis de integridad de la señal, como spectraquest, hyperlynx, Cabeza, is Analyzer, Etc.. el modelo de análisis si de la señal en el tablero de Placa de circuito impreso se establece, y la integridad de la señal se analiza y calcula.

Utilice la función de base de datos que viene con el software de análisis si, u otro software de base de datos común, para ordenar y analizar los resultados de la operación de simulación, y buscar el espacio de solución ideal.

Tomando el valor límite del espacio de solución como la base del diseño del Circuito de Placa de circuito impreso y la condición de restricción del diseño de la disposición, el diseño del Circuito de Placa de circuito impreso y el diseño de la disposición se completan con el software EDA de diseño general de Placa de circuito impreso como orcad, protel, Pads, powerpcb, Allegro y mentor.

Después Diseño de Placa de circuito impreso t Finalización del diseño, the parameters of the actual design circuit (such as topology, Largo, Espaciamiento, etc.) can be extracted automatically or manually through the above Diseño de diseño software, Y enviar de vuelta al software anterior de análisis de integridad de la señal para el cableado. Análisis si para verificar que el diseño real cumple los requisitos del espacio de solución.

Después Placa de circuito impreso board Fabricación, La corrección de cada modelo y cálculo de simulación se verifica mediante la medición del instrumento experimental..

Resumen de este artículo:

This Método de diseño has strong practical significance for the design and development of high-speed digital Placa de circuito impreso Board s, No sólo puede mejorar eficazmente el rendimiento del diseño del producto, Además, puede acortar en gran medida el ciclo de desarrollo de productos y reducir los costos de desarrollo.. Se prevé que, con la mejora continua y la perfección del modelo de análisis de la integridad de la señal y el algoritmo de análisis computacional,Placa de circuito impreso Método de diseños based on signal integrity computer analysis will be increasingly used in the design of electronic products.