PCB Tecnico - Analisi dell'integrità del segnale della progettazione del layout del circuito ad alta velocità MCM

Abstract: Con l'aumento della densità di imballaggio e l'aumento della frequenza operativa, il problema di integrità del segnale nella progettazione del circuito MCM non può essere ignorato. Questo articolo prende come esempio il circuito del rivelatore. In primo luogo, la progettazione del layout del circuito viene realizzata utilizzando il software APD e quindi combinata con l'analisi dell'integrità del segnale, la struttura del layout del circuito viene regolata ripetutamente. I risultati finali della simulazione software Spectra Quest mostrano che il layout migliorato del circuito soddisfa i requisiti di integrità del segnale mantenendo un'elevata precisione di simulazione.

Parole chiave: componenti multi-chip; luogo e percorso; integrità del segnale; riflessione; ritardo

Con lo sviluppo della tecnologia del circuito integrato, la velocità di lavoro dei componenti multi-chip sta diventando sempre più elevata e l'elaborazione dei segnali ad alta velocità è diventata la chiave del successo della progettazione del circuito MCM. Quando il bordo in salita o in caduta del segnale dell'orologio è molto piccolo, causerà effetti della linea di trasmissione, cioè problemi di integrità del segnale.

Questo progetto prende il circuito del rivelatore come esempio ed elabora il metodo di progettazione del layout MCM utilizzando strumenti di analisi dell'integrità del segnale. In primo luogo, espandere la libreria delle parti imballate per soddisfare le esigenze di progettazione specifica del layout del circuito; quindi utilizzare il software APD (Advanced Package Designer) per chiamare direttamente i simboli dell'imballaggio dei componenti per completare il layout preliminare del circuito; Dopo che i risultati dell'analisi di simulazione dell'integrità del segnale sono stati ripetutamente regolati, il layout migliorato del circuito riduce la riflessione del segnale, il ritardo relativo del segnale in ingresso non supera 0,2ns e anche il fenomeno di interferenza elettromagnetica viene soppresso per soddisfare i requisiti di integrità del segnale.

Realizzazione software di MCM Place and Route

Come accennato in precedenza, la realizzazione del layout MCM include la generazione di diagrammi schematici del circuito, l'espansione della libreria delle parti e il layout finale e il completamento del routing e l'elaborazione dei file dati output. Il layout APD include cinque tipi: Padstack (*.pad), Simbolo pacchetto (*.psm), Simbolo meccanico (*.bsm), Simbolo formato (*.osm) e Simbolo forma (*.ssm). La libreria di pacchetti integrata del software di progettazione MCM spesso non può soddisfare i requisiti specifici di progettazione. Solo dopo l'espansione della libreria delle parti, le parti possono essere utilizzate direttamente per la progettazione del layout e l'output del file di processo finale. In primo luogo, utilizzare il software Padstack Editor per espandere la libreria di parti, quindi imballare il circuito ed esportare il file netlist di connessione elettrica nel software APD attraverso Concept HDL, e infine completare il layout del circuito. Nell'intero design sono definiti 16 Padstack e 81 simboli del pacchetto, Padstack è chiamato 251 volte e le unità funzionali sono chiamate 89 volte, tra cui 251 pin del simbolo del pacchetto componente e 229 pin dell'unità funzionale sono condivisi.

Va notato che nella progettazione specifica, se Orcad viene utilizzato per la progettazione preliminare del circuito, il file generato da Orcad deve essere convertito nel file mcm del software APD. Ma poiché il file mcm convertito ha un problema simile a brd, il software Concept HDL viene utilizzato per esportare il file netlist e quindi la topologia del cavo di rete viene estratta per la simulazione. Al fine di ridurre il tempo di simulazione, viene adottato un metodo di simulazione sotto-modulo.

