Technologie PCB - Méthode de conception de carte de circuit imprimé numérique à grande vitesse basée sur l'analyse de l'intégrité du signal

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

Avec l'augmentation de la vitesse de commutation de sortie des circuits intégrés et l'augmentation de la densité des cartes PCB, l'intégrité du signal est devenue l'une des préoccupations essentielles dans la conception de circuits imprimés 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 inutilisable.

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. La méthode de conception de carte PCB numérique à grande vitesse basée sur l'analyse informatique de l'intégrité du signal 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 meilleure intégrité du 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 synchrone (SSN) et compatibilité électromagnétique (EMI).

Par retard, on entend que le signal est transmis à une vitesse limitée sur les fils de la carte PCB, le signal étant transmis de l'extrémité émettrice à l'extrémité réceptrice, pendant laquelle il y a un retard de transmission. Le retard du signal aura un impact sur la synchronisation du système. Dans les systèmes numériques à haut débit, le retard de transmission dépend principalement de la longueur du fil et de la constante diélectrique du milieu autour du fil.

En outre, lorsque l'impédance caractéristique d'un fil sur une carte PCB (appelée 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 entraîne une distorsion de la forme d'onde du signal et même un dépassement et un recul du signal. Si le signal est réfléchi d'avant en arrière sur la ligne de transmission, une sonnerie et une oscillation de sonnerie sont générées.

Étant donné qu'il existe une capacité mutuelle et une inductance mutuelle entre deux dispositifs ou fils sur le PCB, lorsque le dispositif ou le signal sur le fil change, son changement affectera les autres dispositifs ou inductances par l'intermédiaire de la capacité mutuelle et de l'inductance. Câblé, c'est - à - dire string. L'intensité de la diaphonie dépend des dimensions géométriques et de la distance mutuelle du dispositif et du fil.

Lorsque de nombreux signaux numériques sur la carte PCB sont commutés de manière synchrone (tels que le bus de données CPU, le bus d'adresse, etc.), un bruit de commutation synchrone est généré en raison de l'impédance des lignes d'alimentation et des lignes de masse, et des battements du plan de masse apparaissent sur les lignes de masse. Bruit (appelé bombe au sol). La force 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 de la carte PCB, ainsi que de la disposition et du câblage des dispositifs à grande vitesse sur la carte PCB.

En outre, comme d'autres appareils électroniques, les PCB ont des problèmes de compatibilité électromagnétique, qui sont principalement liés à la disposition et au câblage de la carte PCB.

2. Méthode traditionnelle de conception de carte PCB

Dans le processus de conception traditionnel, la conception de PCB comprend successivement des étapes de conception de circuit, de conception de mise en page, de production de PCB, de mesure et de débogage. Au stade de la conception du circuit, en raison de l'absence de méthodes et de moyens efficaces pour analyser les caractéristiques de transmission du signal sur la carte PCB réelle, la conception du circuit ne peut généralement être effectuée que sur la base des recommandations des fabricants de composants et des experts et de l'expérience de conception passée. 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'effectuer une analyse et une évaluation en temps réel des changements de performance du signal causés par la disposition des composants PCB et le câblage du signal pendant la phase de conception de la mise en page PCB, de sorte que la qualité de la conception de la mise en page dépend davantage de l'expérience du concepteur. Au cours de la phase de production de PCB, comme le processus n'est pas exactement le même pour chaque fabricant de carte PCB et d'éléments, les paramètres des cartes PCB et des composants ont généralement une large plage de tolérances, ce qui rend les performances des cartes PCB plus difficiles à contrôler.

Dans le processus traditionnel de conception de 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.

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

Le processus de conception de 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 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 est d'abord établi.

Selon le modèle si, une série de pré - analyses des problèmes d'intégrité du signal ont été effectuées et les types d'éléments, les paramètres et la topologie de circuit appropriés ont été sélectionnés en fonction des résultats des calculs de simulation pour servir de base à la conception du circuit.

Au cours de la conception du circuit, le schéma de conception est envoyé au modèle si pour l'analyse de l'intégrité du signal et le calcul et l'analyse de 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 du PCB. Espace pour les solutions.

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 la disposition des éléments sur la carte PCB et le câblage des lignes de signal sur la carte PCB ont une certaine flexibilité lorsque les paramètres du PCB et des éléments varient dans une certaine plage, ce qui peut encore garantir les exigences d'intégrité du signal.

Avant le début de la conception de la mise en page PCB, la valeur limite de chaque espace de résolution de signal obtenu est utilisée comme contrainte pour la conception de la mise en page, qui sert de base de conception pour la mise en page et le câblage de la mise en page PCB.

Au cours du processus de conception de la mise en page du 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.

Après avoir terminé la conception du PCB, vous êtes prêt à faire une carte PCB. La plage de tolérance pour les paramètres de fabrication de la carte PCB doit être dans les limites de 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, il est souvent possible de finaliser une carte PCB 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 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 diffère des méthodes de conception traditionnelles.

La justesse du modèle si déterminera la justesse de la conception, et la constructibilité du modèle si détermine la faisabilité de cette approche de conception.

4.1 modèle si pour la conception de PCB

Dans la conception électronique, il existe de nombreux modèles qui peuvent être utilisés pour l'analyse de l'intégrité du signal au niveau de la carte PCB. Les trois plus couramment utilisés sont spice, Ibis et verilog - a.

Le modèle a.spice

Spice est un simulateur de circuit analogique puissant et universel. Maintenant, le modèle Spice a été largement utilisé dans la conception électronique et a été dérivé de deux versions principales: Hspice et Pspice. HspiCE est principalement utilisé pour la conception de circuits intégrés, tandis que Pspice est principalement utilisé 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, le modèle Spice peut être étroitement lié aux algorithmes du simulateur, ce qui permet d'obtenir une meilleure efficacité analytique et des résultats d'analyse améliorés.

