PCB Tecnico - Spiegazione della tecnologia di prova basata sulla progettazione di interconnessione PCB ad alta velocità

La tecnologia di progettazione PCBinterconnection include test, simulazione e vari standard correlati, tra cui il test è un metodo e mezzo per verificare i risultati di varie analisi di simulazione. Metodi e metodi di prova eccellenti sono necessari per garantire la progettazione e l'analisi dell'interconnessione PCB. Per i test tradizionali della forma d'onda del segnale, la preoccupazione principale è la lunghezza del cavo della sonda per evitare che Pigtail introduca rumore inutile. Questo articolo discute principalmente la nuova applicazione e lo sviluppo della tecnologia di test di interconnessione.

Negli ultimi anni, mentre la frequenza del segnale continua ad aumentare, l'oggetto di prova è cambiato in modo significativo. Non è più limitato alla forma d'onda tradizionale del segnale di prova dell'oscilloscopio. Il rumore di terra di alimentazione, il rumore di commutazione sincrona (SSN) e il jitter (Jitter) sono gradualmente diventati il fulcro degli ingegneri di progettazione di interconnessione PCB, alcuni strumenti nel campo RF sono stati applicati alla progettazione di interconnessione PCB. Gli strumenti di prova comunemente usati nella progettazione di interconnessione PCB includono analizzatori di spettro, analizzatori di rete, oscilloscopi e varie sonde e dispositivi utilizzati da questi strumenti. Per adattarsi alla frequenza del segnale sempre crescente, l'uso di questi strumenti di prova ha subito cambiamenti significativi. Questo articolo utilizza questi strumenti di prova come strumenti e presenta principalmente lo sviluppo della progettazione di interconnessione PCB e la tecnologia di test negli ultimi anni dai seguenti aspetti.

1. Metodo di taratura per le prove

2. Metodo di modellazione dei componenti passivi

3. Prova di integrità di potenza

4. Metodo di prova del jitter del segnale dell'orologio

Alla fine dell'articolo, una breve introduzione allo sviluppo della futura tecnologia di test sarà data in concomitanza con la conferenza DesignCon2005 appena conclusa.

Metodo di taratura

Tra i tre strumenti di prova comunemente utilizzati, il metodo di taratura dell'analizzatore di rete è il più rigoroso, seguito dall'analizzatore di spettro e il metodo di taratura dell'oscilloscopio è il più semplice. Pertanto, discutiamo principalmente il metodo di calibrazione dell'analizzatore di rete qui. Esistono tre metodi di calibrazione comunemente usati per gli analizzatori di rete, Thru, TRL e SOLT.

Ci sono tre metodi, Thru, TRL e SOLT

L'essenza di Thru è la normalizzazione. Durante la taratura, l'analizzatore di rete registra il risultato della prova dell'apparecchio (S21_C). Nella prova effettiva, il risultato della prova (S21_M) è diviso direttamente per S21_C per ottenere il risultato della prova DUT (S21_A). Attraverso la calibrazione ignora la riflessione causata dal disallineamento nel dispositivo di prova e l'accoppiamento elettromagnetico nello spazio, quindi ha la più bassa precisione di calibrazione. Questo metodo di taratura può essere utilizzato quando viene testato solo S21 e la precisione della prova non è elevata.

In strutture non coassiali come PCB, a volte è necessario testare le caratteristiche di tracce, vias e connettori. In questo caso, il fornitore dello strumento di prova non fornisce parti di calibrazione standard ed è difficile per i tester realizzare buone parti di calibrazione come circuito aperto, cortocircuito e carico abbinato alla porta di calibrazione della prova. Pertanto, la calibrazione SOLT tradizionale non può essere eseguita. Il vantaggio dell'utilizzo della taratura TRL è che non sono necessarie parti di taratura standard e la porta di taratura della prova può essere estesa alla posizione richiesta. Attualmente, la calibrazione TRL è stata ampiamente utilizzata nella prova della struttura PCB.

