Dati PCB - Metodo di progettazione della scheda PCB digitale ad alta velocità per l'integrità del segnale

Questo articolo introduce un metodo di progettazione per una scheda PCB di segnale digitale ad alta velocità basata sull'analisi del computer dell'integrità del segnale. In questo metodo di progettazione, in primo luogo, verrà stabilito un modello di trasmissione del segnale a livello di scheda PCB per tutti i segnali digitali ad alta velocità e quindi lo spazio della soluzione di progettazione sarà trovato attraverso il calcolo e l'analisi dell'integrità del segnale e la scheda PCB sarà completata sulla base dello spazio della soluzione. progettazione e verifica.

Con l'aumento della velocità di commutazione in uscita dei circuiti integrati e l'aumento della densità PCB, l'integrità del segnale è diventata una delle questioni che devono essere interessate nella progettazione di schede PCB digitali ad alta velocità. Fattori come i parametri dei componenti e delle schede PCB, il layout dei componenti sulla scheda PCB e il cablaggio di segnali ad alta velocità possono causare problemi di integrità del segnale, con conseguente funzionamento instabile del sistema o addirittura nessun lavoro affatto. Come considerare pienamente il fattore di integrità del segnale nel processo di progettazione PCB e adottare misure di controllo efficaci è diventato un argomento caldo nel settore della progettazione PCB oggi. Il metodo di progettazione PCB digitale ad alta velocità basato sull'analisi del computer dell'integrità del segnale può realizzare efficacemente l'integrità del segnale della progettazione PCB.

1. Panoramica dei problemi di integrità del segnale

Integrità del segnale (SI) si riferisce alla capacità di un segnale di rispondere con la corretta temporizzazione e tensione in un circuito. Un circuito ha una buona integrità del segnale se i segnali nel circuito possono raggiungere l'IC con il tempo richiesto, la durata e l'ampiezza di tensione. Al contrario, si verifica un problema di integrità del segnale quando il segnale non risponde correttamente. In generale, i problemi di integrità del segnale si manifestano principalmente in cinque aree: ritardo, riflessione, crosstalk, rumore di commutazione simultanea (SSN) e compatibilità elettromagnetica (EMI). Il ritardo significa che il segnale viene trasmesso a una velocità limitata sui fili della scheda PCB. Il segnale viene inviato dal mittente al ricevitore e c'è un ritardo di trasmissione nel mezzo. Il ritardo del segnale avrà un impatto sulla tempistica del sistema. Nei sistemi digitali ad alta velocità, il ritardo di propagazione è determinato principalmente dalla lunghezza del filo e dalla costante dielettrica del mezzo intorno al filo. Inoltre, quando l'impedenza caratteristica del cavo sul PCB (chiamata linea di trasmissione nel sistema digitale ad alta velocità) non corrisponde all'impedenza di carico, dopo che il segnale raggiunge l'estremità ricevente, una parte dell'energia verrà riflessa indietro lungo la linea di trasmissione, distorcendo la forma d'onda del segnale e persino apparendo l'overshoot e undershoot del segnale. Se il segnale rimbalza avanti e indietro sulla linea di trasmissione, può causare squillo e squillo. Poiché c'è capacità reciproca e induttanza reciproca tra due dispositivi o fili sul PCB, quando il segnale su un dispositivo o un filo cambia, il suo cambiamento influenzerà altri dispositivi o altri dispositivi attraverso capacità mutua e induttanza reciproca. Filo, questo e' crosstalk. La forza del crosstalk dipende dalla geometria e dalla distanza reciproca del dispositivo e dei fili.

Quando molti segnali digitali sul PCB sono commutati in modo sincrono (come il bus dati della CPU, il bus degli indirizzi, ecc.), a causa dell'impedenza sulla linea di alimentazione e sulla linea di terra, verrà generato rumore di commutazione sincrono e il piano di terra rimbalzerà sulla linea di terra. Rumore (abbreviato in rimbalzo a terra). La forza dell'SSN e del rimbalzo a terra dipendono anche dalle caratteristiche IO del circuito integrato, dall'impedenza dello strato di alimentazione e dello strato piano di terra del PCB e dal layout e cablaggio dei dispositivi ad alta velocità sul PCB. Inoltre, come altri dispositivi elettronici, le schede PCB hanno anche problemi di compatibilità elettromagnetica, che sono principalmente legati al layout e ai metodi di cablaggio delle schede PCB.

