PCB Tecnico - Progettazione di integrità del segnale del PCB dell'attrezzatura Gigabit

Questo articolo discute principalmente i problemi di progettazione dell'integrità del segnale che devono essere considerati nella trasmissione dei dati gigabit, e allo stesso tempo introduce l'uso di strumenti di progettazione PCB per risolvere questi problemi, come l'effetto pelle e la perdita dielettrica, l'influenza di vie e connettori, segnali differenziali e considerazioni di cablaggio, distribuzione di energia e controllo EMI, ecc.

Il rapido sviluppo della comunicazione e della tecnologia informatica ha fatto entrare nel campo gigabit la progettazione PCB ad alta velocità. L'applicazione di nuovi dispositivi ad alta velocità consente di trasmettere velocità così elevate su lunghe distanze sul backplane e sulla scheda singola. Allo stesso tempo, progettazione PCB I problemi di integrità del segnale (SI), integrità dell'alimentazione e compatibilità elettromagnetica sono anche più importanti. L'integrità del segnale si riferisce alla qualità del segnale trasmesso sulla linea di segnale. I problemi principali includono riflessione, oscillazione, temporizzazione, rimbalzo al suolo e crosstalk. La scarsa integrità del segnale non è causata da un singolo fattore, ma da una combinazione di più fattori nella progettazione a livello di scheda. Nella progettazione della scheda PCB di apparecchiature gigabit, una buona progettazione di integrità del segnale richiede agli ingegneri di considerare pienamente le questioni dei componenti, degli schemi di interconnessione delle linee di trasmissione, della distribuzione di energia e dell'EMC. Gli strumenti EDA di progettazione PCB ad alta velocità si sono evoluti dalla verifica pura della simulazione a una combinazione di progettazione e verifica, aiutando i progettisti a stabilire le regole all'inizio della progettazione per evitare errori invece di trovare problemi in seguito nella progettazione. Man mano che la velocità dei dati diventa più alta e la progettazione diventa sempre più complessa, gli strumenti di analisi del sistema PCB ad alta velocità diventano più necessari. Questi strumenti includono analisi di temporizzazione, analisi dell'integrità del segnale, analisi di scansione dei parametri dello spazio di progettazione, progettazione EMC, analisi della stabilità del sistema di alimentazione, ecc. Qui ci concentreremo su alcuni problemi che dovrebbero essere presi in considerazione nell'analisi dell'integrità del segnale nella progettazione PCB dei dispositivi gigabit.

Dispositivi ad alta velocità e modelli di dispositivi

Sebbene i fornitori di componenti Gigabit che trasmettono e ricevono forniscano informazioni di progettazione sul chip, c'è anche un processo per il fornitore di componenti per comprendere l'integrità del segnale del nuovo dispositivo, quindi le linee guida di progettazione fornite dal fornitore di componenti potrebbero non essere mature. Sì, i vincoli di progettazione forniti dal fornitore del dispositivo sono di solito molto severi ed è molto difficile per l'ingegnere di progettazione soddisfare tutte le regole di progettazione. Pertanto, è necessario che gli ingegneri dell'integrità del segnale utilizzino strumenti di analisi di simulazione per analizzare le regole di vincolo del fornitore e la progettazione effettiva, indagare e ottimizzare la selezione dei componenti, la topologia, lo schema di corrispondenza e il valore dei componenti corrispondenti e infine sviluppare per garantire l'integrità del segnale PCB layout e regole di routing. Pertanto, l'analisi accurata della simulazione dei segnali gigabit è diventata molto importante e anche il ruolo dei modelli di dispositivi nell'analisi dell'integrità del segnale è stato prestato sempre più attenzione.

Il modello componente di solito include un modello IBIS e un modello Spice. Poiché la simulazione a livello di scheda si preoccupa solo della risposta del segnale dai pin di uscita ai pin di ingresso attraverso il sistema di interconnessione e i produttori di IC non vogliono perdere informazioni dettagliate sul circuito all'interno del dispositivo, e il tempo di simulazione del modello Spice a livello di transistor è solitamente insopportabile, quindi il modello IBIS è utilizzato nei PCB ad alta velocità. Il campo di progettazione è gradualmente accettato da sempre più produttori di dispositivi e ingegneri di integrità del segnale.

