PCB Tecnico - Il modello IBIS della tecnologia PCB studia il problema del segnale

Per quanto riguarda l'uso di un modello di simulazione IBIS (Digital Input/Output Buffer Information Specification) nella fase di sviluppo di un circuito stampato (PCB). Questo articolo descrive come utilizzare il modello IBIS per estrarre alcune variabili importanti per il calcolo dell'integrità del segnale e determinare le soluzioni di progettazione PCB.

Si prega di notare che questo valore estratto è parte integrante del modello IBIS.

Quando si osservano segnali digitali ad entrambe le estremità di una linea di trasmissione, i progettisti saranno sorpresi dai risultati quando il segnale viene guidato alla traccia PCB. Nel caso di una distanza relativamente lunga, il segnale elettrico è più simile a un'onda itinerante piuttosto che a un segnale di cambiamento istantaneo. Una buona simulazione del comportamento delle onde su un circuito stampato è CHICHENGPO (onde in una piscina). Poiché i due gruppi dello stesso volume d'acqua hanno la stessa "impedenza", l'ondulazione passa senza intoppi attraverso la piscina. Tuttavia, la differenza di impedenza della parete cellulare è evidente e le onde si riflettono nella direzione opposta. Il segnale elettrico iniettato nella traccia PCB avrà lo stesso fenomeno. Quando si verifica un disallineamento di impedenza, questo fenomeno si riflette in modo simile. La figura 1 mostra un dispositivo PCB con impedenza terminale errata. Il microcontrollore TI MSP430™ invia un segnale di clock al TI ADS8326 ADC, che invia i dati di conversione indietro al MSP430. La figura 2 mostra i riflessi causati da disallineamenti di impedenza nel dispositivo. Queste riflessioni causano problemi di integrità del segnale sulle tracce della linea di trasmissione.

Consentire la corrispondenza della resistenza della traccia PCB ad una o entrambe le estremità può ridurre notevolmente i riflessi.

f Per risolvere il problema della resistenza del sistema e della corrispondenza della resistenza, i progettisti devono comprendere le caratteristiche di impedenza dei circuiti integrati (ICS) e le caratteristiche di impedenza delle tracce PCB che agiscono come tracce di trasmissione.

Dopo aver compreso queste funzioni, i progettisti possono modellare ogni unità di connessione come una linea di trasmissione distribuita. Le linee di trasmissione forniscono vari servizi di circuito, dalle apparecchiature terminali monoterminali e differenziali alle apparecchiature di uscita open-drain. Questo articolo presenta principalmente la linea di trasmissione monoterminale, il cui driver ha un design del circuito di uscita push-pull.

Inoltre, sono richieste le seguenti specifiche PIN IC:

Resistenza all'uscita del trasmettitore ZT (Omega)

Tempo di salita del trasmettitore tTempo di salita e caduta tFall (secondi)

Resistenza all'ingresso del ricevitore ZR (Omega)

CR_Pin (F) Queste specifiche di solito non sono contenute nel manuale del produttore dell'IC.

Come sarà discusso in questo articolo, tutti questi valori possono essere ottenuti attraverso il modello IBIS del IC durante la progettazione PCB e utilizzare il modello per simulare la traiettoria di trasmissione PCB.

Utilizzare i seguenti parametri per definire il monitoraggio della trasmissione:

Impedenza caratteristica Z0 (Omega)

Ritardo di propagazione D (ps/inch)

Ritardo di propagazione della traccia tD (PS)

Lunghezza di tracciamento LUNGHEZZA (pollici) A seconda del design specifico del PCB, l'elenco delle variabili può essere più lungo. Ad esempio, il design PCB può avere un backplane con più punti di trasmissione / ricezione. 3 Tutto il routing della linea di trasmissione dipende dal PCB specifico. Generalmente, la gamma Z0 della scheda FR-4 è da 50 a 75 ohm e la gamma D è da 140 a 180ps/inch. I valori effettivi di Z0 e D dipendono dal materiale e dalle dimensioni fisiche del binario di trasmissione effettivo.

4 Il ritardo di propagazione della linea di un circuito specifico può essere calcolato come segue: TD = dxlength.

(1) Per la scheda FR-4, il ragionevole ritardo di propagazione della linea lineare (vedere figura 4) è 178 ps/inch e l'impedenza caratteristica è 50 ohm.

Misurando l'induttanza del filo e la capacità della traccia e inserendo questi valori nella seguente formula, possiamo verificare questo risultato sul circuito stampato: CTR è una capacità della linea di tracciamento della velocità del filo in farads/inch; LTR è per godimento/pollice L'unità di induttanza della linea; ps/inch è la costante dielettrica dell'aria; E ER è la costante dielettrica del materiale.

Ad esempio, se il condensatore della linea della striscia di trasmissione a microonde è 2.6pF/inch, l'induttanza della linea è 6.4nH/inch e D=129ps/inch, Z0=49.4Ω.

Confronto tra circuiti aggregati e circuiti distribuiti Una volta definita la linea di trasmissione, il passo successivo consiste nel determinare se il layout del circuito rappresenta un sistema aggregato o un sistema distribuito. Generalmente, la dimensione del sistema di aggregazione è piccola e il circuito distribuito richiede più spazio della scheda. Il piccolo circuito ha una lunghezza effettiva (LUNGHEZZA), e il suo segnale è più piccolo della caratteristica elettrica più veloce.

