Blogue PCB - Approche de conception pour l'intégrité du signal de carte PCB numérique à grande vitesse

Cet article décrit une méthode de conception de cartes PCB à signal numérique à grande vitesse basée sur l'analyse de l'intégrité du signal informatique. Dans cette approche de conception, tous les signaux numériques à grande vitesse sont d'abord établis dans un modèle de transmission de signal au niveau de la carte PCB, puis l'espace de solution de conception est trouvé par le calcul et l'analyse de l'intégrité du signal et la carte PCB est complétée sur la base de l'espace de solution. Conception et validation.

Avec l'augmentation de la vitesse de commutation de sortie de circuit intégré et l'augmentation de la densité de PCB, l'intégrité du signal est devenue l'une des préoccupations essentielles dans la conception de cartes PCB numériques à grande vitesse. Des facteurs tels que les paramètres des composants et de la carte PCB, la disposition des composants sur la carte PCB et le câblage des signaux à grande vitesse peuvent tous causer des problèmes d'intégrité du signal, ce qui rend le système instable ou même ne fonctionne pas du tout. Comment tenir pleinement compte des facteurs d'intégrité du signal dans le processus de conception de PCB et prendre des mesures de contrôle efficaces est devenu un sujet brûlant dans l'industrie de la conception de PCB aujourd'hui. Une méthode de conception de PCB numérique à grande vitesse basée sur l'analyse de l'intégrité du signal informatique peut efficacement atteindre l'intégrité du signal de la conception de PCB.

1. Aperçu des problèmes d'intégrité du signal

L'intégrité du signal (si) fait référence à la capacité d'un signal à répondre dans un circuit avec le bon ordre de temps et la bonne tension. Le circuit a une bonne intégrité de signal si le signal dans le circuit est capable d'atteindre IC avec la séquence de temps, la durée et l'amplitude de tension souhaitée. Inversement, des problèmes d'intégrité du signal surviennent lorsque le signal ne répond pas correctement. D'une manière générale, les problèmes d'intégrité du signal se manifestent principalement sous cinq aspects: latence, réflexion, diaphonie, bruit de commutation simultané (SSN) et compatibilité électromagnétique (EMI). La latence signifie que le signal est transmis à une vitesse limitée sur les fils de la carte PCB. Le signal est envoyé de l'émetteur au récepteur, avec un retard de transmission entre les deux. Le retard du signal aura un impact sur le timing du système. Dans les systèmes numériques à grande vitesse, le retard de propagation est principalement déterminé par la longueur du fil et la constante diélectrique du milieu autour du fil. En outre, lorsque l'impédance caractéristique d'un fil sur un PCB (appelé ligne de transmission dans les systèmes numériques à grande vitesse) ne correspond pas à l'impédance de la charge, une partie de l'énergie est réfléchie le long de la ligne de transmission après que le signal atteigne l'extrémité de réception, ce qui déforme la forme d'onde du signal et même des dépassements et des baisses de signal apparaissent. Si le signal rebondit d'avant en arrière sur la ligne de transmission, il peut provoquer une sonnerie et une sonnerie. Comme il existe une capacité mutuelle et une inductance mutuelle entre deux dispositifs ou fils sur un PCB, lorsque le signal change sur un dispositif ou un fil, son changement affectera d'autres dispositifs ou d'autres dispositifs par l'intermédiaire de la capacité mutuelle et de l'inductance. Le fil, c'est de la diaphonie. L'intensité de la diaphonie dépend de la géométrie et de la distance mutuelle du dispositif et du fil.

Lorsque de nombreux signaux numériques sur la carte PCB sont commutés de manière synchrone (comme le bus de données de la CPU, le bus d'adresses, etc.), un bruit de commutation synchrone est généré en raison de l'impédance sur les lignes d'alimentation et les lignes de masse, et le plan de masse rebondit sur les lignes de masse. Bruit (abrégé en rebond du sol). L'intensité du SSN et du rebond de terre dépend également des caractéristiques io du circuit intégré, de l'impédance de la couche d'alimentation et de la couche de terre du PCB, ainsi que de la disposition et du câblage des dispositifs à grande vitesse sur le PCB. En outre, comme d'autres appareils électroniques, les cartes PCB ont également des problèmes de compatibilité électromagnétique, qui sont principalement liés à la disposition et aux méthodes de câblage des cartes PCB.

