PCB Tecnico - Metodo di progettazione del PCB digitale ad alta velocità basato sull'analisi dell'integrità del segnale

Questo articolo introduce un metodo di progettazione della scheda PCB del segnale digitale ad alta velocità basato sull'analisi del computer di integrità del segnale. In questo metodo di progettazione, il modello di trasmissione del segnale a livello di scheda PCB è dapprima stabilito per tutti i segnali digitali ad alta velocità e quindi lo spazio della soluzione del progetto viene trovato attraverso il calcolo e l'analisi dell'integrità del segnale e infine il PCB è completato sulla base dello spazio della soluzione. Progettazione e verifica del bordo.

Man mano che la velocità di commutazione in uscita dei circuiti integrati aumenta e la densità delle schede PCB aumenta, l'integrità del segnale è diventata una delle questioni che devono essere interessate nella progettazione di PCB digitali ad alta velocità. Fattori come i parametri dei componenti e della scheda PCB, il layout dei componenti sulla scheda PCB e il cablaggio di segnali ad alta velocità causeranno problemi di integrità del segnale, con conseguente funzionamento instabile del sistema o addirittura nessuna operazione affatto.

Come considerare pienamente i fattori 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 della scheda PCB digitale ad alta velocità basato sull'analisi del computer di 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 nel circuito. Se il segnale nel circuito può raggiungere l'IC con la tempistica, la durata e l'ampiezza di tensione richiesti, il circuito ha una migliore integrità del segnale. Al contrario, quando il segnale non può rispondere normalmente, si verifica un problema di integrità del segnale. In generale, i problemi di integrità del segnale si manifestano principalmente in cinque aspetti: ritardo, riflessione, crosstalk, rumore di commutazione sincrona (SSN) e compatibilità elettromagnetica (EMI).

Ritardo significa che il segnale viene trasmesso a una velocità limitata sui fili della scheda PCB e il segnale viene inviato dall'estremità di invio all'estremità ricevente, durante il quale c'è un ritardo di trasmissione. Il ritardo del segnale avrà un impatto sulla tempistica del sistema. In un sistema digitale ad alta velocità, il ritardo di trasmissione dipende principalmente dalla lunghezza del filo e dalla costante dielettrica del mezzo che circonda il filo.

Inoltre, quando l'impedenza caratteristica dei fili sulla scheda PCB (denominate linee di trasmissione nei sistemi digitali ad alta velocità) non corrisponde all'impedenza di carico, una parte dell'energia sarà riflessa lungo la linea di trasmissione dopo che il segnale raggiunge l'estremità ricevente, causando la forma d'onda del segnale per essere distorta o addirittura segnale L'overshoot e sottoshoot. Se il segnale viene riflesso avanti e indietro sulla linea di trasmissione, produrrà l'oscillazione dell'anello e dell'anello.

Poiché c'è capacità reciproca e induttanza reciproca tra due dispositivi o fili sul PCB, quando un dispositivo o segnale su un filo cambia, il suo cambiamento influenzerà altri dispositivi o induttanza attraverso capacità e induttanza reciproche. Filo metallico, cioè crosstalk. La forza del crosstalk dipende dalle dimensioni geometriche e dalla distanza reciproca dei dispositivi e dei fili.

Quando molti segnali digitali sulla scheda PCB sono commutati in modo sincrono (come bus dati CPU, bus indirizzi, ecc.), a causa dell'impedenza della linea di alimentazione e della linea di terra, verrà generato rumore di commutazione sincrono e il rimbalzo del piano di terra si verificherà sulla linea di terra. Rumore (indicato come bomba a terra). La forza di SSN e rimbalzo a terra dipende anche dalle caratteristiche IO del circuito integrato, dall'impedenza dello strato di alimentazione e dello strato piano di terra della scheda PCB e dal layout e cablaggio dei dispositivi ad alta velocità sulla scheda PCB.

Inoltre, come altri dispositivi elettronici, i PCB hanno anche problemi di compatibilità elettromagnetica, che sono principalmente legati al layout e al cablaggio della scheda PCB.

2. Metodo tradizionale di progettazione del bordo PCB

Nel processo di progettazione tradizionale, la progettazione PCB consiste nella progettazione del circuito, progettazione del layout, produzione di PCB, misure e fasi di debug a sua volta. Nella fase di progettazione del circuito, a causa della mancanza di metodi e mezzi efficaci per analizzare le caratteristiche di trasmissione del segnale sulla scheda PCB effettiva, la progettazione del circuito può generalmente essere eseguita solo sulla base dei suggerimenti dei produttori di componenti ed esperti e dell'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 effettuare l'analisi e la valutazione in tempo reale dei cambiamenti delle prestazioni del segnale causati dal layout dei componenti PCB e dal cablaggio del segnale, quindi la qualità del design del layout dipende più dall'esperienza del progettista. Nella fase di produzione PCB, poiché i processi di ogni produttore di schede PCB e componenti non sono completamente 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 PCB tradizionale, 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, il processo di cui sopra di solito deve essere ripetuto molte volte per soddisfare finalmente i requisiti di progettazione.