Per la simulazione di sistemi PCB per apparecchiature gigabit, gli ingegneri spesso mettono in discussione l'accuratezza del modello IBIS. Quando il dispositivo funziona nella regione di saturazione e cut-off del transistor, il modello IBIS manca di informazioni dettagliate sufficienti per descriverlo. Nella regione non lineare della risposta transitoria, i risultati della simulazione con il modello IBIS non possono produrre informazioni accurate di risposta come il modello a livello di transistor. Tuttavia, per i dispositivi di tipo ECL, è possibile ottenere un modello IBIS molto coerente con i risultati della simulazione del modello a livello di transistor. La ragione è semplice. Il driver ECL funziona nella regione lineare del transistor e la forma d'onda di uscita è più vicina alla forma d'onda ideale. Secondo lo standard IBIS, può essere più preciso. Modello IBIS.

Con l'aumento della velocità di trasmissione dei dati, i dispositivi differenziali sviluppati sulla base della tecnologia ECL sono stati notevolmente sviluppati. Gli standard LVDS e CML ecc. consentono di trasmettere segnali gigabit. Si può vedere dalla discussione precedente che lo standard IBIS è ancora adatto per la progettazione di sistemi gigabit a causa della struttura del circuito e della corrispondente applicazione della tecnologia differenziale. Alcuni articoli di applicazione pubblicati del modello IBIS in 2.5GbpsLVDS e CML design dimostrano anche questo punto.

Poiché il modello IBIS non è adatto per descrivere circuiti attivi, per molti dispositivi Gbps con circuiti pre-enfasi per la compensazione delle perdite, il modello IBIS non è adatto. Pertanto, nella progettazione di un sistema gigabit, il modello IBIS può funzionare efficacemente solo nelle seguenti condizioni:

1. I dispositivi differenziali funzionano nell'area di amplificazione (curva V-I lineare)

2. Il dispositivo non ha circuito di pre-enfasi attivo

3. Il dispositivo ha un circuito di pre-enfasi ma non si avvia (l'attivazione della funzione pre-enfasi in un sistema interconnesso corto può portare a risultati peggiori)

4. Il dispositivo ha un circuito passivo di pre-enfasi, ma il circuito può essere separato dalla matrice del dispositivo.

Quando la velocità dei dati è di 10 Gbps o superiore, la forma d'onda di uscita è più simile a un'onda sinusoidale e quindi il modello Spice è più applicabile.

Effetto di perdita

Quando la frequenza del segnale aumenta, l'attenuazione sulla linea di trasmissione non può essere ignorata. In questo momento, è necessario considerare la perdita causata dalla resistenza equivalente del conduttore in serie e la conduttanza equivalente del mezzo in parallelo, e il modello di linea di trasmissione lossy deve essere utilizzato per l'analisi.

Il modello equivalente di una linea di trasmissione in perdita è illustrato nella figura 1. Si può vedere dalla figura che la resistenza di serie equivalente R e l'equivalente conduttanza parallela G stanno caratterizzando la perdita. La resistenza di serie equivalente R è la resistenza causata dalla resistenza DC e dall'effetto pelle. La resistenza DC è la resistenza del conduttore stesso, che è determinata dalla struttura fisica del conduttore e dalla resistività del conduttore. Quando la frequenza aumenta, l'effetto della pelle inizia a funzionare. L'effetto pelle è un fenomeno in cui la corrente del segnale nel conduttore si concentra sulla superficie del conduttore quando un segnale ad alta frequenza passa attraverso il conduttore. All'interno del conduttore, la densità di corrente del segnale decade esponenzialmente lungo la sezione trasversale del conduttore, e la profondità alla quale la densità di corrente diminuisce all'1/e originale è chiamata profondità della pelle. Maggiore è la frequenza, minore è la profondità della pelle, con conseguente aumento della resistenza del conduttore. La profondità della pelle è inversamente proporzionale alla radice quadrata della frequenza.

