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À l'heure actuelle, l'ingénierie et la recherche sur l'intégrité du signal, tant au pays qu'à l'étranger, demeurent une discipline immature dont les méthodes et les pratiques d'analyse ne sont pas bien établies et qui est encore au stade de l'exploration continue. Parmi les méthodes de conception de PCB basées sur l'analyse informatique de l'intégrité du signal, la partie la plus centrale est l'établissement d'un modèle d'intégrité du signal au niveau de la carte PCB, qui est la principale différence avec les méthodes de conception traditionnelles. La précision du modèle si déterminera la justesse de la conception, et la constructibilité du modèle si détermine la faisabilité de cette approche de conception.
Les problèmes dans la conception de circuits numériques à grande vitesse se manifestent principalement par les types suivants: (1) L'augmentation de la fréquence de fonctionnement et la réduction du temps de montée / descente du signal réduisent la marge de synchronisation du système de conception et entraînent même des problèmes de synchronisation; (2) l'oscillation du signal, le dépassement et le recul résultant de l'effet de la ligne de transmission constitueront tous une grande menace pour la tolérance aux pannes, la tolérance au bruit et la monotonie du système conçu; (3) La Diaphonie entre les signaux devient très grave après que le temps de bord du signal tombe à 1 ns. Une question importante; (4) les problèmes de stabilité du système électrique et les problèmes d'interférence électromagnétique (EMI) deviennent également très importants lorsque le temps au bord du signal est proche de 0,5 ns.
Dans les systèmes à grande vitesse, la capacité de bien gérer l'interconnexion des signaux du système et de résoudre les problèmes d'intégrité du signal est la clé du succès de la conception du système. Dans le même temps, l'intégrité du signal est également la base et la prémisse pour résoudre les problèmes d'intégrité de l'alimentation, de compatibilité électromagnétique et d'interférences électromagnétiques (CEM / EMI).
Effets haute fréquence et théorie des lignes de transmission
Effet haute fréquence
En cas d'effet de chimiotaxie à haute fréquence, les ondes électromagnétiques sont fortement atténuées lorsqu'elles entrent dans un bon conducteur. Même à des distances inférieures à une longueur d'onde dans un bon conducteur, les ondes électromagnétiques sont considérablement atténuées, de sorte que les champs électromagnétiques à haute fréquence ne peuvent exister que sur une surface du bon conducteur. En couche mince, ce phénomène est appelé effet cutané. La profondeur de l'atténuation de l'intensité du champ d'ondes électromagnétiques à la surface 1 / E est la profondeur de la chimiotaxie
La formule (1) explique: plus la conductivité est grande, meilleure est la conductivité, plus la fréquence de travail est élevée et plus la profondeur de la peau est faible, ce qui conduit à une résistance beaucoup plus élevée à haute fréquence qu'à basse fréquence ou à courant continu. Lorsque l'effet de proximité est présent dans une interférence électromagnétique mutuelle entre plusieurs conducteurs porteurs de courant, la distribution de courant de la section transversale de chaque conducteur porteur de courant est différente de celle des conducteurs porteurs isolés. La densité de courant est maximale aux points les plus proches des deux côtés proches l'un de l'autre lorsqu'il y a deux conducteurs adjacents transportant un courant dans des directions opposées; Lorsque les deux conducteurs porteurs de courant ont le même sens de courant, les densités de courant des deux côtés extérieurs sont minimales. En général, l'effet de proximité augmente la résistance équivalente et diminue l'inductance.
Théorie des lignes de transmission
Une ligne de transmission généralisée est un conducteur, un médium ou un système de guidage constitué de ceux - ci pour guider la transmission d'ondes électromagnétiques dans une direction particulière. Par ligne de transmission en général, on entend une ligne de transmission micro - ondes dont la théorie est la théorie des lignes longues. Lorsque les dimensions géométriques de la ligne de transmission sont comparables à la longueur d'onde de l'onde électromagnétique, les paramètres de distribution (ou paramètres parasites) de la ligne de transmission doivent être pris en compte. Dans la conception de circuits numériques ou RF à grande vitesse et la conception de simulations de circuits à grande vitesse, la théorie des lignes de transmission doit être utilisée pour expliquer de nombreux phénomènes électromagnétiques. La théorie des lignes de transmission est la base de l'étude des circuits numériques (ou radiofréquences) à grande vitesse.
