Technologie PCB - Technologie de conception de PCB basée sur FPGA haute vitesse

Ce serait merveilleux si la conception de PCB haute vitesse pouvait être aussi simple que de connecter des nœuds schématiques ou aussi belle que vous pouvez le voir sur un écran d'ordinateur. Cependant, à moins que les concepteurs ne soient nouveaux dans la conception de circuits imprimés ou très chanceux, la conception de circuits imprimés réelle n'est généralement pas aussi facile que la conception de circuits dans laquelle ils travaillent. Les concepteurs de circuits imprimés font face à de nombreux nouveaux défis avant que la conception ne fonctionne enfin correctement et que quelqu'un puisse confirmer les performances. C'est l'état actuel de la conception de PCB à grande vitesse, avec des règles de conception et des directives de conception en constante évolution. Si vous êtes chanceux, ils formeront une solution réussie.

La grande majorité des PCB sont des concepteurs schématiques qui maîtrisent le fonctionnement et les influences mutuelles des dispositifs PCB, ainsi que les différentes normes de transmission de données qui composent les entrées et les sorties des cartes. Le résultat d'une collaboration mutuelle entre les concepteurs de disposition professionnels, c'est - à - dire ce qui se passe après la conversion en fil de cuivre de circuit imprimé. Souvent, le succès ou l'échec de la carte de circuit final est la responsabilité du concepteur de schéma. Cependant, plus les concepteurs de schémas en savent sur les excellentes techniques de mise en page, plus ils ont de chances d'éviter les problèmes majeurs.

Si la conception intègre un FPGA haute densité, de nombreux défis peuvent être rencontrés face à un schéma bien conçu. Comprend des centaines de ports d'entrée et de sortie, des fréquences de fonctionnement supérieures à 500 MHz (qui peuvent être plus élevées dans certaines conceptions) et un espacement des billes de soudure aussi petit qu'un demi - millimètre, ce qui crée des interférences indésirables entre les unités de conception. Influence mutuelle.

Bruit de commutation simultané

Pour résoudre les problèmes de sonnerie et de diaphonie sur les lignes de données à grande vitesse, le passage à un signal différentiel est une bonne première étape. Comme l'une des lignes sur la paire différentielle est le puits et que l'autre ligne fournit le courant de source, l'effet inductif peut être radicalement éliminé. Lorsque des données sont transmises à l'aide de paires différentielles, cela contribue à réduire le bruit de "rebond" généré par le courant induit dans la voie de retour, car le courant reste local. Pour les radiofréquences jusqu'à plusieurs centaines de MHz, voire plusieurs GHz, la théorie du signal montre que la puissance maximale du signal peut être transmise lorsque l'impédance est adaptée. Lorsque les lignes de transmission ne correspondent pas, une réflexion se produit et seule une partie du signal est transmise de l'émetteur au dispositif récepteur, tandis que d'autres rebondissent entre l'émetteur et le récepteur. La qualité de l'implémentation du signal différentiel sur le PCB aura un impact important sur l'adaptation d'impédance (et d'autres aspects).

Conception de trajectoire différentielle

La conception des traces différentielles repose sur le principe d'un PCB à impédance contrôlée. Ce modèle est un peu comme un câble coaxial. Sur un PCB à impédance contrôlée, une couche plane métallique peut servir de couche de blindage, l'isolant est un stratifié fr4 et le conducteur est une paire de traces de signal (voir figure 1). La permittivité diélectrique moyenne de fr4 est comprise entre 4,2 et 4,5. Comme les erreurs de fabrication sont inconnues, il peut en résulter une surgravure du fil de cuivre et éventuellement des erreurs d'impédance. La façon la plus précise de calculer l'impédance d'une trace de PCB est d'utiliser un programme d'analyse de champ (généralement bidimensionnel et parfois tridimensionnel), qui nécessite l'utilisation d'éléments finis pour résoudre directement par lots le système d'équations de Maxwell de l'ensemble du PCB. Le logiciel peut analyser les effets EMI en fonction de l'espacement des traces, de la largeur des lignes, de l'épaisseur des lignes et de la hauteur de la couche isolante.

Condensateurs de découplage et de dérivation

Un autre aspect important pour déterminer si les performances réelles du PCB sont conformes aux attentes doit être contrôlé par l'ajout de condensateurs de découplage et de contournement. L'ajout d'un condensateur de découplage aide à réduire l'inductance entre l'alimentation du PCB et le plan de masse et aide à contrôler l'impédance des signaux et des circuits intégrés partout sur le PCB. Les condensateurs de dérivation aident à fournir une alimentation propre au FPGA (un groupe de charge est fourni). La règle traditionnelle est que les condensateurs de découplage doivent être placés à un endroit pratique pour le câblage du PCB, et le nombre de broches d'alimentation FPGA détermine le nombre de condensateurs de découplage. Cependant, la vitesse de commutation ultra - élevée du FPGA a complètement brisé ce stéréotype.

