Technologie PCB - Conception de l'intégrité du signal pour Gigabit Device PCB

Cet article traite principalement des problèmes de conception de l'intégrité du signal à prendre en compte dans la transmission de données Gigabit, tout en présentant l'utilisation d'outils de conception de PCB pour résoudre ces problèmes, tels que les effets chimiotactiques et les pertes diélectriques, l'impact des porosités et des connecteurs, les signaux différentiels et les considérations de câblage, la distribution de puissance et le contrôle EMI, entre autres.

Le développement rapide de la communication et de la technologie informatique a permis à la conception de PCB à grande vitesse d'entrer dans le domaine du Gigabit. L'application de nouveaux dispositifs à grande vitesse permet de transmettre cette grande vitesse sur de longues distances, aussi bien sur le panneau arrière que sur le placage. Dans le même temps, les problèmes d'intégrité du signal (si), d'intégrité de l'alimentation et de compatibilité électromagnétique dans la conception de PCB sont également importants. L'intégrité du signal fait référence à la qualité du signal transmis sur une ligne de signal. Les principaux problèmes comprennent la réflexion, les oscillations, le timing, le rebond de la terre et la diaphonie. La mauvaise intégrité du signal n'est pas causée par un seul facteur, mais plutôt par une combinaison de plusieurs facteurs dans la conception au niveau de la carte. Dans la conception de la carte PCB pour les périphériques Gigabit, une bonne conception de l'intégrité du signal nécessite que les ingénieurs tiennent pleinement compte des problèmes tels que les composants, les schémas d'interconnexion des lignes de transmission, la distribution d'énergie et la CEM. Les outils EDA pour la conception de circuits imprimés à grande vitesse sont passés de la validation purement analogique à une combinaison de conception et de validation, aidant les concepteurs à établir des règles pour éviter les erreurs tôt dans la conception plutôt que de détecter les problèmes plus tard dans la conception. Avec des débits de données de plus en plus élevés et des conceptions de plus en plus complexes, les outils d'analyse de systèmes PCB à grande vitesse deviennent de plus en plus nécessaires. Ces outils comprennent l'analyse temporelle, l'analyse de l'intégrité du signal, l'analyse de balayage des paramètres de l'espace de conception, la conception Cem, l'analyse de la stabilité du système d'alimentation, etc. ici, nous nous concentrerons sur certaines des questions que les études d'intégrité du signal devraient prendre en compte dans la conception de PCB Gigabit device.

Équipement haute vitesse et modèles d'équipement

Bien que les fournisseurs de composants de transmission et de réception Gigabit fournissent des informations de conception sur les puces, les fournisseurs de composants ont également un processus de compréhension de l'intégrité du signal des nouveaux dispositifs, de sorte que les directives de conception données par les fournisseurs de composants peuvent ne pas être mûres. Oui, les contraintes de conception imposées par les fournisseurs d'équipement sont souvent très strictes et il est difficile pour les ingénieurs de conception de respecter toutes les règles de conception. Il est donc nécessaire que les ingénieurs en intégrité du signal utilisent des outils d'analyse de simulation pour analyser les règles de contrainte et les conceptions réelles des fournisseurs, étudier et optimiser la sélection des composants, la topologie, les schémas de correspondance et la valeur des composants correspondants, et enfin les développer pour assurer l'intégrité du signal. Disposition PCB et règles de câblage. Par conséquent, il devient important d'effectuer une analyse de simulation précise des signaux gigabit et le rôle des modèles de dispositifs dans l'analyse de l'intégrité du signal est de plus en plus apprécié.

Les modèles de composants comprennent généralement le modèle Ibis et le modèle spice. Étant donné que la simulation au niveau de la carte ne se soucie que de la réponse du signal de la broche de sortie à la broche d'entrée via le système d'interconnexion, et que les fabricants de circuits intégrés ne souhaitent pas divulguer d'informations de circuit détaillées à l'intérieur du dispositif, et que le temps de simulation du modèle Spice au niveau du transistor est souvent insupportable, le modèle Ibis est utilisé pour les circuits imprimés à haute vitesse. Le domaine de la conception est progressivement adopté par un nombre croissant de fabricants d'équipements et d'ingénieurs en intégrité du signal.