2. Metodo tradizionale di progettazione del bordo PCB

Nel processo di progettazione tradizionale, la progettazione della scheda PCB consiste di passaggi come progettazione del circuito, progettazione del layout, produzione della scheda PCB, misurazione e debug. Nella fase di progettazione del circuito, a causa della mancanza di metodi e mezzi di analisi efficaci per le caratteristiche di trasmissione del segnale sulla scheda PCB effettiva, la progettazione del circuito può generalmente essere eseguita solo in base ai produttori e ai suggerimenti dei componenti e all'esperienza di progettazione passata. Pertanto, per un nuovo progetto di progettazione, di solito è difficile effettuare la corretta selezione di fattori come la topologia del segnale e i parametri dei componenti in base alla situazione specifica. Nella fase di progettazione del layout PCB, è anche difficile analizzare e valutare i cambiamenti delle prestazioni del segnale causati dal layout dei componenti e dall'instradamento del segnale del PCB in tempo reale, quindi la qualità del design del layout dipende più dall'esperienza del progettista. Nella fase di produzione di schede PCB, poiché i processi di ogni produttore di schede PCB e componenti non sono esattamente gli stessi, i parametri della scheda PCB e dei componenti hanno generalmente un ampio intervallo di tolleranza, rendendo le prestazioni della scheda PCB più difficili da controllare. Nel processo di progettazione tradizionale della scheda PCB, le prestazioni della scheda PCB possono essere giudicate dalla misura dello strumento solo dopo che la produzione è completata. I problemi riscontrati nella fase di debug della scheda PCB devono essere modificati nella progettazione successiva della scheda PCB. Ma ciò che è più difficile è che alcuni problemi sono spesso difficili da quantificare nei parametri della progettazione e del layout precedente del circuito. Pertanto, per schede PCB più complesse, è generalmente necessario ripetere il processo di cui sopra molte volte per soddisfare finalmente i requisiti di progettazione. Si può vedere che con il metodo tradizionale di progettazione della scheda PCB, il ciclo di sviluppo del prodotto è lungo e il costo della ricerca e dello sviluppo è corrispondentemente alto.

3. metodo di progettazione del bordo PCB basato sull'analisi dell'integrità del segnale

Il processo di progettazione della scheda PCB basato sull'analisi del computer di integrità del segnale è mostrato nella Figura 2. Rispetto al metodo di progettazione tradizionale della scheda PCB, il metodo di progettazione basato sull'analisi dell'integrità del segnale ha le seguenti caratteristiche: Prima della progettazione della scheda PCB, viene stabilito il modello di integrità del segnale della trasmissione digitale ad alta velocità. Secondo il modello SI, viene effettuata una serie di pre-analisi sul problema di integrità del segnale e i tipi di componenti appropriati, i parametri e la topologia del circuito vengono selezionati in base ai risultati del calcolo della simulazione, come base per la progettazione del circuito. Nel processo di progettazione del circuito, lo schema di progettazione viene inviato al modello SI per l'analisi dell'integrità del segnale e la gamma di tolleranza dei componenti e dei parametri della scheda PCB, le possibili modifiche della struttura topologica e dei parametri nella progettazione del layout della scheda PCB e altri fattori sono integrati per calcolare e analizzare la progettazione. Lo spazio di soluzione dello schema. Dopo che la progettazione del circuito è completata, ogni segnale digitale ad alta velocità dovrebbe avere uno spazio di soluzione continuo e realizzabile. Cioè, quando i parametri della scheda PCB e dei componenti cambiano entro un certo intervallo, il layout dei componenti sulla scheda PCB e il metodo di cablaggio delle linee di segnale sulla scheda PCB hanno una certa flessibilità, l'integrità del segnale può ancora essere garantita. Richiedere. Prima che inizi la progettazione del layout della scheda PCB, il valore limite di ogni spazio della soluzione del segnale ottenuto viene utilizzato come condizione di vincolo del progetto del layout, che viene utilizzato come base di progettazione per il layout e il cablaggio della scheda PCB. Durante il processo di progettazione del layout PCB, il progetto parzialmente o completamente completato viene rispedito al modello SI per l'analisi dell'integrità del segnale post-progettazione per confermare se il progetto effettivo del layout soddisfa i requisiti previsti per l'integrità del segnale. Se i risultati della simulazione non sono in grado di soddisfare i requisiti, la progettazione del layout o persino la progettazione del circuito devono essere modificati, il che può ridurre il rischio di guasto del prodotto a causa di progettazione impropria. Dopo che la progettazione della scheda PCB è completata, la produzione della scheda PCB può essere effettuata. L'intervallo di tolleranza dei parametri di produzione del PCB dovrebbe essere all'interno dello spazio di soluzione dell'analisi dell'integrità del segnale. Dopo la produzione della scheda PCB, lo strumento viene utilizzato per misurare e eseguire il debug per verificare la correttezza del modello SI e dell'analisi SI e utilizzare questa come base per correggere il modello. Sulla base del modello SI corretto e del metodo di analisi, la scheda PCB può essere completata senza o con poche modifiche ripetute alla progettazione e alla produzione, che possono accorciare il ciclo di sviluppo del prodotto e ridurre i costi di sviluppo.

