Blogue PCB - Technologie de conception de PCB basée sur la FPGA à grande vitesse

Ce serait merveilleux de conduire à grande vitesse. PCB board La conception peut être aussi simple que la connexion d'un noeud schématique, C'est aussi beau qu'un écran d'ordinateur.. Cependant,, Sauf si le concepteur est un nouveau concepteur de PCB, Ou très chanceux., La conception réelle des PCB n'est généralement pas aussi facile que la conception des circuits dans lesquels ils travaillent. PCB board Les concepteurs sont confrontés à de nombreux nouveaux défis jusqu'à ce que le design soit finalement fonctionnel et que quelqu'un puisse confirmer sa performance.. C'est l'état actuel de la grande vitesse PCB board Conception - les règles de conception et les lignes directrices en matière de conception évoluent, Si vous avez de la chance, Ils ont conduit à une solution réussie. La grande majorité PCB boardS est un concepteur schématique qui connaît bien le principe de fonctionnement et l'interaction des composants PCB ainsi que les diverses normes de transmission de données qui composent les entrées et les sorties des circuits imprimés.. Résultats de la collaboration entre les concepteurs de mise en page sur ce qui se passe lorsque les fils sont convertis en cuivre de circuit imprimé. Souvent, Le concepteur de schéma est responsable du succès ou de l'échec de la carte de circuit finale.. Cependant,, Plus les concepteurs schématiques en savent sur les techniques de mise en page, Plus il y a de chances d'éviter des problèmes majeurs. Si la conception comprend une FPGA haute densité, Il peut y avoir de nombreux défis à relever avant de concevoir un schéma bien conçu.. Comprend des centaines de ports d'entrée et de sortie, operating frequencies in excess of 5.00MHz (possibly higher in some designs), Espacement des billes jusqu'à un demi - millimètre, Attendez.. Interaction.

Bruit de commutation simultané

Le défi peut être le bruit de commutation simultané (SSN) ou la sortie de commutation simultanée (SSO). La grande capacité des flux de données à haute fréquence posera des problèmes tels que les sonneries et les échanges sur les lignes de données, ainsi que des problèmes de rebond au sol et de bruit d'alimentation sur l'alimentation électrique et au sol qui affectent la performance globale de la carte de circuit. Pour résoudre les problèmes de sonnerie et de crosstalk sur les lignes de données à grande vitesse, passer à la signalisation différentielle est une bonne étape. Comme l'un des fils de la paire différentielle est un collecteur et l'autre un fil source, l'effet inductif est essentiellement éliminé. Lorsqu'une paire différentielle est utilisée pour transmettre des données, elle aide à réduire le bruit de "rebond" du Courant induit dans la boucle, car le courant reste local. Pour les radiofréquences jusqu'à des centaines de MHz, voire plusieurs GHz, la théorie du signal montre que la puissance du signal peut être transmise lorsque l'impédance correspond. Lorsque les lignes de transmission ne correspondent pas, une réflexion se produit, et seule une partie du signal est transmise de l'expéditeur au récepteur, tandis que d'autres parties rebondissent d'avant en arrière entre l'expéditeur et le récepteur. La mise en œuvre du signal différentiel sur les PCB jouera un rôle important dans l'appariement des impédances (entre autres).