Théorie de base de la ligne de transmission lorsque le débit ou la fréquence du signal de transmission atteint un certain niveau, les paramètres de distribution sur le canal du signal de transmission doivent être pris en compte. Prenons l'exemple d'une double ligne parallèle sur laquelle l'effet de chimiotaxie augmente l'impédance RF par unité de longueur. Lorsqu'il atteint la gamme des radiofréquences, le champ magnétique autour des bifilaires parallèles est très fort, son inductance parasite doit être prise en compte et le champ électrique entre les bifilaires parallèles doit être équivalent à un condensateur. Dans le même temps, lorsque la fréquence est élevée, le phénomène de fuite entre les fils doit être pris en compte. Ainsi, le circuit équivalent d'une ligne de transmission par unité de longueur peut être constitué d'éléments R, l, G, C4, comme représenté sur la figure 1.
Figure 1 circuit équivalent d'une ligne de transmission par unité de longueur
Selon la loi de Kirchhoff, l'équation de la ligne de transmission peut être exprimée en
Ainsi, la solution générale de l'équation de la ligne de transmission peut s'écrire
Où: v +, V -, i +, I - sont les constantes d'amplitude de l'onde de tension et de l'onde de courant, respectivement, + représente le sens de transmission de l'onde incidente (+ Z) et de l'onde réfléchie (- z), respectivement. La constante de propagation c est définie comme
Où: a est la constante d'atténuation; B est la constante de phase. La tension et le courant en un point de la ligne de transmission sont respectivement une superposition d'ondes incidentes et réfléchies. La tension et le courant en tout point de l'axe Z sont exprimés en
La formule ci - dessus montre que les ondes de tension et de courant transmises sur la ligne de transmission sont fonction du temps et de la distance de transmission.
Théorie intégrée des lignes de transmission
La ligne de transmission intégrée comprend une ligne microruban, une ligne ruban, une ligne de couplage et divers guides d'ondes coplanaires. La ligne microruban est actuellement la ligne de transmission plane la plus utilisée dans les circuits intégrés micro - ondes hybrides et les circuits intégrés micro - ondes monolithiques. Peut être utilisé pour la production de programmes de lithographie, facile à intégrer avec d'autres circuits micro - ondes passifs et dispositifs micro - ondes actifs, permettant l'intégration de composants et de systèmes micro - ondes. La ligne de signal de la ligne microruban est à la couche externe et la couche de terre est de l'autre côté de la ligne de signal, facile à tester.
La ligne à ruban, également appelée ligne à trois plaques, se compose de deux bandes conductrices de section rectangulaire remplies d'un milieu homogène ou d'air entre les planchers de masse. La ligne de signal de la ligne ruban est prise en sandwich entre les deux couches de puissance. En théorie, il peut transmettre le signal au mieux car il est masqué par les couches de puissance des deux côtés. Mais il cache les lignes de signal à l'intérieur, ce qui n'est pas bon pour les tests.
Théorie de l'intégrité du signal
L'intégrité du signal (si) étudie principalement les problèmes de qualité et de synchronisation des signaux après leur transmission le long d'un fil. En général, les problèmes d'intégrité du signal à résoudre comprennent: (1) la réflexion, causée par la désadaptation d'impédance; (2) diaphonie, causée par le couplage de signaux adjacents; (3) dépassement et descente; (4) sonnerie, la performance pour le signal d'oscillation répétée peut être supprimée par une terminaison appropriée; (5) bruit de battement du plan de sol et bruit de commutation, pour les équipements à grande vitesse, un grand nombre de signaux de bus de données basculent rapidement, les variations de courant à travers la boucle de terre entraînent un plan de sol non idéal; (6) distribution d'électricité. Pour les circuits à grande vitesse, le contrôle de l'impédance du plan d'alimentation / masse est essentiel à la conception du système; 7) la question du temps. Pour une conception à grande vitesse, le retard de propagation du signal, le décalage d'horloge et la gigue sont suffisants pour que le système ne puisse pas juger correctement les données; (8) les questions relatives à l'IME comprennent le rayonnement électromagnétique et l'immunité. Résoudre les problèmes d'EMI dans la conception de PCB est le lien le plus important dans le contrôle EMI du système et le moins coûteux.
Modèles de simulation et méthodes de modélisation
Spice modèles de simulation et méthodes de modélisation
Spice (programme de simulation axé sur les circuits intégrés) est un programme général d'analyse de circuits qui permet d'analyser et de simuler diverses caractéristiques de circuits dans des conditions générales.