4. Modello di analisi dell'integrità del segnale

Nel metodo di progettazione della scheda PCB basato sull'analisi del computer di integrità del segnale, la parte più importante è la creazione del modello di integrità del segnale a livello di scheda PCB, che è diverso dal metodo di progettazione tradizionale. La correttezza del modello SI determinerà la correttezza del progetto e la realizzabilità del modello SI determinerà la fattibilità di questo metodo di progettazione.

4.1. Modello SI di progettazione della scheda PCB

Esistono già una varietà di modelli che possono essere utilizzati per l'analisi dell'integrità del segnale a livello PCB nella progettazione elettronica. Tra questi, ci sono tre comunemente usati, vale a dire SPICE, IBIS e Verilog-A.

a. Modello SPICE

SPICE è un potente simulatore di circuiti analogici per uso generale. Ora il modello SPICE è stato ampiamente utilizzato nella progettazione elettronica e derivato due versioni principali: HSPICE e PSPICE, HSPICE è utilizzato principalmente nella progettazione di circuiti integrati e PSPICE è utilizzato principalmente nella scheda PCB e nella progettazione a livello di sistema. Il modello SPICE è composto da due parti: equazioni modello e parametri modello. Poiché vengono fornite le equazioni del modello, il modello SPICE e l'algoritmo del simulatore possono essere strettamente collegati e possono essere ottenuti migliori risultati di analisi e efficienza. Quando si utilizza il modello SPICE per eseguire analisi SI a livello di scheda PCB, i progettisti e i produttori di circuiti integrati sono tenuti a fornire modelli SPICE dettagliati e accurati che descrivono i sub-circuiti delle unità I/O del circuito integrato e i parametri di produzione delle caratteristiche dei semiconduttori. Poiché questi materiali appartengono solitamente alla proprietà intellettuale e alla riservatezza di progettisti e produttori, solo pochi produttori di semiconduttori forniranno modelli SPICE corrispondenti insieme ai prodotti chip. L'accuratezza analitica del modello SPICE dipende principalmente dai parametri del modello (cioè dalla natura dei dati) e dalla gamma applicabile delle equazioni del modello. Le equazioni del modello possono anche influenzare l'accuratezza dell'analisi se combinate con vari simulatori digitali. Inoltre, il calcolo della simulazione del modello SPICE a livello di scheda PCB è relativamente grande e l'analisi richiede tempo.

b. Modello IBIS

Il modello IBIS è stato originariamente sviluppato da Intel Corporation per l'analisi dell'integrità del segnale digitale a livello di scheda PCB e di sistema. Attualmente è gestito dall'IBIS Open Forum ed è uno standard ufficiale del settore (VIA/ANSI 656-A). Il modello IBIS utilizza la forma di tabelle I/V e V/T per descrivere le caratteristiche delle celle e dei pin di I/O del circuito integrato digitale. Poiché il modello IBIS non ha bisogno di descrivere la progettazione interna dei parametri di produzione delle celle I/O e transistor, è stato accolto e supportato dai produttori di semiconduttori. Tutti i principali produttori di circuiti integrati digitali sono ora in grado di fornire il modello IBIS corrispondente insieme al chip. La precisione analitica del modello IBIS dipende principalmente dal numero di punti dati e dal grado di dati nelle tabelle I/V e V/T. Poiché la simulazione a livello di scheda PCB basata sul modello IBIS adotta il calcolo della tabella di ricerca, l'importo di calcolo è piccolo, di solito solo da 1/10 a 1/100 del modello SPICE corrispondente.

c. Modello Verilog-AMS e modello VHDL-AMS

Verilog-AMS e VHDL-AMS esistono da meno di 4 anni e sono nuovi standard. Come linguaggi di modellazione a livello di comportamento hardware, Verilog-AMS e VHDL-AMS sono superset di Verilog e VHDL, rispettivamente, mentre Verilog-A è un sottoinsieme di Verilog-AMS. A differenza dei modelli SPICE e IBIS, nel linguaggio AMS, spetta all'utente scrivere le equazioni che descrivono il comportamento dei componenti. Simile al modello IBIS, il linguaggio di modellazione AMS è un formato modello indipendente che può essere utilizzato in molti tipi diversi di strumenti di simulazione. Le equazioni AMS possono anche essere scritte a molti livelli diversi: livello transistor, livello di celle I/O, gruppo di celle I/O, ecc. Poiché Verilog-AMS e VHDL-AMS sono nuovi standard, solo pochi produttori di semiconduttori possono fornire modelli AMS finora, e ci sono meno simulatori che possono supportare AMS di SPICE e IBIS. Tuttavia, la fattibilità e la precisione computazionale del modello AMS nell'analisi dell'integrità del segnale a livello PCB non sono inferiori a quelli dei modelli SPICE e IBIS.