Conception de la trajectoire différentielle

La conception de la trajectoire différentielle est basée sur le principe de la carte PCB de contrôle d'impédance. C'est un peu comme un câble coaxial. Sur les PCB à impédance contrôlée, une couche plane métallique sert de bouclier, l'isolant est stratifié fr4 et le conducteur est une paire de trajectoires de signal (voir figure 1). La constante diélectrique moyenne de fr4 se situe entre 4,2 et 4,5. On ignore que les erreurs de fabrication peuvent causer une corrosion excessive des fils de cuivre et, en bout de ligne, des erreurs d'impédance. La méthode de calcul de l'impédance de la trajectoire des PCB consiste à utiliser un programme d'analyse sur le terrain (généralement bidimensionnel, parfois tridimensionnel), ce qui nécessite l'utilisation d'éléments finis pour résoudre directement les équations de Maxwell pour l'ensemble du lot de PCB. Le logiciel peut analyser l'interférence électromagnétique en fonction de l'espacement des trajectoires, de la largeur des trajectoires, de l'épaisseur des trajectoires et de la hauteur d'isolation. 100 © l'impédance caractéristique est devenue la norme de l'industrie pour les câbles de raccordement différentiels. Une ligne différentielle de 100 © peut se composer de deux lignes à une extrémité de 50 © de longueur égale. Comme les deux traces sont proches l'une de l'autre, le couplage de champ entre les traces réduira l'impédance en mode différentiel des traces. Pour maintenir une impédance de 100 ©, la largeur de la piste doit être légèrement réduite. Par conséquent, l'impédance en mode commun de chaque conducteur d'une paire différentielle de 100 © sera légèrement supérieure à 50 ©. L'impédance est déterminée par la taille de la trajectoire et le matériau théoriquement utilisé, mais les trous de travers, les connecteurs et même les tampons d'équipement introduisent des discontinuités d'impédance dans la trajectoire du signal. C'est souvent impossible sans ça. Parfois, pour une disposition et un câblage plus raisonnables, il est nécessaire d'augmenter le nombre de couches sur les PCB ou d'ajouter des fonctions telles que les trous enfouis. Le trou de travers enfoui n'est relié qu'à certaines couches de la carte PCB, mais il peut résoudre le problème de la ligne de transmission et augmenter le coût de fabrication de la carte. Mais parfois, il n'y a pas d'autre choix. Au fur et à mesure que la vitesse du signal augmente et que l'espace diminue, les besoins supplémentaires tels que les trous d'homme enfouis commencent à augmenter, ce qui devrait être le facteur de coût de la solution PCB board. Dans le câblage de la bande, le signal est pincé au milieu par le matériau fr - 4. Dans la ligne Microstrip, le conducteur est exposé à l'air. En raison de la constante diélectrique de l'air (ER = 1), la couche supérieure convient à l'acheminement de certains signaux clés, tels que les signaux d'horloge ou les signaux de séquence inverse en série à haute fréquence (Serdes). Le câblage Microstrip doit être couplé à une couche de terre sous - jacente qui réduit l'interférence électromagnétique (EMI) en absorbant une partie des lignes de champ électromagnétique. Dans la ligne de bande, toutes les lignes de champ électromagnétique sont Couplées aux plans de référence supérieurs et inférieurs, ce qui réduit considérablement l'interférence électromagnétique. Si possible, vous devriez essayer de ne pas utiliser de bandes de couplage à large bord. Cette structure est sensible au bruit différentiel couplé dans le plan de référence. En outre, il est difficile de contrôler la nécessité d'égaliser la fabrication des PCB. En général, il est relativement facile de contrôler l'espacement des lignes sur la même couche.

Condensateurs de découplage et de dérivation

Un autre aspect important pour déterminer si les performances réelles des PCB sont aussi bonnes que prévu doit être contrôlé par l'ajout de condensateurs de découplage et de dérivation. L'ajout d'un condensateur de découplage aide à réduire l'inductance entre l'alimentation en PCB et le sol et aide à contrôler l'impédance du signal et de l'IC dans l'ensemble du PCB. Les condensateurs de dérivation aident à fournir une alimentation électrique propre à la FPGA (fournissant une banque de charge). La règle traditionnelle est que les condensateurs de découplage doivent être placés à un endroit pratique pour le câblage des PCB et que le nombre de broches d'alimentation de la FPGA détermine le nombre de condensateurs de découplage. Cependant, la vitesse de commutation très élevée de la FPGA a complètement brisé ce stéréotype. Dans une conception typique d'une carte FPGA, un condensateur près de l'alimentation électrique fournit une compensation de fréquence pour les changements de courant dans la charge. Pour fournir un filtre à basse fréquence et empêcher la chute de tension d'alimentation, utilisez un grand condensateur de découplage. Lorsque le circuit conçu est activé, la chute de tension est due à l'hystérèse de réponse du régulateur. Ces grands condensateurs sont généralement des condensateurs électrolytiques avec une meilleure réponse à basse fréquence, allant de DC à des centaines de kHz. Chaque changement de sortie de la FPGA nécessite une charge et une décharge du fil de signalisation, ce qui nécessite de l'énergie. La fonction du condensateur de dérivation est de fournir un stockage local d'énergie sur une large gamme de fréquences. De plus, un petit condensateur avec une petite inductance en série est nécessaire pour fournir un courant à grande vitesse pour les transitoires à haute fréquence. Après avoir consommé l'énergie du condensateur à haute fréquence, le grand condensateur à réponse lente continue d'alimenter le courant. Un grand nombre de transitoires de courant sur le bus d'alimentation augmentent la complexité de la conception de la FPGA. Ces transitoires de courant sont généralement associés à SSO / SSN. L'insertion d'un condensateur à très faible inductance fournira une énergie locale à haute fréquence qui peut être utilisée pour éliminer le bruit du courant de commutation sur le bus d'alimentation. Le condensateur de découplage empêche le courant à haute fréquence d'entrer dans l'alimentation de l'équipement et doit être très proche de la FPGA (moins de 1 cm). Parfois, de nombreux petits condensateurs sont connectés en parallèle pour stocker localement l'énergie de l'équipement et réagir rapidement à l'évolution des besoins en courant. En général, la trajectoire du condensateur de découplage doit être courte, y compris la distance verticale à travers le trou. Même une petite quantité peut augmenter l'inductance du fil et réduire l'effet de découplage.

