Tecnología de PCB - Tecnología de diseño de PCB basada en FPGAs de alta velocidad

Si el diseño de PCB de alta velocidad puede ser tan simple como conectar nodos de esquema o tan hermoso como puedes ver en el monitor del ordenador, será algo Maravilloso. Sin embargo, a menos que el diseñador sea un novato en el diseño de PCB o tenga mucha suerte, el diseño real de PCB generalmente no es tan fácil como el diseño de circuito en el que trabajan. los diseñadores de PCB se enfrentan a muchos nuevos desafíos antes de que el diseño finalmente funcione correctamente y alguien confirme el rendimiento. Esta es la situación actual del diseño de PCB de alta velocidad, y las reglas de diseño y las guías de diseño continúan desarrollándose. Si tienes suerte, formarán una solución exitosa.

La gran mayoría de los PCB son diseñadores de esquemas, son expertos en el principio de funcionamiento y la interacción de los dispositivos de pcb, así como en varios estándares de transmisión de datos que componen la entrada y salida de la placa de circuito. El resultado de la colaboración entre diseñadores de diseño profesionales es lo que sucede después de convertirlo en alambre de cobre de circuito impreso. Por lo general, el éxito o el fracaso de la placa de circuito final es responsabilidad del diseñador del esquema. Sin embargo, cuanto más saben los diseñadores de esquemas sobre excelentes técnicas de diseño, más tienen la oportunidad de evitar problemas importantes.

Si el diseño contiene una FPGA de alta densidad, puede enfrentar muchos desafíos frente a un esquema cuidadosamente diseñado. Incluyendo cientos de puertos de entrada y salida, frecuencias de trabajo superiores a los 500 MHz (posiblemente más altas en algunos diseños) y intervalos de bolas de soldadura tan pequeños como medio milímetro, todos los cuales causan interferencias no deseadas entre las unidades de diseño. Interactúan entre sí.

Ruido de conmutación simultánea

Para resolver los problemas de timbre y conversación cruzada en la línea de datos de alta velocidad, cambiar a la señal diferencial es un buen primer paso. Debido a que una línea en el par diferencial es el extremo del sumidero y la otra línea proporciona la corriente de origen, el efecto inductor se puede eliminar fundamentalmente. Cuando se utilizan pares diferenciales para transmitir datos, esto ayuda a reducir el ruido de "rebote" generado por la corriente inducida en la ruta de retorno, ya que la corriente se mantiene localmente. Para radiofrecuencias de hasta cientos de MHz o incluso varios ghz, la teoría de la señal muestra que cuando la resistencia coincide, se puede transmitir la Potencia máxima de la señal. Cuando la línea de transmisión no coincide, se produce un reflejo y solo una parte de la señal se transmite del remitente al dispositivo receptor, mientras que el resto rebota de ida y vuelta entre el remitente y el receptor. La calidad lograda por la señal diferencial en el PCB tendrá un gran impacto en la coincidencia de Resistencia (y otros aspectos).

Diseño de trayectoria diferencial

El diseño de la traza diferencial se basa en el principio de un PCB con resistencia controlada. Este modelo es un poco como un cable concéntrico. En los PCB con resistencia controlada, la capa plana metálica se puede utilizar como capa blindada, el aislador es un laminado fr4 y el conductor es un par de trazas de señal (véase la figura 1). La constante dieléctrica media de fr4 está entre 4,2 y 4,5. Debido a que se desconoce el error de fabricación, puede causar un grabado excesivo del cable de cobre, lo que eventualmente conduce a un error de resistencia. La forma más precisa de calcular la resistencia del rastro del PCB es utilizar programas de análisis de campo (generalmente bidimensionales, a veces tridimensionales), que requieren el uso de elementos limitados para resolver directamente todo el sistema de ecuaciones Maxwell del PCB en lotes. El software puede analizar el efecto EMI en función de la distancia entre trazas, el ancho de la línea, el grosor de la línea y la altura de la capa aislante.

Condensadores de desacoplamiento y derivación

Otro aspecto importante para determinar si el rendimiento real del PCB cumple con las expectativas debe controlarse mediante la adición de condensadores de desacoplamiento y derivación. La adición de condensadores de desacoplamiento ayuda a reducir la inducción entre la fuente de alimentación del PCB y el plano de tierra, y ayuda a controlar la resistencia de las señales y IC en todo el pcb. Los condensadores de derivación ayudan a proporcionar una fuente de alimentación limpia a la FPGAs (proporcionando grupos de carga). La regla tradicional es que los condensadores de desacoplamiento deben colocarse en un lugar conveniente para el cableado de pcb, y el número de pines de alimentación de FPGAs determina el número de condensadores de desacoplamiento. Sin embargo, la velocidad de conmutación súper alta de FPGAs rompe por completo este estereotipo.