Si può vedere che con il metodo tradizionale di progettazione PCB, il ciclo di sviluppo del prodotto è più lungo e il costo della ricerca e dello sviluppo è di conseguenza più alto.

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

Il processo di progettazione PCB basato sull'analisi del computer di integrità del segnale è mostrato nella Figura 2. Rispetto al metodo tradizionale di progettazione PCB, il metodo di progettazione basato sull'analisi dell'integrità del segnale ha le seguenti caratteristiche:

Prima della progettazione della scheda PCB, stabilire in primo luogo un modello di integrità del segnale per la trasmissione del segnale 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, il piano di progettazione viene inviato al modello SI per l'analisi dell'integrità del segnale e vengono calcolati e analizzati l'intervallo di tolleranza dei componenti e dei parametri della scheda PCB, le possibili modifiche della struttura topologica e dei parametri nella progettazione del layout PCB e altri fattori. Spazio soluzione.

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 PCB e componenti cambiano entro un certo intervallo, il layout dei componenti sulla scheda PCB e il cablaggio delle linee di segnale sulla scheda PCB hanno un certo grado di flessibilità, i requisiti per l'integrità del segnale possono ancora essere garantiti.

Prima che inizi la progettazione del layout PCB, il valore limite di ogni spazio della soluzione di segnale ottenuto viene utilizzato come condizione di vincolo del progetto di layout, che viene utilizzato come base di progettazione per il layout e il cablaggio del layout PCB.

Nel processo di progettazione del layout PCB, il progetto parzialmente completato 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 possono soddisfare i requisiti, è necessario modificare la progettazione del layout e persino la progettazione del circuito, che può ridurre il rischio di guasto del prodotto a causa di progettazione impropria.

Dopo che la progettazione PCB è completata, la scheda PCB può essere fatta. L'intervallo di tolleranza dei parametri di produzione della scheda PCB dovrebbe rientrare nell'intervallo dello spazio di soluzione dell'analisi dell'integrità del segnale.

Dopo la produzione della scheda PCB, lo strumento viene utilizzato per la misurazione e il debug per verificare la correttezza del modello SI e l'analisi SI, e utilizzare questo come base per correggere il modello.

Sulla base del modello SI corretto e del metodo di analisi, di solito la scheda PCB può essere completata senza o solo 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 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 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 PCB

Ci sono molti modelli che possono essere utilizzati per l'analisi dell'integrità del segnale a livello di scheda PCB nella progettazione elettronica. Tre dei più comunemente utilizzati sono 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 sono state derivate due versioni principali: HSPICE e PSPICE. HSPICE è utilizzato principalmente nella progettazione di circuiti integrati, mentre 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 viene fornita l'equazione del modello, il modello SPICE può essere strettamente collegato con l'algoritmo del simulatore e può essere ottenuta una migliore efficienza di analisi e risultati di analisi.

Quando si utilizza il modello SPICE per eseguire analisi SI a livello di scheda PCB, è necessario che il progettista e il produttore del circuito integrato forniscano una descrizione dettagliata e accurata del modello SPICE del sottocircuito dell'unità I/O del circuito integrato e dei parametri di produzione delle caratteristiche dei semiconduttori. Poiché questi materiali di solito appartengono alla proprietà intellettuale e alla riservatezza di progettisti e produttori, solo pochi produttori di semiconduttori forniranno modelli SPICE corrispondenti fornendo prodotti chip.

L'accuratezza dell'analisi del modello SPICE dipende principalmente dalla fonte dei parametri del modello (cioè dall'accuratezza dei dati) e dalla portata applicabile delle equazioni del modello. La combinazione di equazioni modello con vari simulatori digitali può anche influenzare l'accuratezza dell'analisi. Inoltre, il modello SPICE a livello di scheda PCB ha una grande quantità di calcolo di simulazione e l'analisi richiede relativamente tempo.

b. Modello IBIS

Il modello IBIS è stato originariamente sviluppato da Intel Corporation specificamente per l'analisi dell'integrità del segnale digitale a livello di scheda PCB e a livello di sistema. È ora gestito dall'IBIS Open Forum ed è diventato 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 unità di I/O del circuito integrato digitale e dei pin. Poiché il modello IBIS non ha bisogno di descrivere il design interno dell'unità I/O e dei parametri di produzione del transistor, è stato accolto e supportato dai produttori di semiconduttori. Ora tutti i principali produttori di circuiti integrati digitali possono fornire i corrispondenti modelli IBIS fornendo chip.