Pour la simulation de systèmes PCB Gigabit Devices, les ingénieurs remettent souvent en question la précision du modèle Ibis. Lorsque le dispositif fonctionne dans les zones de saturation et de coupure du transistor, le modèle Ibis ne dispose pas de suffisamment de détails pour le décrire. Dans les zones non linéaires de réponse transitoire, les résultats de simulation du mode Ibis ne peuvent pas produire des informations de réponse aussi précises que les modèles au niveau du transistor. Cependant, pour un dispositif de type ECL, il est possible d'obtenir un modèle Ibis très cohérent avec les résultats de simulation du modèle au niveau du transistor. La raison est simple. Le pilote ECL fonctionne dans la zone linéaire du transistor et la forme d'onde de sortie est plus proche de la forme d'onde idéale. Selon la norme Ibis, il peut être plus précis. Le modèle Ibis.

Avec l'augmentation du taux de transfert de données, les dispositifs différentiels développés sur la base de la technologie ECL ont considérablement évolué. Les normes LVDS et cML, entre autres, permettent de transmettre des signaux Gigabit. Il ressort de la discussion ci - dessus que la norme Ibis reste applicable à la conception de systèmes Gigabit en raison de la structure du circuit et de l'application correspondante de la technologie différentielle. Ceci est également démontré par certains articles publiés sur l'application du modèle Ibis à la conception 2.5gbpslvds et cML.

Le modèle Ibis n'étant pas adapté à la description des circuits actifs, il n'est pas adapté à de nombreux dispositifs Gbps avec des circuits pré - Lestés pour la compensation des pertes. Par conséquent, dans la conception des systèmes Gigabit, le modèle Ibis ne peut fonctionner efficacement que dans les conditions suivantes:

1. Le dispositif différentiel fonctionne dans la zone d'amplification (courbe linéaire V - i)

2. L'appareil n'a pas de circuit actif de pré - Accentuation

3. L'appareil dispose d'un circuit de pré - Accentuation, mais ne peut pas démarrer (l'activation de la fonction de pré - accentuation dans un système d'interconnexion Court peut entraîner des résultats pires)

4. Le dispositif a un circuit passif pré - Lesté, mais ce circuit peut être séparé de la puce du dispositif.

Lorsque le débit de données est de 10 Gbps ou plus, la forme d'onde de sortie ressemble davantage à une onde sinusoïdale, de sorte que le modèle Spice est plus approprié.

Effet de perte

Lorsque la fréquence du signal augmente, l'atténuation sur la ligne de transmission ne peut être ignorée. A ce stade, il est nécessaire de tenir compte de la résistance équivalente du conducteur série et des pertes induites par la Conductance équivalente du milieu parallèle, qu'il est nécessaire d'analyser à l'aide d'un modèle de ligne de transmission à pertes.

Un modèle équivalent de la ligne de transmission à perte est représenté sur la figure 1. Comme on peut le voir sur la figure, la résistance série équivalente R et la Conductance parallèle équivalente G sont caractéristiques des pertes. La résistance série équivalente R est une résistance induite par une résistance continue et un effet dermocosmétique. La résistance DC est la résistance du conducteur lui - même, déterminée par la structure physique du conducteur et la résistivité du conducteur. Lorsque la fréquence augmente, les effets cutanés entrent en jeu. L'effet dermocosmétique est un phénomène dans lequel le courant de signal dans un conducteur est concentré à la surface du conducteur lorsqu'un signal à haute fréquence traverse le conducteur. À l'intérieur du conducteur, la densité de courant du signal diminue exponentiellement le long de la section transversale du conducteur, et la profondeur à laquelle la densité de courant diminue à 1 / e d'origine est appelée profondeur de chimiotaxie. Plus la fréquence est élevée, moins la peau est profonde, ce qui entraîne une augmentation de la résistance du conducteur. La profondeur de la peau est inversement proportionnelle à la racine carrée de la fréquence.

