PCB Tecnico - Tecnologia di progettazione PCB basata su FPGA ad alta velocità

Se il design PCB ad alta velocità può essere semplice come collegare nodi schematici e bello come puoi vedere su un monitor del computer, sarà una cosa meravigliosa. Tuttavia, a meno che i progettisti non siano nuovi al design PCB, o siano estremamente fortunati, il design PCB effettivo di solito non è così facile come il design del circuito in cui sono impegnati. Prima che il design possa finalmente funzionare normalmente e qualcuno confermi le prestazioni, i progettisti PCB devono affrontare molte nuove sfide. Questo è lo stato attuale delle regole di progettazione dei PCB ad alta velocità e delle linee guida di progettazione continuano ad evolversi. Se siete fortunati, formeranno una soluzione di successo.

La stragrande maggioranza dei PCB sono progettisti schematici che sono esperti nel principio di funzionamento e nell'influenza reciproca dei dispositivi PCB e di vari standard di trasmissione dei dati che costituiscono l'ingresso e l'uscita del circuito stampato. Il risultato della cooperazione reciproca tra progettisti di layout professionali di ciò che accadrà dopo la conversione in filo di rame del circuito stampato. Di solito, è il progettista schematico che è responsabile del successo o del fallimento del circuito stampato finale. Tuttavia, più un progettista schematico conosce tecniche di layout eccellenti, più opportunità ci sono per evitare problemi importanti.

Se il progetto contiene FPGA ad alta densità, ci sono molte sfide poste davanti allo schema ben progettato. Comprese centinaia di porte di ingresso e uscita, frequenze operative superiori a 500 MHz (possono essere più alte in alcuni progetti) e campi di saldatura fino a mezzo millimetro, il che causerà interferenze indesiderate tra le unità di progettazione. Influenza reciproca.

Rumore di commutazione simultanea

Per risolvere il suono e il crosstalk sulle linee dati ad alta velocità, passare ai segnali differenziali è un buon primo passo. Poiché una linea sulla coppia differenziale è l'estremità del lavandino e l'altra fornisce la corrente sorgente, può fondamentalmente eliminare l'effetto induttivo. Quando si utilizza una coppia differenziale per trasmettere i dati, poiché la corrente rimane locale, aiuta a ridurre il rumore di "rimbalzo" generato dalla corrente indotta nel percorso di ritorno. Per le frequenze radio fino a centinaia di MHz o anche diversi GHz, la teoria del segnale mostra che la potenza massima del segnale può essere trasmessa quando l'impedenza è abbinata. Quando la linea di trasmissione non è ben abbinata, si verificheranno riflessi e solo una parte del segnale sarà trasmessa dal mittente al dispositivo ricevente, mentre altre parti rimbalzeranno avanti e indietro tra il mittente e il ricevitore. La qualità dell'implementazione del segnale differenziale sul PCB avrà un grande effetto sulla corrispondenza dell'impedenza (e altri aspetti).

Disegno differenziale della traccia

La progettazione differenziale della traccia si basa sul principio del PCB con impedenza controllata. Il modello è un po' come un cavo coassiale. Su un PCB con impedenza controllata, lo strato piano metallico può essere utilizzato come strato di schermatura, l'isolante è un laminato FR4 e i conduttori sono coppie di tracce di segnale (vedere Figura 1). La costante dielettrica media di FR4 è compresa tra 4,2 e 4,5. Poiché l'errore di fabbricazione non è noto, può portare ad un'eccessiva incisione del filo di rame, che alla fine causerà errori di impedenza. Il metodo più accurato per calcolare l'impedenza delle tracce PCB è quello di utilizzare un programma di analisi del campo (solitamente bidimensionale, a volte tridimensionale), che richiede l'uso di elementi finiti per risolvere direttamente le equazioni di Maxwell per l'intero PCB in lotti. Il software può analizzare gli effetti EMI in base alla spaziatura della traccia, alla larghezza della linea, allo spessore della linea e all'altezza dello strato isolante.

Condensatori di disaccoppiamento e bypass

Un altro aspetto importante per determinare se le prestazioni effettive del PCB soddisfano le aspettative deve essere controllato aggiungendo condensatori di disaccoppiamento e bypass. L'aggiunta di condensatori di disaccoppiamento aiuta a ridurre l'induttanza tra l'alimentazione del PCB e il piano di terra e aiuta a controllare l'impedenza di segnali e IC ovunque sul PCB. Il condensatore bypass aiuta a fornire un alimentatore pulito per il FPGA (fornendo una banca di carica). La regola tradizionale è che i condensatori di disaccoppiamento dovrebbero essere posizionati ovunque il cablaggio PCB sia conveniente e il numero di pin di alimentazione FPGA determina il numero di condensatori di disaccoppiamento. Tuttavia, l'altissima velocità di commutazione di FPGA ha completamente rotto questo stereotipo.