L'accuratezza dell'analisi del modello IBIS dipende principalmente dal numero di punti dati nelle tabelle I/V e V/T e dall'accuratezza dei dati. Poiché la simulazione a livello di scheda PCB basata sul modello IBIS utilizza calcoli di ricerca della tabella, la quantità di calcolo è piccola, 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 sono apparsi meno di 4 anni fa, e sono un nuovo 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.

Diverso dai modelli SPICE e IBIS, nel linguaggio AMS, spetta agli utenti scrivere 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 l'accuratezza di calcolo del modello AMS nell'analisi dell'integrità del segnale a livello di scheda PCB non sono inferiori ai modelli SPICE e IBIS.

4.2 Selezione del modello

Poiché non esiste un modello unificato per completare tutta l'analisi dell'integrità del segnale a livello di scheda PCB, nella progettazione di scheda PCB digitale ad alta velocità, è necessario mescolare i modelli sopra menzionati per stabilire il modello di trasmissione dei segnali chiave e dei segnali sensibili nella massima misura.

Per componenti passivi discreti, è possibile cercare il modello SPICE fornito dal produttore, oppure stabilire e utilizzare direttamente un modello SPICE semplificato attraverso misure sperimentali.

Per i circuiti integrati digitali chiave, deve essere richiesto il modello IBIS fornito dal fabbricante. Attualmente, la maggior parte dei progettisti e produttori di circuiti integrati possono fornire il modello IBIS richiesto fornendo chip attraverso siti Web o altri metodi.

Per i circuiti integrati non critici, se il modello IBIS del produttore non è disponibile, è possibile selezionare anche un modello IBIS simile o predefinito in base alla funzione dei pin del chip. Naturalmente, un modello IBIS semplificato può anche essere stabilito attraverso misure sperimentali.

Per la linea di trasmissione sulla scheda PCB, il modello semplificato SPICE della linea di trasmissione può essere utilizzato nella pre-analisi dell'integrità del segnale e nell'analisi della risoluzione dello spazio e il modello completo SPICE della linea di trasmissione deve essere utilizzato nell'analisi dopo il cablaggio secondo la progettazione effettiva del layout.

5. Combinazione di metodo di progettazione e software EDA esistente

Attualmente, non esiste software EDA integrato nel settore della progettazione PCB per completare il metodo di progettazione sopra menzionato, quindi deve essere realizzato attraverso la combinazione di alcuni strumenti software generali.

Utilizzare il software SPICE generale (come PSPICE, HSPICE, ecc.) per stabilire modelli SPICE per componenti discreti e passivi e linee di trasmissione sul PCB, eseguire il debug e verificarli.

Aggiungere i modelli SPICE/IBIS di vari componenti e linee di trasmissione che sono stati ottenuti al software generale di analisi dell'integrità del segnale, come SPECTRAQuest, HyperLynx, Tau, IS_Analyzer, ecc., stabilire il modello di analisi SI del segnale sulla scheda PCB ed eseguire l'analisi dell'integrità del segnale e il calcolo del sesso.

Utilizzare la funzione database fornita con il software di analisi SI o utilizzare altri software di database per scopi generali, per ordinare e analizzare ulteriormente i risultati dell'operazione di simulazione e cercare lo spazio di soluzione ideale.

Prendendo il valore limite dello spazio della soluzione come base della progettazione del circuito PCB e della condizione di vincolo della progettazione del layout, il software EDA generale di progettazione PCB come OrCAD, Protel, PADS, PowerPCB, Allegro e Mentor sono utilizzati per completare la progettazione e la progettazione del layout dei circuiti PCB.

Una volta completata la progettazione del layout del PCB, 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 inviati al software di analisi dell'integrità del segnale precedente per il cablaggio.

Dopo la produzione della scheda PCB, la correttezza di ogni modello e calcolo di simulazione può essere verificata attraverso la misurazione di strumenti sperimentali.

Sintesi di questo articolo:

Questo metodo di progettazione ha un forte significato pratico per la progettazione e lo sviluppo di schede PCB digitali ad alta velocità, non solo può migliorare efficacemente le prestazioni della progettazione del prodotto, ma può anche ridurre notevolmente il ciclo di sviluppo del prodotto e ridurre i costi di sviluppo. È prevedibile che con il continuo miglioramento e miglioramento dei modelli di analisi dell'integrità del segnale e degli algoritmi di calcolo e analisi, i metodi di progettazione PCB basati sull'analisi del computer dell'integrità del segnale saranno sempre più utilizzati nella progettazione di prodotti elettronici.