La Conductance parallèle équivalente G est également appelée perte diélectrique (Dielectric Loss). Aux basses fréquences, la conductivité parallèle équivalente est liée à la conductivité volumique et à la capacité équivalente du milieu, et lorsque la fréquence augmente, l'angle de perte du milieu commence à jouer un rôle prépondérant. A ce stade, la conductivité diélectrique est déterminée par l'angle de perte diélectrique et la fréquence du signal.

En général, les pertes par effet chimiotactique jouent un rôle majeur lorsque la fréquence est inférieure à 1 GHz, tandis que les pertes diélectriques prédominent lorsque la fréquence est supérieure à 1 GHz.

Dans le logiciel de simulation, vous pouvez définir la constante diélectrique, l'angle de perte diélectrique, la conductivité du conducteur et la fréquence de coupure. Le logiciel tiendra compte des effets cutanés et des pertes diélectriques lors de la simulation en fonction de la structure de la ligne de transmission. Si l'atténuation est simulée, la fréquence de coupure correspondante doit être réglée en fonction de la bande passante du signal. La bande passante est déterminée par le taux de bord du signal. Beaucoup de signaux de 622 MHz et de signaux de 2,5 GHz n'ont pas beaucoup de différence entre les débits edge. De plus, un équivalent est visible dans le modèle de la ligne de transmission à perte. La résistance et la conductivité varient avec la fréquence.

On voit sur la figure 2 que les pertes ralentissent le front montant du signal, c'est - à - dire réduisent la bande passante du signal, et que les pertes diminuent l'amplitude du signal. D'autre part, cela favorise l'inhibition des dépassements de signal.

La diaphonie de la ligne de transmission affecte également les pertes. La diaphonie est déterminée par la structure physique de la ligne de transmission, la longueur de couplage, la force du signal et le débit de bord. Après une certaine longueur, la diaphonie sera saturée, mais les pertes ne seront pas nécessairement augmentées.

Effets des perçages et des connecteurs

Le trou traversant transmet le signal de l'autre côté de la carte. La partie métallique verticale entre les plaques est une impédance non contrôlable et le point d'inflexion de l'horizontale à la verticale est un point de rupture qui provoque une réflexion et doit donc minimiser son apparence (Figure 3).

Dans la conception et la simulation d'un système Gigabit, les effets de la porosité excessive doivent être pris en compte et un modèle de porosité excessive est nécessaire. La structure modèle du trou traversant se présente sous la forme d'une résistance série R, d'une inductance l et d'une capacité parallèle c. selon les applications spécifiques et les exigences de précision, plusieurs structures RLC peuvent être utilisées en parallèle et le couplage avec d'autres conducteurs peut être envisagé. À ce stade, le modèle poreux est une matrice.

Il existe deux façons d'obtenir un modèle poreux. L'un est obtenu par des tests tels que le TDR et l'autre peut être extrait à l'aide d'un extracteur de champ 3D (fieldsolver) basé sur une structure physique poreuse.

Les paramètres du modèle via sont liés au matériau, à l'empilement, à l'épaisseur, aux dimensions des plots / contre - Plots du PCB et à la méthode de connexion du fil auquel il est connecté. Dans le logiciel de simulation, différents paramètres peuvent être définis en fonction des exigences de précision. Le logiciel extraira le modèle de porosité en fonction de l'algorithme correspondant et tiendra compte de ses effets lors de la simulation.

Dans la conception des PCB de systèmes Gigabit, l'impact des connecteurs doit être particulièrement pris en compte. Le développement de la technologie des connecteurs haute vitesse permet déjà de garantir la continuité de l'impédance et du plan de masse lors de la transmission du signal. L'analyse de simulation des connecteurs dans la conception utilise principalement un modèle multiligne.

