PCB Tecnico - Ricerca sulla progettazione e l'analisi della simulazione PCB basata sulla teoria dell'integrità del segnale

Attualmente, l'ingegneria e la ricerca relativi all'integrità del segnale (SI) in patria e all'estero è ancora un argomento immaturo, e i suoi metodi di analisi e pratiche non sono ben perfezionati, ed è ancora in fase di esplorazione continua. Nel metodo di progettazione PCB basato sull'analisi del computer di integrità del segnale, la parte più centrale è l'istituzione del modello di integrità del segnale a livello di scheda PCB, che è la differenza principale dal metodo di progettazione tradizionale. L'accuratezza del modello SI determinerà la correttezza del progetto e la realizzabilità del modello SI determinerà la fattibilità di questo metodo di progettazione.

I problemi nella progettazione di circuiti digitali ad alta velocità si riflettono in modo evidente nei seguenti tipi: (1) L'aumento della frequenza operativa e la riduzione del tempo di aumento / caduta del segnale ridurranno il margine di temporizzazione del sistema di progettazione e persino causeranno problemi di temporizzazione; (2) effetti della linea di trasmissione L'oscillazione del segnale risultante, l'overshoot e il sottoshoot rappresenteranno tutti una grande minaccia per la tolleranza ai guasti, la tolleranza al rumore e la monotonia del sistema progettato; (3) Dopo che il tempo di bordo del segnale scende a 1 ns, il crosstalk tra i segnali diventa molto serio. Un problema importante; (4) Quando il tempo del bordo del segnale è vicino a 0,5ns, anche il problema di stabilità del sistema di alimentazione e il problema di interferenza elettromagnetica (EMI) diventano molto prominenti.

In un sistema ad alta velocità, se l'interconnessione del segnale del sistema può essere gestita bene e il problema dell'integrità del segnale può essere risolto è la chiave per il successo della progettazione del sistema. Allo stesso tempo, l'integrità del segnale è anche la base e il prerequisito per risolvere problemi di integrità dell'alimentazione, compatibilità elettromagnetica e interferenza elettromagnetica (EMC/EMI).

Effetti ad alta frequenza e teoria delle linee di trasmissione

Effetto ad alta frequenza

Nel caso di effetto cutaneo ad alta frequenza, le onde elettromagnetiche si attenuano bruscamente quando entrano in un buon conduttore. Anche a una distanza inferiore a una lunghezza d'onda in un buon conduttore, l'onda elettromagnetica è stata significativamente attenuata, quindi i campi elettromagnetici ad alta frequenza possono esistere solo su una superficie di un buon conduttore. Nello strato sottile, questo fenomeno è chiamato effetto pelle. La profondità dell'attenuazione dell'intensità del campo d'onda elettromagnetico a 1/e della superficie è la profondità della pelle

La formula 1 spiega: maggiore è la conducibilità elettrica, migliore è la conducibilità elettrica, maggiore è la frequenza di lavoro, minore è la profondità della pelle, che fa sì che la resistenza alle alte frequenze sia molto maggiore della resistenza alle basse frequenze o DC. Quando l'effetto di prossimità è nell'interferenza elettromagnetica reciproca tra più conduttori portatori di corrente, la distribuzione corrente della sezione trasversale di ciascun conduttore portatore di corrente è diversa da quella di un conduttore portatore di corrente isolato. Quando ci sono due conduttori adiacenti che trasportano correnti in direzioni opposte, la densità di corrente è la più grande nei punti più vicini sui due lati che sono vicini l'uno all'altro; quando le direzioni di corrente dei due conduttori di corrente sono uguali, la densità di corrente sui due lati esterni è la più piccola. In generale, l'effetto di prossimità aumenta la resistenza equivalente e diminuisce l'induttanza.

Teoria della linea di trasmissione

Una linea di trasmissione generalizzata è un conduttore, un mezzo o un sistema di guida composto da essi che guida la trasmissione delle onde elettromagnetiche in una certa direzione. La linea di trasmissione generalmente discussa si riferisce alla linea di trasmissione a microonde e la sua teoria è la teoria della lunga linea. Quando la dimensione geometrica della linea di trasmissione è paragonabile alla lunghezza d'onda dell'onda elettromagnetica, devono essere presi in considerazione i parametri di distribuzione (o i parametri parassitari) della linea di trasmissione. Nella progettazione di circuiti digitali o a radiofrequenza ad alta velocità e nella progettazione di simulazione di circuiti ad alta velocità, molti fenomeni elettromagnetici devono essere spiegati utilizzando la teoria della linea di trasmissione. La teoria della linea di trasmissione è la base per lo studio dei circuiti digitali ad alta velocità (o radiofrequenza).