2. Méthode traditionnelle de conception de carte PCB

Dans le processus de conception traditionnel, la conception de la carte PCB comprend des étapes telles que la conception du circuit, la conception de la disposition, la production de la carte PCB, la mesure et la mise en service. Au stade de la conception du circuit, en raison de l'absence de méthodes et de moyens d'analyse efficaces des caractéristiques de transmission du signal sur la carte PCB réelle, la conception du circuit ne peut généralement être effectuée que sur la base des fabricants de composants et des recommandations et de l'expérience de conception antérieure. Par conséquent, pour un nouveau projet de conception, il est souvent difficile de choisir correctement des facteurs tels que la topologie du signal et les paramètres des composants au cas par cas. Il est également difficile d'analyser et d'évaluer en temps réel les variations de performance du signal induites par la disposition des composants et le routage du signal du PCB pendant la phase de conception du schéma de configuration du PCB, de sorte que la qualité de la conception du schéma de configuration dépend davantage de l'expérience du concepteur. Pendant la phase de production de la carte PCB, comme le processus n'est pas exactement le même pour chaque fabricant de carte PCB et d'éléments, les paramètres de la carte PCB et des composants ont généralement une large plage de tolérances, ce qui rend les performances de la carte PCB plus difficiles à contrôler. Dans le processus traditionnel de conception de carte PCB, les performances de la carte PCB ne peuvent être jugées que par des mesures instrumentales une fois la production terminée. Les problèmes identifiés lors de la phase de débogage de la carte PCB doivent être modifiés lors de l'étape suivante de la conception de la carte PCB. Mais plus difficile encore, certains problèmes étaient souvent difficiles à quantifier en paramètres dans les conceptions de circuits et les conceptions de mise en page précédentes. Par conséquent, pour les cartes PCB plus complexes, il est souvent nécessaire de répéter le processus ci - dessus plusieurs fois pour finalement répondre aux exigences de conception. Par conséquent, en utilisant la méthode traditionnelle de conception de carte PCB, le cycle de développement du produit est long et le coût de la recherche et du développement est proportionnellement plus élevé.

3. Méthode de conception de carte PCB basée sur l'analyse de l'intégrité du signal

Le processus de conception de carte PCB basé sur l'analyse informatique de l'intégrité du signal est illustré à la figure 2. Par rapport aux méthodes traditionnelles de conception de carte PCB, les méthodes de conception basées sur l'analyse de l'intégrité du signal présentent les caractéristiques suivantes: avant la conception de la carte PCB, un modèle d'intégrité du signal pour la transmission de signaux numériques à grande vitesse a d'abord été établi. À partir du modèle si, une série d'analyses préalables des problèmes d'intégrité du signal ont été effectuées et les types d'éléments, paramètres et topologies de circuit appropriés ont été sélectionnés en fonction des résultats des calculs de simulation pour servir de base à la conception du circuit. Dans le processus de conception du circuit, le schéma de conception est envoyé dans le modèle si pour l'analyse de l'intégrité du signal et la conception est calculée et analysée en synthétisant des facteurs tels que la plage de tolérance des paramètres des composants et de la carte PCB, la topologie et les changements de paramètres qui peuvent survenir dans La conception de la disposition de la carte PCB. Espace de solution pour le programme. Une fois la conception du circuit terminée, il devrait y avoir un espace de solution continu et réalisable pour chaque signal numérique à grande vitesse. C'est - à - dire que lorsque les paramètres de la carte PCB et des éléments varient dans une certaine plage, il existe une certaine flexibilité dans la disposition des éléments sur la carte PCB et dans le câblage des lignes de signal sur la carte PCB, ce qui peut encore garantir l'intégrité du signal. Exigences Avant le début de la conception de schéma de configuration de la carte PCB, les valeurs limites obtenues pour chaque espace de résolution de signal sont utilisées comme contraintes pour la conception de schéma de configuration, comme base de conception pour le schéma de configuration et le câblage de la carte PCB. Au cours de la conception de la mise en page PCB, la conception partiellement ou complètement terminée est renvoyée au modèle si pour une analyse d'intégrité du signal post - conception afin de confirmer si la conception de la mise en page réelle répond aux exigences d'intégrité du signal attendues. Si les résultats de la simulation ne répondent pas aux exigences, il est nécessaire de modifier la conception de la disposition ou même la conception du circuit, ce qui peut réduire le risque de défaillance du produit en raison d'une mauvaise conception. Une fois la conception de la carte PCB terminée, la production de carte PCB est prête. La plage de tolérance pour les paramètres de fabrication de PCB doit être dans l'espace de solution pour l'analyse de l'intégrité du signal. Une fois la fabrication de la carte PCB terminée, les mesures et la mise en service sont effectuées à l'aide d'instruments pour vérifier l'exactitude du modèle si et de l'analyse si, qui servent de base au modèle de correction. Sur la base du bon modèle si et des méthodes d'analyse, les cartes PCB peuvent être finalisées sans ou avec seulement quelques modifications répétées de la conception et de la production, ce qui peut raccourcir le cycle de développement du produit et réduire les coûts de développement.