SOLT è generalmente considerato un metodo di taratura standard. Ci sono 12 parametri di errore di calibrazione nel modello di calibrazione. Vari errori vengono calibrati utilizzando cortocircuito, circuito aperto, carico e passaggio passante. Poiché i fornitori di apparecchiature di prova di solito forniscono solo parti di calibrazione coassiale, i metodi di calibrazione SOLT non possono essere utilizzati in strutture non coassiali.

I tre metodi di taratura di cui sopra possono essere analizzati in dettaglio mediante diagrammi di flusso del segnale, in cui ogni parametro di errore ha un parametro corrispondente nel diagramma di flusso del segnale. Attraverso il diagramma di flusso del segnale, è possibile comprendere chiaramente la sensibilità di errore di vari metodi di taratura e quindi comprendere l'intervallo di errore del test effettivo. Il punto che deve essere sollevato qui è che anche con il metodo standard di calibrazione SOLT, cinque parametri di errore vengono ignorati nel modello di calibrazione. In circostanze normali, questi cinque parametri di errore non influiscono sulla precisione di calibrazione. Tuttavia, se non presti attenzione alla progettazione del dispositivo di calibrazione durante l'uso, sarà impossibile calibrare.

L'analizzatore di spettro fornisce una sorgente standard per la calibrazione. Durante la calibrazione, è sufficiente collegare la sorgente standard interna alla porta di ingresso attraverso il dispositivo di prova. Il tempo di calibrazione è di circa 10 minuti. La calibrazione dell'oscilloscopio è ancora più semplice. Collegare la sonda alla sorgente standard interna e confermare. La taratura richiede circa 1 minuto.

Test e modellazione passivi dei componenti

Con il continuo aumento delle frequenze del segnale, il ruolo dei dispositivi passivi nel collegamento del segnale diventa sempre più importante. L'accuratezza dell'analisi della simulazione delle prestazioni del sistema è spesso determinata dall'accuratezza del modello del dispositivo passivo. Pertanto, il test e la modellazione di componenti passivi è gradualmente diventato una parte importante della progettazione di interconnessione PCB di vari fornitori di apparecchiature. I componenti passivi comunemente usati sono i seguenti:

1. Connettore

2. Tracce PCB e vias

3. capacità

4. Induttanza (perle magnetiche)

Nel design dell'integrità del segnale ad alta velocità, il connettore ha il maggiore impatto sul collegamento del segnale. Per i connettori ad alta velocità utilizzati frequentemente, la pratica abituale è quella di realizzare un dispositivo di calibrazione secondo il metodo di calibrazione TRL ed eseguire la modellazione di prova sul connettore per l'analisi di simulazione. Il metodo di modellazione di prova delle tracce e dei vias PCB è simile a quello dei connettori. La calibrazione TRL viene utilizzata anche per spostare la porta di prova nella posizione desiderata e quindi testare la modellazione.

Il modello di capacità ha applicazioni nell'analisi dell'integrità del segnale e, soprattutto, viene utilizzato nell'analisi dell'integrità di potenza. Gli strumenti di modellazione della capacità comunemente utilizzati nel settore sono analizzatori di impedenza e analizzatori di rete, che sono adatti a diverse bande di frequenza. Gli analizzatori di impedenza sono adatti per bande a bassa frequenza e gli analizzatori di rete sono adatti per bande ad alta frequenza. Se un analizzatore di rete viene utilizzato per il test di integrità dell'alimentazione nel test effettivo, si consiglia di utilizzare l'analizzatore di rete nella banda di frequenza completa della modellazione della capacità per garantire la coerenza della modellazione e dell'applicazione. Poiché l'impedenza del condensatore è piccola, la modalità parallela viene solitamente utilizzata quando si modella con un analizzatore di rete. Attualmente, il problema irrisolto nella modellazione dei condensatori nel settore è come eliminare l'accoppiamento reciproco tra il dispositivo e il condensatore, in modo da ridurre l'influenza del dispositivo sul risultato della modellazione.