Autres technologies

Avec l'augmentation de la vitesse du signal, il devient de plus en plus difficile de transmettre facilement des données à travers les circuits imprimés. Plusieurs autres techniques peuvent être utilisées pour améliorer encore les performances des PCB. La première approche évidente est la disposition simple de l'équipement. Il est de bon sens de concevoir des chemins courts et directs pour les connexions critiques, mais ne sous - estimez pas cela. Pourquoi s'embêter à régler le signal sur la carte alors qu'une stratégie simple peut le faire? Une approche presque aussi simple consiste à considérer la largeur de la ligne de signal. Lorsque le taux de données atteint 622mhz ou plus, l'effet cutané du signal devient de plus en plus important. Sur de longues distances, des traces très minces (p. ex., 4 ou 5 mils) sur un PCB créent une grande atténuation du signal, tout comme un filtre passe - Bas non conçu pour l'atténuation, qui augmente avec la fréquence. Plus le plan arrière est long et plus la fréquence est élevée, plus la ligne de signal est large. Pour les traces de backplane de plus de 20 pouces de longueur, la largeur de la trace doit être de 10 ou 12 millimètres. En général, le signal clé sur la carte de circuit est le signal d'horloge. Lorsque les horloges sont trop longues ou mal conçues, elles amplifient les secousses et s'inclinent vers l'aval, en particulier lorsque la vitesse augmente. Les horloges de transmission multicouches doivent être évitées et il ne doit pas y avoir de trous dans la ligne d'horloge, car les trous augmentent les variations d'impédance et la réflexion. Si vous devez utiliser la couche intérieure pour acheminer l'horloge, les couches supérieure et inférieure doivent utiliser des plans au sol pour réduire les retards. Lors de la conception avec FPGA PLL, le bruit sur le plan de puissance augmente le Jitter PLL. Si c'est critique, vous pouvez créer une « île de puissance » pour la boucle verrouillée en phase, qui peut être utilisée pour isoler l'alimentation analogique et numérique de la boucle verrouillée en phase en utilisant une gravure plus épaisse dans le plan métallique.

Pour les signaux à des vitesses supérieures à 2 Gbps, des Résolution plus coûteuses doivent être envisagées. À des fréquences aussi élevées, l'épaisseur de la plaque arrière et la conception du trou de travers peuvent avoir un impact significatif sur l'intégrité du signal. L'effet est bon lorsque l'épaisseur de la plaque arrière n'est pas supérieure à 0200 pouce. Lorsque des signaux à grande vitesse sont utilisés sur les PCB, le nombre de couches doit être réduit au minimum afin de limiter le nombre de trous. Dans une plaque épaisse, un long trou dans la couche de signal de connexion formera une branche de ligne de transmission sur la trajectoire du signal. L'utilisation de trous de travers enfouis peut résoudre ce problème, mais le coût de fabrication est élevé. Une autre option consiste à utiliser des matériaux diélectriques à faible perte tels que Rogers 4350, getek ou Arlon. Ces matériaux coûtent presque deux fois plus cher que les matériaux fr4, mais parfois c'est une option. D'autres techniques de conception de la lgfp offrent un certain nombre de choix d'emplacements d'entrée / sortie. Dans la conception critique des Serdes à grande vitesse, les I / o des Serdes peuvent être isolés en conservant (mais pas en utilisant) les broches d'E / s adjacentes. Par exemple, vous pouvez conserver la zone de la balle 3x3 ou 5x5 BGA par rapport aux Serdes RX et TX, vccrx et vcctx et à la position de la balle. Ou, si possible, rapprocher l'ensemble du Groupe E / s des Serdes. Si la conception ne comporte pas de contraintes d'entrée / sortie, ces technologies peuvent apporter des avantages sans augmenter les coûts. Une autre méthode consiste à se référer au tableau de référence fourni par le fabricant de la lgfp. La plupart des fabricants fournissent des informations sur la disposition des sources pour les tableaux de référence, mais des exigences particulières peuvent être nécessaires en raison de problèmes d'information exclusifs. Ces cartes contiennent généralement des interfaces I / o standard à grande vitesse dont les fabricants de FPGA ont besoin pour décrire les caractéristiques de leurs appareils. Cependant, gardez à l'esprit que ces circuits imprimés sont généralement conçus à de multiples fins et peuvent ne pas nécessairement répondre à des besoins de conception particuliers. Cependant, ils peuvent servir de point de départ pour créer une solution.

Résumé du présent document

Bien sûr., Cet article ne traite que de quelques concepts de base. Tous les sujets abordés ici peuvent être discutés tout au long du livre. La clé est de déterminer quels sont les objectifs avant de consacrer beaucoup de temps et d'efforts à la conception de la disposition des BPC.. Après la mise en page, La refonte peut prendre beaucoup de temps et d'argent, Même si la largeur de la trace est légèrement ajustée. Vous ne pouvez pas compter sur PCB board L'ingénieur de mise en page effectue la conception en fonction des besoins réels. Les concepteurs de schémas sont toujours là pour donner des conseils, Faire des choix judicieux, Et est responsable du succès de la solution.