Le modèle multifil de connecteur est un modèle extrait dans un espace tridimensionnel prenant en compte le couplage inductif et capacitif entre les broches. Les modèles multifils de connecteurs utilisent généralement un extracteur de champ tridimensionnel pour extraire la matrice rlgc, qui se présente généralement sous la forme d'un sous - circuit de modèle spice. En raison de la structure complexe du modèle, l'extraction et l'analyse de simulation prennent beaucoup de temps. Dans le logiciel specctraquest, vous pouvez modifier le modèle Spice d'un connecteur en tant que modèle espice, l'attribuer à un périphérique ou l'appeler directement, ou le modifier en tant que modèle de paquet au format DML et l'affecter à un périphérique.

Signaux différentiels et précautions de câblage

Le signal différentiel présente les avantages d'une forte capacité anti - interférence et d'un taux de transmission élevé. Dans la transmission de signaux Gigabit, l'impact de la diaphonie et de l'EMI peut être mieux réduit. Sa forme d'accouplement comprend un accouplement de bord et un accouplement supérieur et inférieur, un accouplement lâche et un accouplement serré.

Par rapport au couplage supérieur et inférieur, le couplage de bord présente les avantages d'une meilleure réduction de la diaphonie, d'un câblage pratique, d'un traitement simple, etc., le couplage supérieur et inférieur est plus souvent appliqué aux cartes PCB à haute densité de câblage. Le couplage serré a une meilleure résistance aux interférences et peut réduire la diaphonie par rapport au couplage lâche, qui permet de mieux contrôler la continuité de l'impédance de la trace différentielle.

Les règles de routage différentiel spécifiques devraient tenir compte de l'impact de la continuité d'impédance, des pertes, de la diaphonie et des différences de longueur de trace selon différentes situations. Il est préférable d'utiliser un diagramme de l'œil pour analyser les résultats simulés des lignes différentielles. Le logiciel de simulation peut définir un code de séquence aléatoire pour générer un diagramme de l'œil et peut entrer des paramètres de Jitter et de décalage pour analyser son impact sur le diagramme de l'œil.

Distribution électrique et Cem

L'augmentation du débit de transmission de données s'accompagne d'un débit de bord plus rapide et il est nécessaire d'assurer la stabilité de l'alimentation dans une bande de fréquences plus large. Un système à grande vitesse peut traverser un courant transitoire de 10 A et nécessite une ondulation d'alimentation maximale de 50 MV, ce qui signifie que l'impédance du réseau de distribution dans une certaine gamme de fréquences doit être inférieure à 5 M. Par exemple, le temps de montée du signal est inférieur à 0,5 ns. La bande passante peut aller jusqu'à 1,0 GHz.

Dans la conception d'un système Gigabit, il est nécessaire d'éviter les interférences du bruit de synchronisation (SSN) et de s'assurer que le système de distribution a une faible impédance dans la bande passante. Typiquement, dans la bande basse, on utilise des condensateurs de découplage pour réduire l'impédance, et dans la bande haute, on considère principalement l'alimentation et la distribution du plan de masse. La figure 4 montre le diagramme de réponse en fréquence des variations d'impédance lorsque les couches d'alimentation et de terre considèrent les condensateurs de découplage et lorsque les condensateurs de découplage ne sont pas pris en compte.

Le logiciel specctraquest peut analyser l'impact du bruit de synchronisation causé par la structure d'encapsulation. Le logiciel powerintegrity (PI), qui utilise l'analyse du Domaine fréquentiel du système de distribution, peut analyser efficacement le nombre et l'emplacement des condensateurs de découplage, ainsi que l'influence de l'alimentation et du plan de masse, aidant les ingénieurs dans la sélection et le placement des condensateurs de découplage, le câblage et l'analyse de la distribution du plan.