Nella progettazione tradizionale dell'alimentazione elettrica, gli induttori (perline magnetiche) sono spesso utilizzati per isolare l'alimentazione elettrica per ridurre le interferenze di rumore. Nella progettazione effettiva, l'induttanza di isolamento (perline magnetiche) viene spesso rimossa e il rumore dell'alimentazione elettrica viene ridotto. Questo perché l'induttore (perle magnetiche) risuona con altri componenti del filtro. Per evitare questa situazione, è necessario modellare e simulare l'induttanza (perline magnetiche) per evitare risonanza. Il metodo di modellazione dell'induttanza comunemente usato nel settore utilizza anche un analizzatore di rete. Il metodo specifico è simile alla modellazione della capacità. La differenza è che l'induttore (perla magnetica) è modellato in serie e il condensatore è modellato in parallelo.

La modellazione dei vari componenti passivi di cui sopra è utilizzata principalmente nell'integrità del segnale e nell'integrità dell'alimentazione. Negli ultimi anni, l'analisi di simulazione EMI si sta gradualmente sviluppando e la modellazione di test dei componenti passivi EMI è gradualmente diventata la progettazione di interconnessione PCB. Concentrati. La figura 1 mostra la curva di impedenza del condensatore.

prova di integrità della potenza

Poiché l'alimentazione del chip continua ad aumentare e la tensione di funzionamento continua a diminuire, il rumore dell'alimentazione elettrica è gradualmente diventato un oggetto di preoccupazione nella progettazione di interconnessione PCB. Dal punto di vista dell'oggetto della prova, la prova di integrità di potenza può essere divisa in due fasi, la prova caratteristica del sistema di alimentazione e la prova del rumore di terra di potenza. Il primo è quello di testare le prestazioni della parte di alimentazione elettrica del sistema (prova passiva), e il secondo è quello di testare direttamente il rumore di terra di alimentazione quando il sistema è in funzione (prova attiva). Il rumore sincrono di commutazione può anche essere classificato come rumore di terra di potenza.

Quando si prova la prestazione del sistema di alimentazione, di solito viene utilizzato un analizzatore di rete e gli oggetti di prova sono l'auto-impedenza e trasferimento-impedenza del sistema di alimentazione. In generale, l'impedenza del sistema di alimentazione è molto più piccola dell'impedenza del sistema di analisi di rete (50 ohm), quindi è necessario fare solo attraverso la calibrazione durante il test. L'impedenza del sistema di alimentazione può essere ottenuta utilizzando la formula S21=Z/25. La figura 2 mostra le caratteristiche di impedenza dell'alimentazione elettrica di una singola scheda.

È possibile utilizzare un analizzatore di spettro e un oscilloscopio per testare il rumore dell'alimentatore. La porta di ingresso dell'analizzatore di spettro non può essere collegata al componente DC. Pertanto, quando si prova il rumore dell'alimentatore, è necessario collegare DC-Blocking in serie nel dispositivo di prova. L'impedenza di ingresso dell'analizzatore di spettro è di 50 ohm e l'impedenza della rete a terra di potenza è generalmente nel livello milliohm, quindi l'apparecchio di prova non influenzerà il sistema in prova. L'impedenza di ingresso dell'oscilloscopio cambia con diverse impostazioni. Prendiamo Tektronix TDS784 come esempio, la sua frequenza di taglio a bassa frequenza cambia con la modalità di accoppiamento e l'impedenza del sistema.

I metodi descritti sopra tutti testano il rumore di terra di potenza sulla singola scheda, e ciò che realmente influenza il lavoro del chip è il rumore di terra di potenza nel chip. In questo momento, è necessario utilizzare la prova sincrona del rumore di commutazione per determinare il rumore di terra di potenza nel chip. Supponiamo che il chip abbia porte N IO, faccia in modo che una di esse rimanga statica e l'altra N-1 sia capovolta allo stesso tempo, per testare la forma d'onda del segnale sulla rete statica, cioè il rumore di commutazione sincrona. Il rumore sincrono di commutazione include sia il rumore di potenza che di terra e crosstalk tra diversi segnali nella confezione. Attualmente non c'è modo di distinguere completamente i due.