In un tipico design della scheda FPGA, il condensatore più vicino all'alimentazione fornisce la compensazione della frequenza per le variazioni della corrente di carico. Al fine di fornire il filtraggio a bassa frequenza e prevenire la caduta della tensione di alimentazione, vengono utilizzati condensatori di disaccoppiamento di grandi dimensioni. La caduta di tensione è dovuta a un ritardo nella risposta del regolatore di tensione quando viene avviato il circuito di progettazione. Questi condensatori di grandi dimensioni sono solitamente condensatori elettrolitici con una buona risposta a bassa frequenza e la loro risposta in frequenza varia da DC a diverse centinaia di kHz.

Ogni cambio di uscita FPGA richiede la ricarica e la scarica della linea di segnale, che richiede energia. La funzione del condensatore bypass è di fornire lo stoccaggio locale di energia in un ampio intervallo di frequenza. Inoltre, è necessario un piccolo condensatore con una piccola induttanza di serie per fornire corrente ad alta velocità per transienti ad alta frequenza. Il grande condensatore con risposta lenta continua a fornire corrente dopo che l'energia del condensatore ad alta frequenza è consumata.

In generale, il cablaggio del condensatore di disaccoppiamento dovrebbe essere assolutamente breve, compresa la distanza verticale nella via. Anche un leggero aumento aumenterà l'induttanza del filo, riducendo così l'effetto del disaccoppiamento.

Altre tecnologie

Con l'aumento della velocità del segnale, diventa sempre più difficile trasmettere facilmente i dati sul circuito stampato. Alcune altre tecniche possono essere utilizzate per migliorare ulteriormente le prestazioni del PCB.

Il primo e più ovvio metodo è il semplice layout del dispositivo. È buon senso progettare il percorso più breve e diretto per le connessioni più critiche, ma non sottovalutarlo. Poiché la strategia più semplice può ottenere i migliori risultati, perché preoccuparsi di regolare il segnale sulla scheda?

Un metodo quasi altrettanto semplice è quello di considerare la larghezza della linea del segnale. Quando la velocità dei dati è alta fino a 622 MHz o superiore, l'effetto pelle della conduzione del segnale diventa più evidente. Quando la distanza è lunga, le tracce molto sottili sul PCB (come 4 o 5 mil) formeranno una grande attenuazione al segnale, proprio come un filtro passa basso senza attenuazione progettata, la sua attenuazione varia con la frequenza aumenta e aumenta. Più lungo è il backplane, più alta è la frequenza e più ampia dovrebbe essere la linea del segnale. Per tracce backplane più lunghe di 20 pollici, la larghezza della linea dovrebbe raggiungere 10 o 12 mil.

Di solito, il segnale più critico sulla scheda è il segnale dell'orologio. Quando la linea dell'orologio è troppo lunga o mal progettata, amplificherà il jitter e l'offset a valle, soprattutto quando la velocità aumenta. Si dovrebbe evitare di utilizzare più strati per trasmettere orologi, e non avere vias sulla linea dell'orologio, perché vias aumenterà i cambiamenti di impedenza e riflessi. Se lo strato interno deve essere utilizzato per stendere l'orologio, gli strati superiori e inferiori dovrebbero utilizzare piani di terra per ridurre il ritardo. Quando la progettazione utilizza FPGA PLL, il rumore sul piano di potenza aumenterà il jitter PLL. Se questo è fondamentale, è possibile creare una "isola di potenza" per il PLL. Questa isola può utilizzare un'incisione più spessa nel piano metallico per isolare l'alimentazione analogica PLL dall'alimentazione digitale.

Infine, e uno dei metodi migliori è quello di fare riferimento alla scheda di riferimento fornita dal produttore FPGA. La maggior parte dei produttori fornirà le informazioni sul layout sorgente della scheda di riferimento, anche se possono essere richieste applicazioni speciali a causa di problemi di informazione privata. Questi circuiti stampati contengono solitamente interfacce I/O standard ad alta velocità perché i produttori FPGA devono utilizzare queste interfacce quando caratterizzano e certificano i loro dispositivi. Tieni presente, tuttavia, che questi circuiti stampati sono solitamente progettati per scopi multipli e potrebbero non corrispondere esattamente a requisiti di progettazione specifici. Tuttavia, possono ancora essere utilizzati come punto di partenza per la creazione di soluzioni

Sintesi di questo articolo

Naturalmente, questo articolo parla solo di alcuni concetti di base. Tutti gli argomenti trattati qui possono essere discussi nella lunghezza dell'intero libro. La chiave è capire qual è l'obiettivo prima di investire molto tempo e fatica nella progettazione del layout PCB. Una volta completata la progettazione del layout, la riprogettazione consumerà molto tempo e denaro, anche se la larghezza della traccia è leggermente regolata. Non puoi affidarti agli ingegneri di layout PCB per realizzare un design in grado di soddisfare le esigenze reali. Il progettista schematico deve sempre fornire indicazioni, fare scelte intelligenti e assumersi la responsabilità del successo della soluzione.