En un diseño típico de tablero fpgas, el capacitor más cercano a la fuente de alimentación proporciona compensación de frecuencia para los cambios de corriente de carga. Para proporcionar un filtro de baja frecuencia y evitar que el voltaje de la fuente de alimentación disminuya, se utilizan grandes condensadores de desacoplamiento. La caída de tensión se debe al retraso en la respuesta del regulador de tensión al arrancar el circuito de diseño. Tales grandes condensadores suelen ser condensadores electroliticos con una buena respuesta de baja frecuencia, y su rango de respuesta de frecuencia oscila entre DC y cientos de khz.

Cada cambio en la salida de FPGAs requiere cargar y descargar el cable de señal, lo que requiere energía. La función del condensadores de derivación es proporcionar almacenamiento de energía local en un amplio rango de frecuencia. Además, se necesitan pequeños condensadores con pequeños inductores de serie para proporcionar corriente de alta velocidad para transiciones de alta frecuencia. Los grandes condensadores con respuesta lenta continúan proporcionando corriente eléctrica después de que se consume la energía de los condensadores de alta frecuencia.

Por lo general, el cableado de los condensadores de desacoplamiento debe ser absolutamente corto, incluida la distancia vertical en el agujero. Incluso un ligero aumento aumentará la inducción del cable, reduciendo así el efecto de desacoplamiento.

Otras tecnologías

A medida que aumenta la velocidad de la señal, se vuelve cada vez más difícil transmitir fácilmente datos en la placa de circuito. Se pueden utilizar algunas otras tecnologías para mejorar aún más el rendimiento de los pcb.

El primer y más obvio método es el diseño simple del dispositivo. El camino más corto y directo para diseñar la conexión más crítica es el sentido común, pero no lo subestimes. ¿Puesto que la estrategia más simple puede obtener los mejores resultados, ¿ por qué molestarse en ajustar la señal en el tablero?

Una forma casi igualmente simple es considerar el ancho de la línea de señal. Cuando la velocidad de los datos es tan alta como 622mhz o más, el efecto cutáneo de la transmisión de señal se vuelve más prominente. Cuando la distancia es más larga, un rastro muy delgado en el PCB (como 4 o 5 milímetros) forma una gran atenuación de la señal, al igual que un filtro de paso bajo sin atenuación diseñada, cuya atenuación cambia con el aumento de la frecuencia. Cuanto más larga sea la placa trasera, mayor será la frecuencia y más ancha será la línea de señal. para las trazas de la placa trasera de más de 20 pulgadas de longitud, el ancho de la línea debe alcanzar los 10 o 12 milímetros.

Por lo general, la señal más crítica en el tablero es la señal del reloj. En ese momento, la línea del reloj era demasiado larga o mal diseñada, amplificaba el temblor y se desviaba aguas abajo, especialmente cuando la velocidad aumentaba. Debe evitar usar varias capas para transmitir el reloj y no tener agujeros en la línea del reloj, ya que los agujeros aumentan los cambios de resistencia y la reflexión. Si se debe utilizar una capa Interior para organizar el reloj, la capa superior e inferior deben utilizar el plano del suelo para reducir el retraso. Cuando se diseña con un pll fpgas, el ruido en el plano de potencia aumenta el temblor del pll. Si esto es clave, puede crear una "isla de potencia" para pll. La isla puede utilizar un grabado más grueso en el plano metálico para aislar la fuente de alimentación analógica pll de la digital.

Por último, una de las mejores maneras es referirse a la placa de referencia proporcionada por el fabricante de fpgas. La mayoría de los fabricantes proporcionarán información sobre el diseño de la fuente de la placa de referencia, aunque pueden ser necesarias aplicaciones especiales debido a problemas de información privada. Estas placas de circuito suelen contener interfaces estándar de E / s de alta velocidad, ya que los fabricantes de FPGAs necesitan usarlas al caracterizar y certificar sus dispositivos. Sin embargo, recuerde que estas placas de circuito suelen estar diseñadas para múltiples propósitos y pueden no cumplir exactamente con los requisitos de diseño específicos. Aún así, pueden servir como punto de partida para crear soluciones

Resumen de este artículo

Por supuesto, este artículo solo discute algunos conceptos básicos. Cualquier tema abordado aquí se puede discutir a lo largo del libro. La clave es averiguar cuál es el objetivo antes de invertir mucho tiempo y esfuerzo en el diseño del diseño de pcb. Una vez terminado el diseño del diseño, el rediseño llevará mucho tiempo y dinero, incluso si el ancho de la trayectoria se ajusta ligeramente. No puede confiar en los ingenieros de diseño de PCB para diseñar para satisfacer las necesidades reales. Los diseñadores de soluciones siempre deben proporcionar orientación, tomar decisiones inteligentes y ser responsables del éxito de la solución.