Quando la velocità o la frequenza del segnale di trasmissione raggiunge un certo livello, devono essere considerati i parametri di distribuzione sul canale del segnale di trasmissione. Prendendo come esempio i doppi fili paralleli, l'effetto pelle su di essi aumenta l'impedenza RF per unità di lunghezza. Quando raggiunge la gamma di radiofrequenza, il campo magnetico intorno alle doppie linee parallele è molto forte e la sua induttanza parassitaria deve essere considerata e il campo elettrico tra le doppie linee parallele dovrebbe essere equivalente a un condensatore. Allo stesso tempo, il fenomeno di perdita tra i fili dovrebbe essere considerato quando la frequenza è alta. Quindi il circuito equivalente di una linea di trasmissione di lunghezza unitaria può essere composto da elementi R, L, G, C 4, come mostrato nella Figura 1.

Figura 1 Circuito equivalente della linea di trasmissione di lunghezza unitaria

Secondo la legge di Kirchhoff, l'equazione della linea di trasmissione può essere espressa come

Pertanto, la soluzione generale dell'equazione della linea di trasmissione può essere scritta come

Nella formula: V+, V-, I+, I- sono le costanti di ampiezza dell'onda di tensione e dell'onda corrente, rispettivamente, e + e-rispettivamente rappresentano la direzione di trasmissione dell'onda incidente (+Z) e l'onda riflessa (-Z). La costante di propagazione C è definita come

Nella formula: A è la costante di attenuazione; B è la costante di fase. La tensione e la corrente in un punto della linea di trasmissione sono la sovrapposizione dell'onda incidente e l'onda riflessa, rispettivamente. La tensione e la corrente in qualsiasi punto dell'asse Z sono espressi come

La formula di cui sopra mostra che l'onda di tensione e l'onda corrente trasmesse su una linea di trasmissione sono funzioni di tempo e distanza di trasmissione.

Teoria integrata delle linee di trasmissione

Le linee di trasmissione integrate includono linee microtrip, linee di strip, linee accoppiate e varie guide d'onda complanari. La linea Microstrip è attualmente la linea di trasmissione planare più utilizzata nei circuiti integrati ibridi a microonde e nei circuiti integrati monolitici a microonde. Può essere utilizzato per la produzione di programmi litografici ed è facile da integrare con altri circuiti passivi a microonde e dispositivi attivi a microonde per realizzare l'integrazione di componenti e sistemi a microonde. La linea del segnale della linea microstrip è sullo strato esterno e lo strato di terra è dall'altro lato della linea del segnale, che è facile da testare.

La linea di striscia, nota anche come linea a tre piastre, è composta da due strisce conduttrici rettangolari a sezione trasversale e un mezzo uniforme o aria viene riempito tra le piastre di messa a terra. La linea di segnale della stripline è racchiusa tra due strati di potenza. In teoria, può trasmettere il segnale meglio perché è schermato dallo strato di potenza su entrambi i lati. Ma nasconde la linea di segnale all'interno e non è favorevole al test.

Teoria dell'integrità del segnale

L'integrità del segnale (SI) studia principalmente i problemi di qualità e temporizzazione dopo la trasmissione del segnale lungo il filo. Generalmente, i problemi di integrità del segnale che devono essere risolti includono: (1) riflessione, causata da disallineamento di impedenza; (2) crosstalk, causato dall'accoppiamento di segnali adiacenti; (3) overshoot e undershoot; (4) squillo, prestazione Per il segnale oscillare ripetutamente, può essere soppresso dalla terminazione corretta; (5) rumore di rimbalzo del piano di terra e rumore di commutazione, per i dispositivi ad alta velocità, un gran numero di segnali del bus dati capovolgono rapidamente e il cambiamento corrente attraverso il circuito di terra porta a un piano di terra non ideale; (6) Distribuzione di energia. Per i circuiti ad alta velocità, il controllo dell'impedenza del piano di potenza/terra è la chiave per la progettazione del sistema; (7) Problemi di tempistica. Per i progetti ad alta velocità, il ritardo di propagazione del segnale, l'offset dell'orologio e il jitter sono sufficienti per causare il corretto giudizio dei dati; (8) I problemi dell'IME comprendono la radiazione elettromagnetica e l'immunità. Risolvere i problemi EMI nella progettazione PCB è il collegamento più importante nel controllo EMI del sistema e il costo è il più basso.