Dans une conception de carte FPGA typique, le condensateur le plus proche de la source d'alimentation fournit une compensation de fréquence pour les variations de courant de charge. Pour assurer le filtrage basse fréquence et éviter la chute de la tension d'alimentation, on utilise de grands condensateurs de découplage. La chute de tension est due au retard de réponse du régulateur de tension lors du démarrage du circuit de conception. De tels grands condensateurs sont généralement des condensateurs électrolytiques ayant une bonne réponse en basse fréquence et leur réponse en fréquence va de DC à quelques centaines de kHz.

Chaque changement de sortie FPGA nécessite la charge et la décharge de la ligne de signal, ce qui nécessite de l'énergie. Le condensateur de dérivation a pour fonction d'assurer un stockage local d'énergie sur une large gamme de fréquences. De plus, un petit condensateur avec une petite Inductance série est nécessaire pour fournir un courant à grande vitesse pour les transitoires haute fréquence. Les gros Condensateurs à réponse lente continuent à fournir du courant après que l'énergie du condensateur haute fréquence ait été consommée.

En général, le câblage du condensateur de découplage doit être absolument court, y compris la distance verticale dans le sur - trou. Même une légère augmentation augmente l'inductance du fil et diminue ainsi l'effet du découplage.

Autres technologies

À mesure que la vitesse du signal augmente, il devient de plus en plus difficile de transmettre facilement des données sur une carte. D'autres techniques peuvent être utilisées pour améliorer encore les performances du PCB.

La première et la plus évidente est la disposition simple de l'appareil. Concevoir le chemin le plus court et le plus direct pour les connexions les plus critiques est du bon sens, mais ne le Sous - estimez pas. Pourquoi se tracasser à ajuster les signaux sur la planche alors que les stratégies les plus simples donnent les meilleurs résultats?

Une façon presque aussi simple est de considérer la largeur de la ligne de signal. Lorsque les débits de données atteignent 622 MHz ou plus, les effets de chimiotaxie de la conduction du signal deviennent plus importants. Lorsque les distances sont longues, des traces très minces sur le PCB, telles que 4 ou 5 mils, peuvent former une grande atténuation du signal, tout comme un filtre passe - Bas sans atténuation conçue, dont l'atténuation varie avec l'augmentation de la fréquence. Plus la plaque arrière est longue, plus la fréquence est élevée, plus la ligne de signal doit être large. Pour les traces de plaque arrière de plus de 20 pouces de longueur, la largeur de ligne doit atteindre 10 ou 12 mils.

Habituellement, le signal le plus critique sur la carte est le signal d'horloge. Lorsque la ligne d'horloge est trop longue ou mal conçue, elle amplifie la gigue et se décale vers l'aval, en particulier lorsque la vitesse augmente. Vous devriez éviter d'utiliser plusieurs couches pour transmettre l'horloge et ne pas avoir de trous dans la ligne d'horloge, car les trous excessifs peuvent augmenter les variations d'impédance et la réflexion. Si une couche interne doit être utilisée pour organiser l'horloge, les couches supérieures et inférieures doivent utiliser le plan de masse pour réduire le retard. Lorsque la conception utilise une PLL FPGA, le bruit sur le plan de puissance augmente la gigue de la PLL. Si c’est essentiel, vous pouvez créer une « île de puissance » pour votre PLL. L'île peut utiliser une gravure plus épaisse dans un plan métallique pour isoler l'alimentation analogique PLL de l'alimentation numérique.

Enfin, l'une des meilleures façons de le faire est de se référer à la carte de référence fournie par le fabricant du FPGA. La plupart des fabricants fourniront des informations sur la disposition de la source de la carte de référence, bien que des applications spéciales puissent être nécessaires en raison de problèmes d'informations privées. Ces cartes contiennent généralement des interfaces E / s standard à haute vitesse que les fabricants de FPGA doivent utiliser pour caractériser et certifier leurs appareils. Cependant, gardez à l'esprit que ces cartes sont généralement conçues à des fins multiples et peuvent ne pas répondre exactement aux exigences de conception spécifiques. Même ainsi, ils peuvent encore servir de point de départ pour créer des solutions

Résumé de cet article

Bien sûr, cet article ne traite que de quelques concepts de base. Tout sujet traité ici peut être discuté tout au long du livre. La clé est de comprendre quels sont les objectifs avant d'investir beaucoup de temps et d'efforts dans la conception de la mise en page PCB. Une fois la conception de la mise en page terminée, la refonte prendra beaucoup de temps et d'argent, même si la largeur de la piste est légèrement ajustée. Vous ne pouvez pas compter sur un ingénieur de mise en page PCB pour une conception qui répond aux besoins réels. Les concepteurs de programmes doivent toujours fournir des conseils, faire des choix éclairés et être responsables du succès de la solution.