Le programme Spice peut remplacer les fonctions de l'ensemble du laboratoire d'électronique, telles que les plaques expérimentales et les oscilloscopes. Le programme Spice possède une vaste bibliothèque de dispositifs comprenant: (1) des modèles de dispositifs passifs tels que des résistances, des condensateurs, des inductances, des lignes de transmission, etc.; (2) modèles de dispositifs semi - conducteurs tels que diodes, transistors, transistors à effet de champ à jonction et champs MOS. Tube à effet, etc.; (3) diverses sources d'alimentation, y compris les sources contrôlées linéaires et non linéaires, telles que les sources de tension indépendantes, les sources de courant, les sources de tension et de courant contrôlées, etc.; (4) Bibliothèque de circuits d'interface de conversion A / D, D / A et de dispositifs de circuits numériques.
La méthode de modélisation du modèle Spice utilise généralement deux dispositifs, l ` un discret et l ` autre est une puce. Selon le type de dispositif, deux méthodes de modélisation de circuit sont utilisées.
1) modèle d'équipement de base. Par exemple: résistances, condensateurs, inductances, Triodes ordinaires, etc. ce sont les cellules les plus élémentaires qui composent le circuit. La modélisation est généralement réalisée en utilisant des méthodes physiques, c'est - à - dire en établissant un modèle d'un dispositif à partir d'une équation décrivant les caractéristiques physiques du dispositif. Les modèles du même appareil à différentes fréquences de fonctionnement sont différents.
2) Modèle de dispositif de sous - circuit de puce. Une puce est généralement constituée d'un certain nombre de composants élémentaires, chaque composant élémentaire de cellule et ses relations de connexion étant réalisés en sous - circuits sous la forme d'une table de réseau qui peut être invoquée par d'autres circuits formant un modèle de sous - circuit de la puce. Il est courant de modéliser en utilisant la méthode de la boîte noire (blackbox), c'est - à - dire de considérer l'appareil comme une boîte noire, de se concentrer sur les caractéristiques de fonctionnement du port et de l'utiliser pour former un modèle.
Modèle de simulation et structure de modèle Ibis
Modèle de simulation Ibis Ibis (Input / Output Buffer Information) Spécification de l'information tampon d'entrée / sortie, qui est l'information de modèle standard pour les composants. Le modèle Ibis est une méthode de modélisation rapide et précise des Buffers d'E / s basés sur des courbes V / I. Il s'agit d'une norme internationale qui reflète les caractéristiques électriques de l'entraînement et de la réception des puces. Il fournit un format de fichier standard pour enregistrer, par exemple, un lecteur. Des paramètres tels que l'impédance de sortie, le temps de montée / descente et la charge de sortie sont parfaits pour calculer et simuler des effets à haute fréquence tels que la sonnerie et la diaphonie.
Structure du modèle Ibis Le modèle Ibis est un modèle utilisé pour décrire les caractéristiques de l'information du tampon d'E / S. La description du comportement des ports de sortie et d'entrée peut être décomposée en une série de modules fonctionnels simples et un modèle Ibis complet peut être construit à partir de ces modèles fonctionnels simples, C'est - à - dire les éléments essentiels de la cellule tampon comprenant les paramètres parasites apportés par l'encapsulation (entrée, sortie ou extrémité de validation), les capacités parasites du silicium lui - même, les circuits de protection encastrés d'alimentation ou de masse, les logiques de seuil et de validation, les circuits pull - up et pull - down, etc.
Instance de simulation PCB et analyse des résultats
Paramètres liés à la simulation de carte PCB
Il existe deux types de simulation de carte de circuit imprimé: simulation de ligne et simulation au niveau de la carte. La simulation de ligne peut aider les concepteurs à ajuster la disposition des composants, à planifier le réseau d'horloge du système et à déterminer les stratégies de terminaison des réseaux de lignes critiques avant le câblage en fonction des exigences en matière d'intégrité du signal et de synchronisation du processus de conception, à suivre la conception pendant le câblage et à fournir des commentaires sur les résultats du câblage à tout moment. La simulation au niveau de la carte est généralement effectuée une fois que la conception du PCB est essentiellement terminée. L'impact de ces facteurs sur l'is et l'interaction de facteurs tels que les propriétés électriques, Cem, thermiques et mécaniques peuvent être pris en compte de manière intégrée pour permettre une analyse et une validation réelles au niveau du système. Lorsque vous effectuez une simulation, chargez d'abord le modèle de simulation du composant, puis effectuez une pré - simulation pour déterminer les paramètres et certaines contraintes nécessaires au processus de câblage. Ensuite, l'effet de câblage est vérifié par simulation de ligne à tout moment pendant le processus de câblage réel et enfin, une fois le câblage pratiquement terminé, une simulation au niveau de la carte est effectuée pour vérifier les performances du système [6]. Un exemple de cet article est l'analyse par simulation de réflexion d'un petit émetteur - récepteur optique enfichable SFP (Small pluggable optical transceiver).