4. Modèle d'analyse de l'intégrité du signal

Parmi les méthodes de conception de carte PCB basées sur l'analyse informatique de l'intégrité du signal, la partie la plus importante consiste à établir un modèle d'intégrité du signal au niveau de la carte PCB, qui diffère des méthodes de conception traditionnelles. La justesse du modèle si déterminera la justesse de la conception et la constructibilité du modèle si déterminera la faisabilité de cette approche de conception.

4.1. Modèle si pour la conception de carte PCB

Il existe déjà une variété de modèles disponibles pour l'analyse de l'intégrité du signal au niveau PCB dans la conception électronique. Parmi eux, trois sont couramment utilisés, à savoir spice, Ibis et verilog - a.

Le modèle a.spice

Spice est un simulateur de circuit analogique puissant et universel. Actuellement, le modèle Spice a été largement utilisé dans la conception électronique et a été dérivé de deux versions principales: Hspice, principalement pour la conception de circuits intégrés, et Pspice, principalement pour les cartes PCB et la conception au niveau du système. Le modèle Spice se compose de deux parties: les équations du modèle et les paramètres du modèle. Grâce aux équations du modèle fournies, les algorithmes du modèle Spice et du simulateur peuvent être étroitement liés, ce qui permet une meilleure efficacité analytique et des résultats d'analyse améliorés. Lorsqu'une analyse si est effectuée au niveau de la carte PCB à l'aide du modèle spice, les concepteurs et les fabricants de circuits intégrés doivent fournir des modèles Spice détaillés et précis décrivant les paramètres de fabrication des sous - circuits et des propriétés semi - conductrices des cellules d'E / s de circuits intégrés. Étant donné que ces matériaux sont généralement la propriété intellectuelle et la confidentialité des concepteurs et des fabricants, seuls quelques fabricants de semi - conducteurs proposent les modèles Spice correspondants avec les produits à puce. La précision de l’analyse du modèle Spice dépend principalement des paramètres du modèle (c’est - à - dire de la nature des données) et du champ d’application des équations du modèle. Lorsqu'il est combiné avec divers simulateurs numériques, les équations du modèle affectent également la précision de l'analyse. En outre, les calculs de simulation du modèle Spice au niveau de la carte PCB sont relativement importants et l'analyse prend du temps.

B. modèle Ibis

Le modèle Ibis a été initialement développé par Intel Corporation pour l'analyse de l'intégrité du signal numérique au niveau de la carte PCB et du système. Il est désormais géré par Ibis Open Forum et est la norme officielle de l'industrie (EIA / ANSI 656 - a). Le modèle Ibis utilise la forme de tables I / V et V / t pour décrire les caractéristiques des cellules E / s et des broches de circuits intégrés numériques. Le modèle Ibis n'ayant pas besoin de décrire les paramètres de conception interne et de fabrication des transistors des cellules d'E / s, il est bien accueilli et soutenu par les fabricants de semi - conducteurs. Tous les grands fabricants de circuits intégrés numériques sont désormais en mesure de proposer les modèles et puces Ibis correspondants. La précision analytique du modèle Ibis dépend principalement du nombre de points de données dans les tableaux I / V et V / T et de l'étendue des données. Étant donné que les simulations au niveau de la carte PCB basées sur le modèle Ibis utilisent des calculs de table de correspondance, le volume de calcul est faible, généralement seulement 1 / 10 à 1 / 100 du modèle Spice correspondant.

C. modèle verilog AMS et modèle VHDL - AMS

Verilog AMS et VHDL - AMS sont les nouveaux standards depuis moins de 4 ans. En tant que langages de modélisation au niveau du comportement matériel, verilog AMS et VHDL - AMS sont des superensembles de verilog et VHDL, respectivement, tandis que verilog - A est un sous - ensemble de verilog AMS. Contrairement aux modèles Spice et Ibis, dans le langage AMS, les équations décrivant le comportement des composants sont écrites par les utilisateurs. Similaire au modèle Ibis, le langage de modélisation AMS est un format de modèle autonome qui peut être utilisé avec de nombreux types d'outils de simulation. Les équations AMS peuvent également être écrites à différents niveaux: au niveau du transistor, au niveau de la cellule d'E / s, au niveau de la batterie d'E / s, etc. comme verilog AMS et VHDL - AMS sont une nouvelle norme, seuls quelques fabricants de semi - conducteurs ont été en mesure de fournir des modèles AMS à ce jour, et il existe moins de simulateurs capables de prendre en charge AMS que Spice et Ibis. Cependant, les modèles AMS ne sont pas moins viables et précis dans l'analyse de l'intégrité du signal au niveau du PCB que les modèles Spice et ibcs.