Analisi di simulazione

Modello IBIS

Spectra Quest è lo stesso di altri software di analisi dei circuiti. Per ottenere risultati di simulazione accurati, è necessario fornire modelli elettrici accurati per i componenti del circuito. Il software Spectra Quest utilizza il modello IBIS. Il modello IBIS (Input/Output Buffer Information Specification) utilizza tabelle I/V e V/T per descrivere le caratteristiche delle unità I/O e dei pin. È un buffer I/O veloce e preciso basato sulla curva V/I. Il metodo del modello. Fornisce un formato di file standard per registrare parametri come impedenza di uscita del driver o del ricevitore, tempo di salita/caduta e carico in ingresso. Questi parametri sono letti da Spectra Quest. Il modello IBIS ha le informazioni necessarie per l'analisi dell'integrità del segnale ed è molto adatto per il calcolo e la simulazione di effetti ad alta frequenza come oscillazione e crosstalk.

Il Sigxplorer all'interno di Spectra Quest accetta il modello IBIS, e quindi lo converte in un linguaggio DML di modellazione design unico per completare la modellazione della complessa struttura I/O. Inoltre, il Constraint Manager di Sigxplorer può gestire i parametri utilizzati nella simulazione e incorporarli nei successivi vincoli di posizionamento e routing.

Analisi di riflessione

La riflessione, l'eco sulla linea di trasmissione, è causata dalla discontinuità dell'impedenza. Il disallineamento di impedenza tra la sorgente e il carico causerà riflessi sulla linea e il carico rifletterà parte della tensione di ritorno alla sorgente. Se l'impedenza di carico è inferiore all'impedenza di sorgente, la tensione riflessa è negativa; altrimenti, la tensione riflessa è positiva. La situazione ideale è che l'impedenza di uscita, l'impedenza della linea di trasmissione e l'impedenza di carico sono tutte uguali. In questo momento, l'impedenza della linea di trasmissione è continua e non si verifica alcuna riflessione. L'ampiezza del segnale di tensione riflesso è determinata dal coefficiente di riflessione della sorgente rS e dal coefficiente di riflessione del carico rL.

La chiave per risolvere la riflessione della linea di trasmissione è il controllo dell'impedenza. La corrispondenza dell'impedenza può sopprimere la riflessione della linea di trasmissione. Ci sono quattro metodi di terminazione corrispondenti: terminazione parallela, terminazione parallela equivalente Thevenin, terminazione CA e terminazione di serie. Qui, il metodo di terminazione parallela equivalente Thevenin viene utilizzato per controllare l'impedenza di ingresso del circuito del rivelatore e quindi viene estratta la topologia del circuito e le caratteristiche di trasmissione del circuito prima e dopo la terminazione corrispondente sono simulate rispettivamente.

Prima della terminazione, la forma d'onda è distorta sul bordo ascendente, che è facile causare il malfunzionamento. La terminazione corrispondente elimina efficacemente la distorsione del segnale e la monotonia è molto buona e il segnale originale viene tirato su al bordo ascendente e la commutazione di livello viene inserita in anticipo, il che aumenta il tempo di stato stazionario del segnale e il bordo ascendente del segnale è relativamente stabile. Sebbene vi sia un superamento nella fase di manutenzione ad alto livello, non ha alcun effetto sulla conferma del segnale e la qualità del segnale è ideale. Inoltre, la lunghezza della linea di trasmissione del segnale ha anche un certo effetto sulla riflessione. La simulazione ha scoperto che quando la linea di trasmissione era lunga, è apparso il fenomeno di riflessione previsto; quando la linea di trasmissione era corta, la forma d'onda di simulazione e il risultato dell'analisi erano in buon accordo. Pertanto, la lunghezza del cablaggio è diversa e il suo metodo di elaborazione dovrebbe essere diverso. In generale, se la lunghezza della traccia è inferiore a 2 pollici, è trattata come un circuito LC di parametro nodulo; se è superiore a 8 pollici, è trattato come un circuito di linea di trasmissione a parametri distribuiti.

