PCB技術 - 信号完全性解析に基づく高速ディジタルPCBの設計法

高速ディジタル信号の設計法について PCBボード 信号完全性コンピュータ解析に基づいて. この設計法では, the PCBボードレベル信号伝送モデルは、すべての高速デジタル信号, そして、信号の完全性の計算と解析を通して、設計の解空間が見出される, そして最後に PCB 解空間に基づいて完成する. ボード設計と検証.

集積回路の出力スイッチング速度が増加し，pcbボードの密度が増加すると，信号の完全性は高速ディジタルpcb設計において重要である問題の一つとなっている。コンポーネントとPCBボードのパラメータ、PCBボード上のコンポーネントのレイアウト、および高速信号の配線のような要因は、信号完全性の問題を引き起こし、結果として不安定なシステム動作、あるいは全く動作しない。

PCB設計プロセスにおける信号完全性因子を十分に考慮し，効果的な制御対策を講じる方法は，今日のpcb設計業界では熱い話題になった。信号完全性コンピュータ解析に基づく高速ディジタルpcbボード設計法は，pcb設計の信号完全性を効果的に実現できる。

1 .信号完全性問題の概観

シグナル完全性（SI）は、回路の正しいタイミングと電圧に応答する信号の能力を指す。回路の信号が必要なタイミング、持続時間および電圧振幅を有するICに到達することができれば、回路はより良い信号完全性を有する。逆に信号が正常に応答できない場合には、信号完全性問題が生じる。大まかに言えば、信号の整合性の問題は、主に、遅延、反射、クロストーク、同期スイッチングノイズ（SSN）、および電磁両立性（EMI）の5つの局面に現れる。

遅延は、信号がPCBボードの配線上の限られた速度で送信され、信号が送信端から受信端に送られ、その間に送信遅延があることを意味する。信号遅延はシステムのタイミングに影響を与える。高速デジタル方式では、伝送遅延は主としてワイヤの長さと配線を囲む媒体の誘電率に依存する。

加えて、PCBボード上のワイヤの特性インピーダンス（高速デジタルシステムの伝送線と呼ばれる）が負荷インピーダンスに一致しないときに、信号が受信端に到達した後、エネルギーの一部が伝送線に沿って反射され、信号波形が歪んでいるか、あるいはオーバーシュート及びアンダーシュートに信号を送る原因となる。信号が伝送線上で前後に反射されるならば、それはリンギングとリング発振を生じるでしょう。

PCB上の任意の2つのデバイスまたは配線間に相互キャパシタンスおよび相互インダクタンスがあるので、ワイヤ上のデバイスまたは信号が変化すると、その変化は相互キャパシタンスおよび相互インダクタンスを介して他のデバイスまたはインダクタンスに影響を及ぼす。ワイヤ、すなわちクロストーク。クロストークの強度はデバイスとワイヤの幾何学的寸法と相互距離に依存する。

多くのデジタル信号が PCBボード are switched synchronously (such as CPU data bus, アドレスバス, etc.), 電力線と接地線のインピーダンスにより, 同期スイッチングノイズが発生する, 地面のバウンスは、地上線で発生する. Noise (referred to as ground bomb). SSN及び接地バウンスの強度は、集積回路のIO特性にも依存する, 図1の電源層及び接地面層のインピーダンス PCBボード, と高速デバイスのレイアウトと配線 PCBボード.

加えて、他の電子デバイスと同様に、PCBもまた、PCBボードのレイアウト及び配線に関連する電磁両立性の問題を有する。

2 .伝統的PCBボード設計方法

に traditional デザイン process, PCB設計 consists of circuit デザイン, レイアウトデザイン, PCB 生産, ターンの測定とデバッグステップ. 回路設計段階, 効果的な方法の欠如と、実際の信号の伝送特性を分析する方法 PCBボード, 回路設計は、一般に、コンポーネント製造業者および専門家および過去の設計経験の提案に基づいて実施することができる. したがって, 新しいデザインプロジェクト, 特定の状況に応じて信号トポロジや成分パラメータなどの要因を適切に選択することは通常困難である.

に PCBラウ t デザイン stage, また、このことによって生じる信号性能の変化のリアルタイム解析と評価も困難である PCB コンポーネントレイアウトと信号配線, したがって、レイアウト設計の品質はデザイナーの経験によって決まる. に PCB 生産段階, それぞれのプロセスから PCBボード とコンポーネントメーカーは完全に同じではありません, パラメータ PCBボード そして、一般に、コンポーネントは、大きい許容範囲を有する, パフォーマンスを作る PCBボード より難しい制御.