Modello di simulazione e metodo di modellazione

Modello di simulazione SPICE e metodo di modellazione

SPICE (programma di simulazione con enfasi del circuito integrato) è un programma generale di analisi del circuito che può analizzare e simulare varie caratteristiche del circuito in condizioni generali.

Il programma SPICE può sostituire le funzioni dell'intero laboratorio elettronico come breadboard e oscilloscopi. Il programma SPICE ha una vasta libreria di dispositivi, tra cui: (1) modelli passivi di dispositivi, come resistenze, condensatori, induttori, linee di trasmissione, ecc.; (2) Modelli dei dispositivi a semiconduttore, quali diodi, transistor, transistor effetto campo di giunzione e campi MOS. Tubo effetto, ecc.; (3) Vari alimentatori, tra cui sorgenti controllate lineari e non lineari, quali fonti di tensione indipendenti, fonti di corrente, fonti di tensione controllate, fonti di corrente, ecc.; (4) A/D, D/A interfaccia di conversione Circuito e libreria del dispositivo del circuito digitale.

Il metodo di modellazione del modello SPICE utilizza solitamente due tipi di dispositivi, uno è componenti discreti e l'altro è chip. A seconda del tipo di dispositivo, vengono adottati due metodi di modellazione del circuito.

1) Modello di base del dispositivo. Ad esempio: resistenze, condensatori, induttori, triodi ordinari, ecc. Queste sono le unità più basilari che compongono un circuito. Il metodo fisico è solitamente utilizzato per modellare, cioè il modello del dispositivo è stabilito con l'equazione che descrive le proprietà fisiche del dispositivo come punto di partenza. I modelli dello stesso dispositivo con frequenze di funzionamento diverse sono diversi.

2) Modello del dispositivo del sub-circuito del chip. I chip sono solitamente composti da alcuni componenti di base, e ogni componente di unità di base e la sua relazione di connessione sono trasformati in sub-circuiti sotto forma di netlist, che possono essere chiamati da altri circuiti per formare un modello di sub-circuito di un chip. Di solito il metodo della scatola nera (Blackbox) viene utilizzato per modellare, cioè, il dispositivo è considerato come una scatola nera, concentrandosi sulle caratteristiche di lavoro della porta e usandolo per formare un modello.

Modello di simulazione IBIS e struttura del modello

IBIS (input/output buffer information specifikation) input/output buffer information, è l'informazione standard del modello di un componente. Il modello IBIS è un metodo per modellare rapidamente e accuratamente i buffer I/O basati sulla curva V/I. Si tratta di uno standard internazionale che riflette le caratteristiche elettriche della guida e ricezione del chip. Fornisce un formato di file standard per registrare come unità. Parametri quali impedenza di uscita, tempo di salita/caduta e carico di uscita sono molto adatti per il calcolo e la simulazione di effetti ad alta frequenza come suoneria e crosstalk.

Il modello IBIS è un modello utilizzato per descrivere le caratteristiche delle informazioni sul buffer I/O. La descrizione del comportamento di una porta di uscita e di ingresso può essere scomposta in una serie di semplici moduli funzionali e un modello IBIS completo può essere stabilito da questi semplici moduli funzionali., Ovvero, gli elementi di base di un'unità buffer, compresi i parametri parassitari (terminale di ingresso, uscita o abilitazione) portati dal pacchetto, la capacità parassitaria del silicio stesso, il circuito di protezione di incorporazione di potenza o terra, la soglia e la logica di abilitazione, circuiti Pull-up e pull-down, ecc.

Esempi di simulazione PCB e analisi dei risultati

Impostazione dei parametri pertinenti per la simulazione di schede PCB

Ci sono due tipi di simulazione di circuiti stampati: simulazione di linea e simulazione a livello di scheda. La simulazione di linea può aiutare i progettisti a regolare il layout dei componenti, pianificare le reti di clock di sistema e determinare la strategia di terminazione delle reti di linea chiave prima del routing in base ai requisiti per l'integrità del segnale e la tempistica durante la progettazione, monitorare la progettazione durante il processo di routing e feedback sul routing in qualsiasi momento Effetto. La simulazione a livello di scheda viene solitamente eseguita dopo che la progettazione PCB è fondamentalmente completata. L'influenza di questi fattori sul SI e l'influenza reciproca di questi fattori come le prestazioni elettriche, EMC, termiche e meccaniche possono essere prese in considerazione in modo completo, in modo da effettuare analisi e verificare reali a livello di sistema. Durante l'esecuzione della simulazione, caricare prima il modello di simulazione del componente, quindi eseguire la pre-simulazione per determinare le impostazioni dei parametri e alcune condizioni di vincolo richieste nel processo di cablaggio. Quindi, controllare l'effetto del cablaggio attraverso la simulazione della linea in qualsiasi momento durante il processo di cablaggio effettivo e infine Dopo che il cablaggio è fondamentalmente completato, viene eseguita la simulazione a livello di scheda per controllare le prestazioni del sistema [6]. L'esempio in questo articolo è l'analisi di simulazione di riflessione del ricetrasmettitore ottico pluggable SFP (piccolo fattore di forma) piccolo fattore di forma.