La conduttanza parallela equivalente G è chiamata anche perdita dielettrica (DielettricLoss). Alle basse frequenze, la conduttanza parallela equivalente è correlata alla conducibilità di massa e alla capacità equivalente del mezzo e quando la frequenza aumenta, l'angolo di perdita dielettrica inizia a svolgere un ruolo guida. In questo momento, la conducibilità dielettrica è determinata dall'angolo di perdita dielettrica e dalla frequenza del segnale.

In generale, quando la frequenza è inferiore a 1GHz, la perdita dell'effetto cutaneo gioca un ruolo importante e quando la frequenza è superiore a 1GHz, la perdita dielettrica domina.

Nel software di simulazione, è possibile impostare la costante dielettrica, l'angolo di perdita dielettrica, la conducibilità del conduttore e la frequenza di taglio. Il software prenderà in considerazione l'effetto della pelle e la perdita dielettrica secondo la struttura della linea di trasmissione durante la simulazione. Se l'attenuazione è simulata, la frequenza di taglio corrispondente deve essere impostata in base alla larghezza di banda del segnale. La larghezza di banda è determinata dalla velocità di bordo del segnale. La velocità di bordo di molti segnali 622MHz e segnali 2.5GHz non è molto diversa. Inoltre, l'equivalente può essere visto nel modello di linee di trasmissione lossy. Resistenza e conduttanza variano in base alla frequenza.

Si può vedere dalla Figura 2 che la perdita rallenta il bordo ascendente del segnale, cioè riduce la larghezza di banda del segnale e la perdita riduce l'ampiezza del segnale. D'altra parte, questo è buono per sopprimere l'overshoot del segnale.

Anche il crosstalk della linea di trasmissione influisce sulla perdita. Il crosstalk è determinato dalla struttura fisica della linea di trasmissione, dalla lunghezza di accoppiamento, dalla forza del segnale e dalla velocità del bordo. Dopo una certa lunghezza, il crosstalk si satura, ma la perdita non aumenterà necessariamente.

Influenza di vie e connettori

I Vias trasmettono il segnale all'altro lato della scheda. La parte metallica verticale tra le schede è impedenza incontrollabile e il punto di flessione da orizzontale a verticale è un punto di rottura, che causerà la riflessione, quindi il suo aspetto dovrebbe essere minimizzato (Figura 3).

Nella progettazione e nella simulazione di un sistema gigabit, l'influenza dei vias deve essere considerata e un modello via è richiesto. La struttura del modello della via è sotto forma di resistenza di serie R, di induttanza L e di capacità parallela C. Secondo le applicazioni specifiche e i requisiti di precisione, le strutture RLC multiple possono essere utilizzate in parallelo e l'accoppiamento con altri conduttori può essere considerato. In questo momento, il modello via è una matrice.

Esistono due metodi per ottenere il modello via. Uno è quello di ottenerlo attraverso test, come TDR, e l'altro può essere estratto da un estrattore di campo 3D (FieldSolver) basato sulla struttura fisica della via.

I parametri del modello sono correlati al materiale, alla pila, allo spessore, alla dimensione del pad/anti-pad del PCB e al metodo di connessione del cavo ad esso collegato. Il software estrarrà il modello della via secondo l'algoritmo corrispondente e prenderà in considerazione la sua influenza durante la simulazione.

Nella progettazione del PCB del sistema gigabit, l'influenza del connettore dovrebbe essere particolarmente considerata. Lo sviluppo della tecnologia dei connettori ad alta velocità può già garantire la continuità dell'impedenza e del piano di terra durante la trasmissione del segnale. L'analisi di simulazione del connettore nella progettazione è principalmente Utilizzare un modello multi-linea.