従来のPCB設計プロセスでは、PCBボードの性能は、製造が完了した後にのみ、楽器測定によって判断することができる。PCBボードデバッグ段階で見られる問題は次のPCBボード設計で修正されなければならない。しかし、より困難なことは、いくつかの問題が以前の回路設計およびレイアウト設計におけるパラメータに定量化することが困難であることが多いことである。したがって、より複雑なPCBボードのために、上記のプロセスは、通常、設計要件を満たすために何度も繰り返される必要がある。

従来のpcb設計法では，製品開発サイクルは長く，研究開発費は対応している。

3. PCB設計 method based on signal integrity analysis

信号完全性コンピュータ解析に基づくPCB設計プロセスを図2に示す。従来のpcb設計法と比較して，信号完全性解析に基づく設計法は以下の特徴を有する。

PCBボード設計の前に、まず高速デジタル信号伝送のための信号完全性モデルを確立する。

siモデルに従って，信号完全性問題について一連の事前解析を行い，回路設計の基礎としてシミュレーション計算の結果に応じて適切な構成要素，パラメータ，回路トポロジーを選択した。

回路設計プロセスでは，設計計画を信号整合解析のためにsiモデルに送り，部品とpcbボードパラメータの許容範囲，pcbレイアウト設計における可能なトポロジー構造とパラメータ変化を計算し解析した。ソリューションスペース。

回路設計が完了した後、各高速デジタル信号は、連続的かつ達成可能な解空間を有するべきである。すなわち、PCBおよびコンポーネントパラメータがある範囲内で変化するとき、PCBボード上のコンポーネントのレイアウトおよびPCBボード上の信号線の配線はある程度の柔軟性を有し、信号完全性のための要件は依然として保証され得る。

PCBレイアウト設計が始まる前に、得られた各信号解決空間の境界値は、レイアウト設計の制約条件として用いられる。

PCBレイアウト設計プロセスにおいて、部分的に完成したか完全に完成した設計は、実際のレイアウト設計が予想されたシグナル完全性要件を満たすかどうか確認するためにポスト設計信号完全性解析のためにSiモデルに送り返される。シミュレーション結果が要件を満たすことができないならば、あなたはレイアウト設計とさらに回路設計を修正する必要があります。

アフター PCB デザイン is completed, the PCBボード できます. の許容範囲 PCBボード manufacturing パラメータ should be within the range of the solution space of the signal integrity analysis.

pcbボードを製造した後，siモデルとsi解析の正しさを検証し，モデルを修正するための基礎として使用した。

適切なsiモデルと解析方法に基づいて，通常，pcbボードは，設計と生産に数回の繰り返し修正なしで完全化でき，製品開発サイクルを短縮でき，開発コストを低減できる。

信号完全性解析モデル

信号完全性コンピュータ解析に基づくpcb設計法では，最も中心的な部分は，pcbボードレベル信号完全性モデルの確立であり，従来の設計法とは異なる。

siモデルの正当性は設計の正当性を決定し，siモデルのビルド可能性はこの設計法の実現可能性を決定する。

4.1 .PCB設計のSiモデル

電子回路設計においてPCBボードレベルの信号完全性解析に使用できる多くのモデルが存在する。最もよく使われる3つは、スパイス、アイビスとVerilog - Aです。

スパイスモデル

spiceは強力な汎用アナログ回路シミュレータである。現在スパイスモデルは電子設計に広く使われており，2つの主要なバージョンが得られている。PSPICEは主にPCBボードとシステムレベルのデザインで使用されますが、スパイスは、主に集積回路設計で使用されます。

spiceモデルは2つの部分から成り立つ。モデル方程式を与えたので，spiceのモデルをシミュレータのアルゴリズムと密接に結び付け，解析効率の良い解析結果を得ることができた。

SPICEモデルを用いてPCBボードレベルでSi解析を行う場合、集積回路設計者および製造者は、集積回路I／Oユニットサブ回路のSPICEモデルの詳細かつ正確な説明および半導体特性の製造パラメータを提供する必要がある。これらの材料は、通常、設計者や製造業者の知的財産と機密性に属しているため、チップ製品を提供しながら、いくつかの半導体メーカーだけが対応するSPICEモデルを提供する。

spiceモデルの解析精度は主にモデルパラメータの源（すなわち，データの精度）とモデル方程式の適用範囲に依存する。様々なデジタルシミュレータを用いたモデル方程式の組合せは，解析の精度にも影響を及ぼす。また、PCBボードレベルSPICEモデルは、大量のシミュレーション計算を行い、比較的時間がかかる。

アイビスモデル

IBISモデルは、当初、インテル社によってPCBボードレベルとシステムレベルのデジタル信号完全性解析のために開発されました。これは現在、IBISオープンフォーラムによって管理され、公式業界標準（EIA / ANSI 656 A）になっている。