Esempi di simulazione e analisi dei risultati

Il modello di simulazione è stabilito dopo che la progettazione schematica del modulo ricetrasmettitore ottico SFP è completata, la progettazione della scheda PCB dovrebbe essere avviata. Poiché la frequenza di lavoro del modulo ricetrasmettitore ottico SFP è impostata a 1.25Gbit/s, la velocità dei dati è molto alta e la lunghezza della traccia differenziale è molto lunga, quindi la corrispondenza di impedenza della linea di trasmissione microtrip deve essere utilizzata per ridurre la riflessione alla sorgente e al terminale, quindi Garantire la qualità del segnale. Secondo i dati chip di MAX3748 nel diagramma schematico, l'impedenza di uscita singola della linea differenziale è 50Ω, e secondo il protocollo SFP-MSA, l'impedenza differenziale della porta RD+/- sulla scheda madre è 100Ω. Secondo la teoria delle linee differenziali, in assenza di accoppiamento, l'impedenza differenziale di due linee di trasmissione parallele microtrip è pari al doppio dell'impedenza monoestremità. Pertanto, per la corrispondenza deve essere utilizzata una linea di trasmissione con un'impedenza caratteristica di 50Ω . Estrarre la topologia della rete di interconnessione tra MAX3748 e connettore J1 come mostrato nella Figura 2. Poiché J1 è un connettore, non ci sono dati IBIS corrispondenti che possono essere chiamati. Pertanto, al fine di rendere possibile la simulazione, caricare un ricevitore differenziale DIN1 che viene fornito con il sistema a J1. E imposta la frequenza di lavoro corrispondente.

Figura 2 Struttura topologica dell'interconnessione tra MAX3748 e J1

Attraverso l'analisi dei risultati della simulazione, la qualità del segnale non soddisfa i requisiti di progettazione. I problemi principali sono i seguenti: (1) Non linearità nei bordi in salita e in caduta; (2) Alcuni eccessi e sottoshoot nella forma d'onda; (3) La velocità di bordo diventa più lenta. Alla luce dei problemi di cui sopra, attraverso un'ulteriore analisi del circuito, si scopre che questi fenomeni sono causati da due fattori. 1) Poiché il modulo ricetrasmettitore ottico SFP utilizza principalmente linee differenziali per la trasmissione del segnale, secondo il protocollo SFP-MSA, l'impedenza differenziale sulla scheda madre è 100Ω. Inoltre, l'impedenza dell'estremità di uscita differenziale del MAX3748 è 100Ω. Nella simulazione precedente, quando il sistema estraeva la topologia, l'impedenza predefinita era 60Ω microstrip line, che causava disallineamento di impedenza. 2) Poiché il terminale di ingresso differenziale del sistema è caricato dietro J1, quando è nello stato di impedenza elevata, è equivalente alla situazione del circuito aperto del terminale e c'è una grande riflessione.

Pertanto, al fine di garantire la qualità del segnale, è necessario eseguire la corrispondenza dell'impedenza. Impostare l'impedenza della linea di trasmissione differenziale a 100Ω. Secondo la teoria della linea di microscatto differenziale, utilizzando il software di calcolo della linea di trasmissione può calcolare la larghezza della linea differenziale per essere 15mil, la spaziatura della linea è 10mil e la corrispondente impedenza singola è di circa 62.5Ω. Poiché vi è un certo accoppiamento tra le linee differenziali, la linea di microscatto senza perdita nella struttura topologica della simulazione precedente è sostituita con la linea di microscatto effettiva lossy e accoppiata per l'analisi della simulazione. Allo stesso tempo, aggiungere una resistenza terminale di 50Ω all'alimentatore 3.3V nella topologia.

La topologia modificata è mostrata nella Figura 3.

Figura 3 Topologia modificata

Si può sapere dall'analisi della forma d'onda di simulazione e del diagramma oculare che il segnale ha relativamente buona integrità del segnale. L'ampiezza di overshoot del segnale è di circa 54mV, i bordi in salita e in caduta sono di circa 100ps e l'ampiezza di oscillazione del segnale differenziale di uscita raggiunge circa 850mV, che soddisfa i requisiti di uscita del segnale.