Il modello multilinea del connettore è un modello estratto in uno spazio tridimensionale considerando l'accoppiamento di induttanza e capacità tra i pin. Il modello multi-linea del connettore utilizza generalmente un estrattore di campo tridimensionale per estrarre la matrice RLGC, che è generalmente sotto forma di un sub-circuito modello Spice. A causa della complessa struttura del modello, ci vuole molto tempo per l'estrazione e l'analisi della simulazione. Nel software SpectraQuest, è possibile modificare il modello Spice del connettore in un modello Espice, assegnarlo al dispositivo o chiamarlo direttamente, oppure modificarlo in un modello di pacchetto in formato DML e assegnarlo al dispositivo.

Considerazioni di segnale differenziale e cablaggio

Il segnale differenziale ha i vantaggi di forte anti-interferenza e di alta velocità di trasmissione. Nella trasmissione del segnale gigabit, può ridurre meglio l'influenza del crosstalk e dell'EMI. Le sue forme di accoppiamento includono accoppiamento bordo e accoppiamento superiore e inferiore, accoppiamento sciolto e accoppiamento stretto.

Rispetto all'accoppiamento superiore e inferiore, l'accoppiamento del bordo presenta i vantaggi di una migliore riduzione del crosstalk, cablaggio conveniente, elaborazione semplice, ecc., e l'accoppiamento superiore e inferiore sono più spesso applicati a schede PCB con alta densità di cablaggio. Rispetto all'accoppiamento allentato, l'accoppiamento stretto ha una migliore capacità anti-interferenza e può ridurre il crosstalk, mentre l'accoppiamento allentato può controllare meglio la continuità dell'impedenza differenziale della traccia.

Specifiche regole di routing differenziale dovrebbero considerare l'impatto delle differenze di continuità dell'impedenza, perdita, crosstalk e lunghezza della traccia a seconda delle diverse situazioni. È meglio utilizzare diagrammi oculari per analizzare i risultati della simulazione per linee differenziali. Il software di simulazione può impostare il codice di sequenza casuale per generare il diagramma oculare e può inserire i parametri di jitter e offset per analizzare il suo impatto sul diagramma oculare.

Distribuzione dell'energia e EMC

L'aumento della velocità di trasmissione dei dati è accompagnato da una velocità di bordo più veloce ed è necessario garantire la stabilità dell'alimentazione in una banda di frequenza più ampia. Un sistema ad alta velocità può passare una corrente transitoria 10A e richiede un ripple massimo dell'alimentazione elettrica di 50mV, il che significa che l'impedenza della rete di distribuzione dell'energia entro un certo intervallo di frequenza deve essere entro 5mΩ. Ad esempio, il tempo di aumento del segnale è inferiore a 0,5ns. L'intervallo di banda è fino a 1,0GHz.

Nella progettazione di un sistema gigabit, è necessario evitare l'interferenza del rumore sincrono (SSN) e garantire che il sistema di distribuzione dell'energia abbia un'impedenza inferiore all'interno della larghezza di banda. Generalmente, nella banda a bassa frequenza, i condensatori di disaccoppiamento sono utilizzati per ridurre l'impedenza e nella banda ad alta frequenza, l'alimentazione elettrica e la distribuzione del piano di terra sono principalmente considerati. La figura 4 mostra il diagramma di risposta in frequenza dei cambiamenti di impedenza quando i condensatori di disaccoppiamento sono presi in considerazione per gli strati di potenza e piano di terra e quando i condensatori di disaccoppiamento non sono presi in considerazione.

Il software SpectraQuest può analizzare l'impatto del rumore sincrono causato dalla struttura del pacchetto. Il software PowerIntegrity (PI) utilizza l'analisi del dominio di frequenza del sistema di distribuzione dell'energia, che può analizzare efficacemente il numero e la posizione dei condensatori di disaccoppiamento e gli effetti dei piani di potenza e terra, aiutando gli ingegneri a effettuare la selezione e il posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento, il cablaggio e l'analisi della distribuzione piana.