Per essere un sistema di aggregazione qualificato, il circuito sul PCB deve soddisfare i seguenti requisiti:

(5) Tra loro, tRise è il tempo di salita in secondi. Dopo che il circuito di aggregazione è stato implementato sul PCB, la strategia di terminazione non è un problema.

Fondamentalmente, supponiamo che il segnale di trasmissione trasmesso alla linea di trasmissione raggiunga immediatamente il ricevitore.

La struttura organizzativa dei dati del modello IBIS si basa sulla gamma di tensione di alimentazione del IC. Il modello IBIS include tre, sei o nove dati angolari. Le variabili che determinano questi angoli sono il processo di silicio 1, la tensione di alimentazione e la temperatura di giunzione. L'angolo specifico di processo/tensione/temperatura (PVT) SPICE del modello del dispositivo è fondamentale per creare un modello IBIS accurato. Le valutazioni sono diverse, il processo del silicio è diverso e i modelli creati sono deboli e forti. Il progettista definisce l'impostazione della tensione in base ai requisiti di potenza del componente e la modifica tra il valore nominale, il valore minimo e il valore massimo.

Infine, in base all'intervallo di temperatura nominale del componente, al consumo energetico nominale e alla giunzione del pacchetto e della resistenza termica ambientale, cioè, θJA, determinano l'impostazione della temperatura della giunzione al silicio del componente. La tabella 1 fornisce esempi di tre variabili PVT e la loro relazione con il processo CMOS della serie ADC ADS129x di misurazione biopotenziale di TI a 24 bit. Queste variabili vengono utilizzate per implementare sei simulazioni SPICE. La prima e la quarta simulazione hanno utilizzato il modello di processo nominale, la tensione nominale di alimentazione e la temperatura di giunzione a temperatura ambiente. Sia la seconda che la quinta simulazione utilizzano un modello di processo debole, bassa tensione di alimentazione e alta temperatura di giunzione. La terza e la sesta simulazione utilizzano potenti modelli di processo, tensioni di alimentazione più elevate e temperature di giunzione più basse.

La relazione tra i valori PVT mappa l'angolo ottimale del processo CMOS.

Le specifiche del trasmettitore specificate per la valutazione dell'integrità del segnale includono l'impedenza di uscita (ZT) e il tempo di salita (tRise e tFall, rispettivamente). La Figura 5 mostra il pacchetto TI ADS1296 ads129x.ibs, che elenca i file modello self-IBIS. 5 Il valore utilizzato per generare l'impedenza è mostrato sotto la parola chiave [Pin], che si trova anche nel modello buffer (non mostrato).

Il tempo di boost si trova nella parte transitoria dell'elenco dei dati del modello IBIS. L'impedenza del perno di qualsiasi segnale viene aggiunta all'impedenza del modello dall'induttanza e dalla capacità del pacchetto. Nella Figura 5, le parole chiave "[Componente]", "[Produttore]" e "[Package]" descrivono un pacchetto specifico, PBGA a 64 pin (ZXG). L'induttanza del pacchetto e la capacità di uno specifico pin possono essere trovati sotto la parola chiave "[Pin]". Ad esempio, al pin 5E, è possibile trovare i valori del segnale GPIO4, L_pin e C_pin.

I valori L_pin (induttanza pin) e C_pin (capacitanza pin) del segnale e del pacchetto sono rispettivamente 1,4891 nH e 0,28001 pF. Il secondo valore di capacità importante è il condensatore al silicio, vale a dire C_comp. Il valore C_comp può essere trovato sotto la parola chiave "[Model]" nell'elenco modello DIO_33 del file Ads129x.ibs (vedere Figura 6). C_comp in questo modello è la capacità del buffer DIO e la tensione del pin di alimentazione è 3,3V. Il simbolo "|" rappresenta un commento; Pertanto, il valore effettivo C_comp di questo elenco è 3.0727220e-12 F (valore tipico), 2.3187130e-12 F (minimo) e 3.8529520e-12 F (massimo), i progettisti PCB possono scegliere tra loro.

Utilizzo di IBIS per progettare linee di trasmissione In questo articolo, un PCB con impedenza terminale non corrispondente è discusso come punto di partenza. Successivamente, la fabbrica di PCB ha imparato attraverso il modello IBIS e ha trovato alcuni componenti chiave di questo problema di trasmissione. A questo proposito, dovrebbe esserci una soluzione a questo problema.

Visualizzare la strategia di correzione della terminazione e visualizzare la forma d'onda corretta. Se si desidera progettare una linea di trasmissione PCB, il primo passo è raccogliere informazioni dal manuale del prodotto PCB. Il secondo passo è quello di controllare il modello IBIS e trovare alcuni parametri che non possono essere ottenuti dalla specifica impedenza di ingresso/uscita, tempo di amplificazione e capacità di ingresso/uscita. Quando entriamo nella fase hardware, dobbiamo utilizzare il modello IBIS per trovare alcune specifiche chiave del prodotto e simulare il design finale.