Lorsque l'analyse si est effectuée au niveau de la carte PCB à l'aide du modèle spice, il est nécessaire que les concepteurs et les fabricants de circuits intégrés fournissent une description détaillée et précise des paramètres de fabrication du modèle Spice et des caractéristiques du semi - conducteur des sous - circuits de cellules d'E / s du circuit intégré. Étant donné que ces matériaux appartiennent généralement à la propriété intellectuelle et à la confidentialité des concepteurs et des fabricants, seuls quelques fabricants de semi - conducteurs proposent les modèles Spice correspondants en même temps que les produits à puce.

La précision analytique du modèle Spice dépend principalement de l’origine des paramètres du modèle (c’est - à - dire de la précision des données) et du champ d’application des équations du modèle. La combinaison des équations du modèle avec divers simulateurs numériques peut également affecter la précision de l'analyse. De plus, le modèle Spice au niveau de la carte PCB comporte de nombreux calculs de simulation et son analyse est relativement longue.

B. modèle Ibis

Le modèle Ibis a été développé à l'origine par Intel Corporation spécifiquement 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 devenu une 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 la conception interne de la cellule d'E / s et les paramètres de fabrication du transistor, il a été bien accueilli et soutenu par les fabricants de semi - conducteurs. Tous les grands fabricants de circuits intégrés numériques peuvent désormais proposer les modèles Ibis correspondants en même temps que les puces.

La précision analytique du modèle Ibis dépend principalement du nombre de points de données dans les tableaux I / V et V / T et de la précision des données. Étant donné que les simulations au niveau de la carte PCB basées sur le modèle Ibis utilisent des calculs de recherche de table, le volume de calcul est faible, généralement de 1 / 10 à 1 / 100 du modèle Spice correspondant.

C. modèle verilog AMS et modèle VHDL - AMS

Verilog AMS et VHDL - AMS sont apparus il y a moins de 4 ans et constituent une nouvelle norme. 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 de nombreux niveaux différents: niveau transistor, niveau cellule E / s, Groupe de cellules E / s, etc.

Comme verilog AMS et VHDL - AMS sont les nouvelles normes, seuls quelques fabricants de semi - conducteurs ont été en mesure de proposer des modèles AMS et moins de simulateurs sont capables de prendre en charge AMS que Spice et Ibis. Cependant, la faisabilité et la précision de calcul du modèle AMS dans l'analyse de l'intégrité du signal au niveau de la carte PCB ne sont pas inférieures à celles des modèles Spice et Ibis.

4.2 choix du modèle

Comme il n'y a pas de modèle unifié pour compléter l'analyse de l'intégrité du signal au niveau de toutes les cartes PCB, dans la conception de cartes PCB numériques à grande vitesse, il est nécessaire de mélanger les modèles ci - dessus pour maximiser l'établissement d'un modèle de transmission des signaux critiques et sensibles.

Pour les composants passifs discrets, le modèle Spice fourni par le fabricant peut être recherché ou le modèle Spice simplifié peut être directement établi et utilisé 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 de circuits intégrés peuvent fournir le modèle Ibis requis tout en fournissant la puce via un site Web ou d'autres méthodes.

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 entendu, il est également possible d'établir un modèle Ibis simplifié par des mesures expérimentales.

Pour les lignes de transmission sur carte PCB, le modèle Spice de ligne de transmission simplifié peut être utilisé pour la pré - analyse de l'intégrité du signal et l'analyse de résolution spatiale, et l'analyse après câblage nécessite l'utilisation du modèle Spice de ligne de transmission complet, selon la conception de la configuration réelle.

5. Combinaison des méthodes de conception avec le logiciel EDA existant

À l'heure actuelle, l'industrie de la conception de PCB n'a pas de logiciel EDA intégré pour compléter l'approche de conception ci - dessus et doit donc le faire avec une combinaison de certains outils logiciels communs.

Utilisez des logiciels Spice génériques tels que Pspice, Hspice, etc. pour établir des modèles spice, les déboguer et les valider pour les composants discrets, les composants passifs et les lignes de transmission sur PCB.

Les modèles Spice / Ibis des différents composants et lignes de transmission déjà obtenus sont ajoutés à un logiciel universel d'analyse d'intégrité du signal tel que spectraquest, hyperlynx, Tau, is - Analyzer, etc., pour établir un modèle d'analyse si du signal sur une carte PCB et effectuer une analyse d'intégrité du signal et des calculs par sexe.

Utilisez les fonctions de base de données fournies avec le logiciel d'analyse si ou utilisez un autre logiciel de base de données commun pour trier et analyser davantage les résultats des opérations simulées et rechercher l'espace de solution idéal.

Avec les valeurs limites de l'espace de solution comme base pour la conception de circuits PCB et comme contrainte pour la conception de diagrammes de configuration, utilisez le logiciel EDA de conception de circuits imprimés universel Orcad, Protel, Pads, powerpcb, Allegro et mentor pour compléter la conception et la mise en page de circuits PCB.

Une fois la conception de la disposition PCB 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 disposition 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.

Une fois la fabrication de la carte PCB terminée, l'exactitude de chaque modèle et des calculs de simulation peut être vérifiée par des mesures effectuées avec des instruments expérimentaux.

Résumé de cet article:

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 des produits, mais peut également réduire considérablement le cycle de développement des produits et réduire les coûts de développement. Il est prévisible que les méthodes de conception de 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.