4.2 Scelta del modello

Poiché non esiste un modello unificato per completare tutte le analisi di integrità del segnale a livello PCB, nella progettazione di schede PCB digitali ad alta velocità, è necessario mescolare i modelli di cui sopra per stabilire il modello di trasmissione dei segnali chiave e dei segnali del sensore. Per i dispositivi passivi discreti è possibile ricercare il modello SPICE fornito dal produttore, oppure stabilire e utilizzare direttamente attraverso misure sperimentali un modello SPICE semplificato. Per i circuiti integrati digitali critici, occorre ricercare il modello IBIS fornito dal fabbricante. Attualmente, la maggior parte dei progettisti e produttori di IC sono in grado di fornire il modello IBIS richiesto insieme al chip attraverso il sito Web o altri mezzi. Per i circuiti integrati non critici, se non è possibile ottenere il modello IBIS del costruttore, è possibile selezionare anche un modello IBIS simile o predefinito in base alla funzione dei pin del chip. Naturalmente, un modello IBIS semplificato può essere stabilito anche mediante misurazioni sperimentali. Per la linea di trasmissione sulla scheda PCB, il modello SPICE semplificato della linea di trasmissione può essere utilizzato nella pre-analisi dell'integrità del segnale e nell'analisi dello spazio della soluzione e nell'analisi dopo il cablaggio, il modello SPICE completo della linea di trasmissione deve essere utilizzato secondo la progettazione del layout effettivo.

5. Combinazione di metodi di progettazione con software EDA esistente

Attualmente, non esiste software EDA integrato nel settore della progettazione di schede PCB per completare il metodo di progettazione di cui sopra, quindi deve essere realizzato attraverso la combinazione di alcuni strumenti software generali. Utilizzare il software SPICE generale (come PSPICE, HSPICE, ecc.) per creare modelli SPICE per dispositivi discreti e passivi e linee di trasmissione su PCB, eseguire il debug e verificare. Aggiungere il modello SPICE/IBIS ottenuto di ogni componente e linea di trasmissione al software di analisi generale dell'integrità del segnale, come SPECTRAQuest, HyperLynx, Tau, IS_Analyzer, ecc., stabilire il modello di analisi SI del segnale sulla scheda PCB ed effettuare i calcoli analitici di analisi dell'integrità del segnale. Utilizzare la funzione database del software di analisi SI, o utilizzare altri software di database generali, per organizzare e analizzare ulteriormente i risultati dell'operazione di simulazione per cercare uno spazio di soluzione ideale. Prendendo il valore limite dello spazio della soluzione come base della progettazione del circuito PCB e dei vincoli della progettazione del layout, il software EDA per la progettazione generale del PCB, come OrCAD, Protel, PADS, PowerPCB, Allegro e Mentor, viene utilizzato per completare la progettazione del circuito PCB e la progettazione del layout. Quando la progettazione del layout della scheda PCB è completata, i parametri del circuito di progettazione effettivo (come topologia, lunghezza, spaziatura, ecc.) possono essere estratti automaticamente o manualmente attraverso il software di progettazione del layout di cui sopra e rispediti al software di analisi dell'integrità del segnale precedente per il cablaggio. Quando la scheda PCB è prodotta, la correttezza di ogni modello e calcolo di simulazione può anche essere verificata dalla misurazione dello strumento sperimentale.

Il metodo di progettazione ha un forte significato pratico per la progettazione e lo sviluppo di schede PCB digitali ad alta velocità, che possono non solo migliorare efficacemente le prestazioni della progettazione del prodotto, ma anche ridurre notevolmente il ciclo di sviluppo del prodotto e ridurre i costi di sviluppo. È prevedibile che con il miglioramento continuo e il miglioramento del modello di analisi dell'integrità del segnale e dell'algoritmo di analisi di calcolo, il metodo di progettazione della scheda PCB basato sull'analisi del computer dell'integrità del segnale sarà sempre più applicato nella progettazione di prodotti elettronici.