Analisi dei ritardi

Con l'aumento della frequenza operativa del sistema, quando il segnale che sale o cade è molto ripido, il ritardo del cablaggio non può più essere ignorato. Svolge un ruolo vitale nella creazione e nella manutenzione del segnale, e può anche influenzare la tempistica del sistema e causare cattivo funzionamento, quindi deve essere considerato. La progettazione del circuito ad alta velocità MCM richiede che la deviazione di fase del chip di memoria non possa essere troppo grande, quindi il ritardo del cablaggio dall'estremità di azionamento all'estremità di ricezione dovrebbe essere approssimativamente uguale. La lunghezza della linea del segnale ha una grande influenza sulla qualità della trasmissione e può causare la distorsione del segnale durante il processo di trasmissione. La qualità della trasmissione del segnale peggiora man mano che aumenta la lunghezza della linea. Per linee di segnale troppo lunghe, il metodo di corrispondenza della sorgente o del terminale dovrebbe essere utilizzato per migliorare la qualità della trasmissione. Utilizzando gli strumenti di simulazione dell'integrità del segnale, è possibile simulare facilmente il ritardo dall'estremità dell'azionamento a ogni chip e quindi regolare il layout e il routing in base ai risultati della simulazione per soddisfare i requisiti predeterminati.

Ogni segnale del rivelatore dovrebbe mantenere il più possibile lo stesso ritardo di trasmissione, il che richiede che il cablaggio sia il più coerente possibile nella lunghezza. Per leggere differenze, il cablaggio può essere esteso o accorciato in base ai risultati della simulazione. Dopo aver completato il cablaggio, utilizzare il software Spectra Quest per simulare il ritardo di trasmissione del segnale in ingresso. I parametri specifici sono riportati nella tabella 2. Si può vedere che il ritardo relativo non supera 0,2ns e il risultato della simulazione è ideale.

Analisi EMI

L'analisi di cui sopra della riflessione del segnale e del ritardo nel dominio temporale, inoltre, EMI (interferenza elettromagnetica) è anche un aspetto importante della progettazione di circuiti ad alta velocità.

Le interferenze elettromagnetiche includono radiazioni elettromagnetiche eccessive e sensibilità alle radiazioni elettromagnetiche. Frequenza operativa troppo alta, cambi di segnale troppo veloci o layout e cablaggio irragionevoli possono causare effetti di interferenza elettromagnetica. Le simulazioni EMI sono state eseguite sui circuiti del rivelatore prima e dopo la corrispondenza del terminale modificando la strategia di cablaggio. Il rumore generato dal segnale continua da 0 a 2GHz, con una vasta gamma, e l'intensità di radiazione di ogni frequenza non è la stessa. L'intensità di radiazione di alcune frequenze supera il limite, vale a dire, l'interferenza elettromagnetica del segnale a questa frequenza ha superato la capacità del sistema di resistere. Eseguire il controllo dell'impedenza secondo il metodo di cui sopra e minimizzare la lunghezza del cablaggio. Si può vedere che l'onda di frequenza che supera il limite è scesa al di sotto della linea orizzontale, e l'intensità di radiazione di ogni punto di frequenza è stata ridotta e l'intera intensità di radiazione è stata ridotta. Ciò dimostra che per la trasmissione del segnale, la modifica della lunghezza del cablaggio e l'aggiunta di una rete di terminazione adeguata non solo migliora le caratteristiche di trasmissione del segnale, ma riduce anche l'intensità della radiazione elettromagnetica e migliora la qualità del segnale.

Osservazioni conclusive

Quando si progettano circuiti ad alta velocità, utilizzare in primo luogo modelli precisi del dispositivo per eseguire l'integrità del segnale e l'analisi di simulazione EMI delle funzioni di sistema per determinare il layout del circuito e quindi simulare per migliorare la rete di cablaggio fino a ottenere un risultato di cablaggio soddisfacente. Questo design simula e analizza principalmente i problemi di riflessione, ritardo e EMI del posizionamento e routing MCM nel dominio di tempo e frequenza in base alla tecnologia di progettazione del layout MCM, combinata con gli esempi di imballaggio del rivelatore, e ha ottenuto buoni risultati.