Exemples de simulation et analyse des résultats
Le modèle de simulation est établi une fois la conception de principe du module d'émetteur - récepteur optique SFP terminée, la conception de la carte PCB doit commencer. La fréquence de fonctionnement du module émetteur - récepteur optique SFP étant fixée à 1,25 Gbit / s, le débit de données étant très élevé et la longueur de la trace différentielle très longue, il est nécessaire d'utiliser l'adaptation d'impédance de la ligne de transmission microbande pour réduire les réflexions de la source et du terminal et ainsi assurer La qualité du signal. Selon les données de la puce du max3748 dans le schéma, l'impédance de sortie unique de la ligne différentielle est de 50 îlots et l'impédance différentielle du port RD + / - de la carte mère est de 100 îlots selon le Protocole SFP - msa. Selon la théorie des lignes différentielles, en l'absence de couplage, l'impédance différentielle de deux lignes de transmission microruban parallèles est égale au double de l'impédance d'une seule extrémité. L'adaptation doit donc être réalisée avec une ligne de transmission dont l'impédance caractéristique est de 50 îlots. La topologie du réseau d'interconnexion entre le max3748 et le connecteur J1 est extraite comme représenté sur la figure 2. Puisque J1 est un connecteur, il n'y a pas de données de modèle Ibis correspondantes qui peuvent être appelées. Ainsi, pour permettre la simulation, on charge en J1 le récepteur différentiel DIN1 qui accompagne le système. Et régler la fréquence de travail correspondante.
Figure 2 topologie du max3748 pour l'interconnexion avec J1
Résultats de simulation et analyse grâce à l'analyse des résultats de simulation, la qualité du signal ne répond pas aux exigences de conception. Les principaux problèmes sont les suivants: (1) non - linéarité des fronts ascendants et descendants; (2) Certains overshoots et downshoots dans la forme d'onde; (3)) Le taux de bord ralentit. En réponse au problème ci - dessus, une analyse plus approfondie du circuit a permis de constater que ces phénomènes sont dus à deux facteurs. 1) parce que le module d'émetteur - récepteur optique SFP utilise principalement des lignes différentielles pour la transmission du signal, l'impédance différentielle sur la carte mère est de 100 selon le Protocole SFP - msa. De plus, l'impédance de la sortie différentielle du max3748 est de 100 angströms. Dans les simulations précédentes, lorsque le système a extrait la topologie, l'impédance par défaut était une ligne microruban à 60 îles, ce qui a entraîné une désadaptation d'impédance. 2) parce que la borne d'entrée différentielle du système est chargée après J1, quand elle est dans un état de Haute impédance, ce qui est équivalent au cas où la borne est ouverte et a une grande réflexion.
Pour assurer la qualité du signal, il est donc nécessaire de réaliser une adaptation d'impédance. Réglez l'impédance de la ligne de transmission différentielle sur 100 îlots. Selon la théorie des lignes microruban différentielles, l'utilisation d'un logiciel de calcul de ligne de transmission permet de calculer une largeur de ligne de 15 mil pour une ligne de séparation de voyage, un pas de ligne de 10 mil et une impédance d'extrémité unique correspondante de l'ordre de 62,5°. Remplacer la ligne microruban sans perte dans la topologie de simulation précédente par la ligne microruban couplée avec perte réelle pour l'analyse de simulation. Dans le même temps, ajoutez une résistance terminale de 50 îlots à une alimentation de 3,3 V dans la topologie.
La topologie modifiée est représentée sur la figure 3.
Figure 3 topologie modifiée
L'analyse analogique de la forme d'onde et de l'oculogramme permet de savoir que ce signal présente une relativement bonne intégrité du signal. L'amplitude de dépassement du signal est d'environ 54 MV, les fronts montants et descendants sont d'environ 100 ps et l'amplitude de basculement du signal de sortie différentiel atteint environ 850 MV, ce qui satisfait aux exigences de sortie du signal.