Prova di jitter del segnale dell'orologio

In alcuni prodotti di fascia alta, il jitter è gradualmente diventato un indicatore importante che influisce sulle prestazioni del prodotto. Ecco solo una breve introduzione su come utilizzare un analizzatore di spettro per testare il jitter del segnale di clock e la posizione del problema. Il jitter test dei segnali dati non è coinvolto per il momento.

Nella maggior parte dei sistemi, l'orologio è generato da un oscillatore di cristallo o da un ciclo di fase bloccato. La prova di jitter del segnale dell'orologio è relativamente semplice, non è richiesta alcuna apparecchiatura di prova di fascia alta e un analizzatore di spettro comune può essere utilizzato per individuare il problema. Lo spettro di un segnale di clock ideale è uno spettro discreto pulito, con solo componenti a multipli della frequenza di clock. Se il segnale dell'orologio si agita, i lobi laterali appariranno vicino a questi moltiplicatori, e il jitter è proporzionale alla potenza di questi lobi laterali.

Il metodo specifico di utilizzare un analizzatore di spettro per testare il jitter dell'orologio è quello di trovare un punto testabile sul collegamento del segnale dell'orologio, collegare il segnale all'analizzatore di spettro attraverso DC-Blocking e osservare il risultato della prova. Poiché l'apparecchio di prova è un sistema lineare, non c'è bisogno di preoccuparsi di generare nuovi componenti spettrali. Come accennato in precedenza, gli orologi sono tutti generati da oscillatori di cristallo o loop bloccati a fase. In questo caso, il motivo importante per introdurre il jitter dell'orologio è il rumore dell'alimentazione degli oscillatori di cristallo o dei loop bloccati a fase. Il rumore dell'alimentazione elettrica dell'oscillatore di cristallo o del ciclo bloccato di fase ottenuto con il metodo descritto sopra è confrontato con il lobo laterale nello spettro dell'orologio e la causa del jitter dell'orologio può essere fondamentalmente determinata. La soluzione al problema consiste nel ridisegnare il circuito filtrante dell'oscillatore di cristallo o del ciclo a fase bloccato in base al lobo laterale dello spettro dell'orologio. In generale, questi problemi possono essere risolti con una selezione ragionevole di condensatori filtranti.

Direzione tecnica di DesignCon2005

DesignCon è la prima conferenza annuale nel campo della tecnologia di interconnessione. Nel DesignCon2005 di quest'anno, ci sono principalmente le seguenti tendenze di sviluppo tecnologico durante la conferenza annuale:

1. Ci sono già molte applicazioni nel settore per la simulazione e il test di integrità di potenza pura, e non è più un punto difficile nel lavoro di analisi.

2. La modellazione della capacità e dell'induttanza (perle magnetiche) è stata promossa nel settore e il suo metodo è stato relativamente completo.

3. l'attenzione della progettazione di interconnessione PCB si è spostata sull'imballaggio e l'analisi a livello di scheda è diventata più matura. La simulazione e i test del rumore a commutazione simultanea sono diventati gradualmente una preoccupazione nel settore.

4. I metodi e gli standard di prova Jitter sono gradualmente diventati una preoccupazione del settore. Alla conferenza, molti fornitori di apparecchiature di prova hanno lanciato i propri analizzatori jitter.

Riassuma

Questo articolo presenta brevemente gli oggetti di prova attuali e i metodi di prova nel campo della progettazione di PCBinterconnection. Mentre la frequenza del segnale continua ad aumentare, alcuni nuovi contenuti di test appaiono gradualmente, tra cui alimentazione e rumore di terra, modellazione passiva dei dispositivi, jitter e così via. L'autore propone un metodo di test per questi nuovi contenuti di test basato sulla propria esperienza lavorativa. Nella prova tradizionale della forma d'onda del segnale, la considerazione principale dovrebbe essere quella di ridurre la lunghezza del cavo di massa per evitare l'accoppiamento Pigtail nel rumore e ridurre l'accuratezza della prova. Nel futuro design di interconnessione PCB, a causa dell'aumento della frequenza operativa del segnale, l'attenzione del lavoro si sposterà sull'imballaggio dei chip e le relative tecniche di test e modellazione diventeranno al centro del lavoro.