4.2 choix du modèle

Comme il n'y a pas de modèle unifié pour compléter l'analyse de l'intégrité du signal à tous les niveaux de PCB, dans la conception de cartes PCB numériques à grande vitesse, il est nécessaire de mélanger les modèles ci - dessus pour établir un modèle de transmission des signaux critiques et des signaux de capteur. Pour les dispositifs passifs discrets, on peut soit rechercher le modèle Spice fourni par le fabricant, soit établir et utiliser directement un modèle Spice simplifié par des mesures expérimentales. Pour les circuits intégrés numériques critiques, le modèle Ibis fourni par le fabricant doit être recherché. À l'heure actuelle, la plupart des concepteurs et des fabricants d'IC sont en mesure de fournir les modèles et les puces Ibis requis via un site Web ou autrement. Pour les circuits intégrés non critiques, si le modèle Ibis du fabricant n'est pas disponible, un modèle Ibis similaire ou par défaut peut également être sélectionné en fonction de la fonction des broches de la puce. Bien sûr, un modèle Ibis simplifié peut également être construit avec des mesures expérimentales. Pour les lignes de transmission sur carte PCB, le modèle Spice simplifié de la ligne de transmission peut être utilisé pour la pré - analyse de l'intégrité du signal et l'analyse spatiale de la solution, et dans l'analyse après câblage, le modèle Spice complet de la ligne de transmission doit être utilisé en fonction de la conception de La configuration réelle.

5. Combiner les méthodes de conception avec le logiciel EDA existant

À l'heure actuelle, l'industrie de la conception de cartes PCB n'a pas de logiciel EDA intégré pour compléter l'approche de conception ci - dessus, il doit donc être mis en œuvre par une combinaison de certains outils logiciels communs. Utilisez des logiciels Spice génériques tels que Pspice, Hspice, etc. pour établir des modèles spice, déboguer et valider des dispositifs discrets et passifs et des lignes de transmission sur PCB. Le modèle Spice / Ibis de chaque composant et ligne de transmission obtenu est ajouté à un logiciel d'analyse d'intégrité du signal universel tel que spectrarquest, hyperlynx, Tau, is - Analyzer, etc., un modèle d'analyse si du signal est établi sur la carte PCB et un calcul d'analyse analytique de l'intégrité du signal est effectué. Utilisez les fonctions de base de données du logiciel d'analyse si ou utilisez d'autres logiciels de base de données courants pour organiser et analyser davantage les résultats des opérations de simulation afin de trouver l'espace de solution idéal. Utilisez les valeurs limites de l'espace de solution comme base pour la conception de circuits PCB et comme contrainte pour la conception de la mise en page à l'aide de logiciels EDA de conception de circuits imprimés courants tels que Orcad, Protel, Pads, powerpcb, Allegro et mentor pour compléter la conception de circuits PCB et la conception de La mise en page. Lorsque la conception de schéma de configuration d'une carte PCB est terminée, les paramètres du circuit de conception réel (tels que la topologie, la longueur, l'espacement, etc.) peuvent être extraits automatiquement ou manuellement via le logiciel de conception de schéma de configuration ci - dessus et renvoyés au logiciel d'analyse d'intégrité du signal précédent Pour le câblage. Analyse si pour vérifier que la conception réelle répond aux exigences de l'espace de solution. Lors de la fabrication d'une carte PCB, il est également possible de vérifier l'exactitude de chaque modèle et des calculs de simulation par des mesures effectuées avec des instruments expérimentaux.

Cette méthode de conception a une forte signification pratique pour la conception et le développement de cartes PCB numériques à grande vitesse, peut non seulement améliorer efficacement les performances de conception de produits, mais également réduire considérablement le cycle de développement de produits et réduire les coûts de développement. Il est prévisible que les méthodes de conception de carte PCB basées sur l'analyse informatique de l'intégrité du signal seront de plus en plus appliquées à la conception de produits électroniques, à mesure que les modèles d'analyse de l'intégrité du signal et les algorithmes d'analyse computationnelle seront constamment améliorés et perfectionnés.