IBISモデルはデジタル集積回路I / Oユニットとピンの特性を記述するためにI / VとV / Tテーブルの形式を使用します。IBISモデルは、I／Oユニットおよびトランジスタ製造パラメータの内部設計を記述する必要がないので、半導体製造業者によって歓迎され、支持されている。現在、チップを提供している間、すべての主要なデジタル集積回路メーカーは対応するIBISモデルを提供することができます。

ibisモデルの解析精度は主にi／v，v／tテーブルのデータ点数とデータ精度に依存する。IBISモデルに基づくPCBボードレベルシミュレーションは、テーブルルックアップ計算を使用しているので、計算量は小さく、通常、対応するSPICEモデルの1／10〜1／100だけである。

C . Verilog‐AMSモデルとVHDL‐AMSモデル

Verilog AMSとVHDL - AMSは4年前に登場し、新しい標準です。ハードウェア挙動レベルモデリング言語として、Verilog - AMSとVHDL - AMSはそれぞれVerilogとVHDLのスーパーセットであり、Verilog - AはVerilog - AMSのサブセットである。

AMS言語では、SPICEとIBISモデルとは異なり、コンポーネントの動作を記述する式を記述するのがユーザーです。IBISモデルと同様に、AMSモデリング言語は、シミュレーションツールの多くの異なるタイプで使用できる独立したモデル形式です。AMS式は、トランジスタレベル、I／Oセルレベル、I／Oセル群など、様々なレベルで記述することができる。

Verilog AMSとVHDL - AMSは新しい標準であるので、数人の半導体製造業者だけがAMSモデルを提供することができます。しかし，pcbボードレベル信号完全性解析におけるamsモデルの実現可能性と計算精度はspiceとibisモデルに劣らない。

モデルの4.2の選択

すべてのpcbボードレベル信号完全性解析を完了するための統一モデルがないため，高速ディジタルpcbボードの設計において，重要な信号と高感度信号の伝送モデルを確立するために，上記モデルを混合する必要がある。

ディスクリートパッシブコンポーネントについては、製造者によって提供されるSPICEモデルを探索することができます。

重要なデジタル集積回路のために、メーカーによって提供されるIBISモデルを求めなければなりません。現在、ウェブサイトまたは他の方法を通してチップを提供している間、大部分の集積回路デザイナーとメーカーは必要なIBISモデルを提供することができます。

非臨界集積回路については、製造者のIBISモデルが利用できない場合、チップピンの機能に応じて、同様の、またはデフォルトのIBISモデルを選択することもできる。もちろん、簡略化されたIBISモデルは、実験測定によっても確立することができる。

pcb基板上の伝送線路については，信号完全性解析と空間解析において，簡易伝送線路spiceモデルを用いることができ，実際のレイアウト設計に従って配線後の解析に完全伝送線路spiceモデルを用いる必要がある。

設計方法と既存のEDAソフトウェアの組合せ

現在、PCB設計業界では、上記の設計方法を完成させるために統合されたEDAソフトウェアが存在しないため、一般的なソフトウェアツールを組み合わせて実現する必要がある。

一般的なSPICEソフトウェア（例えばPSPICE、HSPICEなど）を使用して、PCB上のディスクリートおよびパッシブコンポーネントと伝送ラインのSPICEモデルを確立し、デバッグして確認します。

SpeccTraquest、HyperlyNx、タウ、ISHANSアナライザーなどの一般的な信号の整合性解析ソフトウェアに得られた様々なコンポーネントと伝送ラインのSPICE / IBISモデルを追加し、PCBボード上の信号のSI分析モデルを確立し、信号の整合性解析とセックスの計算を実行します。

SI解析ソフトウェアが付属しているデータベース機能を使用するか、他の汎用データベースソフトウェアを使用して、さらにシミュレーション操作の結果をソートして、分析して、理想的な解決スペースを捜してください。

PCB回路設計の基礎としての解空間の境界値とレイアウト設計の制約条件をとることにより、一般的なPCB設計EDA、ORCAD、プロテル、パッド、パワーPCB、アレグロ、メンターがPCB回路設計とレイアウト設計を完了するのに用いられる。

アフター PCBラウ t 設計完了, the parameters of the actual design circuit (such as topology, 長さ, 間隔, etc.) can be extracted automatically or manually through the above レイアウトデザイン software, そして、配線のための前の信号完全性解析ソフトウェアに送り返された. 実際の設計が解決空間の要求を満たすかどうかを検証するためのSi解析.

アフター PCB board 製造される, 実験器具の測定により各モデルとシミュレーション計算の正確性を検証することができる.

本稿の概要

This 設計方法 has strong practical significance for the design and development of high-speed digital PCBボード s, だけでなく、効果的に製品設計のパフォーマンスを向上させることができますて, しかし、製品開発サイクルを大幅に短縮し、開発コストを削減することもできる. 信号完全性解析モデルと計算解析アルゴリズムの継続的改善と改善により予測できる,PCB 設計方法s based on signal integrity computer analysis will be increasingly used in the design of electronic products.