Teknik PCB - Penelitian mengenai Rancangan dan Analisi Simulasi PCB Berdasarkan Teori Integriti Isyarat

Pada masa ini, insinyur dan kajian integriti isyarat berkaitan (SI) di rumah dan di luar negeri masih subjek yang belum dewasa, dan kaedah analisis dan prakteknya tidak sempurna dengan baik, dan ia masih dalam tahap eksplorasi terus menerus. Dalam kaedah reka PCB berdasarkan analisis komputer integriti isyarat, bahagian paling utama ialah pembangunan model integriti isyarat aras papan PCB, yang merupakan perbezaan utama dari kaedah reka tradisional. Ketepatan model SI akan menentukan kebijaksanaan desain, dan kebijaksanaan model SI menentukan kebijaksanaan kaedah desain ini.

Masalah dalam rancangan sirkuit digital kelajuan tinggi diterangkan dengan jelas dalam jenis berikut: (1) Peningkatan frekuensi operasi dan pengurangan masa naik/jatuh isyarat akan mengurangkan margin masa sistem rancangan dan bahkan menyebabkan masalah masa; (2) Kesan garis penghantaran Oscilasi isyarat yang berasal, overshoot dan undershoot semua akan menghasilkan ancaman besar terhadap toleransi kesalahan, toleransi bunyi dan monotoniti sistem direka; (3) Selepas waktu pinggir isyarat jatuh kepada 1 ns, perbualan salib antara isyarat menjadi sangat serius. Masalah penting; (4) Apabila masa pinggir isyarat dekat dengan 0.5ns, masalah kestabilan sistem kuasa dan masalah gangguan elektromagnetik (EMI) juga menjadi sangat terkenal.

Dalam sistem kelajuan tinggi, sama ada sambungan isyarat sistem boleh dikendalikan dengan baik dan masalah integriti isyarat boleh diselesaikan adalah kunci untuk kejayaan desain sistem. Pada masa yang sama, integriti isyarat juga merupakan asas dan prerekwiżit untuk memecahkan integriti kuasa, kompatibilitas elektromagnetik dan gangguan elektromagnetik (EMC/EMI).

Kesan frekuensi tinggi dan teori garis penghantaran

Kesan frekuensi tinggi

Dalam kes kesan kulit frekuensi tinggi, gelombang elektromagnetik akan lemah dengan tajam apabila memasuki konduktor yang baik. Walaupun pada jarak kurang dari satu panjang gelombang dalam konduktor yang baik, gelombang elektromagnetik telah dipermalukan secara signifikan, jadi medan elektromagnetik frekuensi tinggi hanya boleh wujud pada satu permukaan konduktor yang baik. Dalam lapisan tipis, fenomena ini dipanggil kesan kulit. Kedalaman peningkatan intensiti medan gelombang elektromagnetik kepada 1/e permukaan adalah kedalaman kulit

Formula (1) menjelaskan: semakin besar konduktiviti elektrik, semakin baik konduktiviti elektrik, semakin tinggi frekuensi kerja, semakin kecil kedalaman kulit, yang menyebabkan resistensi pada frekuensi tinggi lebih besar daripada resistensi pada frekuensi rendah atau DC. Apabila kesan dekat berada dalam gangguan elektromagnetik antara beberapa konduktor yang membawa semasa, distribusi semasa salib seksyen setiap konduktor yang membawa semasa berbeza dari konduktor yang membawa semasa yang terisolasi. Apabila terdapat dua konduktor bersebelahan membawa arus dalam arah bertentangan, densiti semasa adalah terbesar pada titik terdekat pada kedua-dua sisi yang dekat satu sama lain; apabila arah semasa dua konduktor yang membawa semasa adalah sama, densiti semasa pada dua sisi luar adalah yang paling kecil. Secara umum, kesan dekat meningkatkan tahan yang sama dan mengurangkan induktan.

Teori garis penghantaran

Garis pemancaran secara umum adalah konduktor, medium, atau sistem panduan yang terdiri daripada mereka yang memimpin pemancaran gelombang elektromagnetik dalam arah tertentu. Garis transmisi yang biasanya dibincangkan merujuk kepada garis transmisi gelombang mikro, dan teorinya adalah teori garis panjang. Apabila saiz geometrik garis trasmis boleh dibandingkan dengan panjang gelombang gelombang elektromagnetik, parameter distribusi (atau parameter parasit) garis trasmis mesti dianggap. Dalam rancangan sirkuit frekuensi digital atau radio kelajuan tinggi dan rancangan simulasi sirkuit kelajuan tinggi, banyak fenomena elektromagnetik mesti dijelaskan menggunakan teori garis trasmis. Teori garis transmisi adalah dasar untuk mempelajari sirkuit digital kelajuan tinggi (atau frekuensi radio).

Teori garis trasmis asas Apabila kadar isyarat trasmis atau frekuensi mencapai aras tertentu, parameter distribusi pada saluran isyarat trasmis mesti dianggap. Mengambil wayar ganda selari sebagai contoh, kesan kulit pada mereka meningkatkan impedance RF per unit panjang. Apabila ia mencapai julat frekuensi radio, medan magnetik di sekitar garis ganda paralel sangat kuat, dan induktannya parasitik mesti dianggap, dan medan elektrik antara garis ganda paralel sepatutnya sama dengan kondensator. Pada masa yang sama, fenomena bocor diantara wayar patut dianggap apabila frekuensi tinggi. Jadi litar yang sama dengan garis penghantaran panjang unit boleh dikomponen dari unsur R, L, G, C 4, seperti yang dipaparkan dalam Figur 1.

Gambar 1 Sirkuit sama bagi garis penghantaran panjang unit

Menurut undang-undang Kirchhoffs, persamaan garis penghantaran boleh dikatakan sebagai

Oleh itu, penyelesaian umum bagi persamaan garis penghantaran boleh ditulis sebagai

Dalam formula: V+, V-, I+, I- adalah konstan amplitud gelombang tekanan dan gelombang semasa, berdasarkan, dan + dan-berdasarkan mewakili arah trasmis gelombang insiden (+Z) dan gelombang terrefleks (-Z). Pemegangan konstan C ditakrif sebagai

Dalam formula: A adalah konstan penyesalan; B ialah konstan fasa. Tengah dan arus pada titik pada garis transmisi adalah superposisi gelombang insiden dan gelombang yang terrefleksi, berdasarkan. Tekanan dan semasa pada mana-mana titik pada paksi Z diekspresikan sebagai

Formula di atas menunjukkan bahawa gelombang tegangan dan gelombang semasa dihantar pada garis penghantaran adalah fungsi masa dan jarak penghantaran.

Teori garis penghantaran terintegrasi

Garis transmisi terintegrasi termasuk garis microstrip, garis strip, garis terhubung dan pelbagai gelombang koplanar. Garis microstrip kini adalah garis pemindahan planar yang paling digunakan dalam sirkuit integrasi mikrogelombang hibrid dan sirkuit integrasi mikrogelombang monolitik. Ia boleh digunakan untuk produksi program litografi, dan mudah untuk disertai dengan sirkuit mikrogelombang pasif lain dan peranti mikrogelombang aktif untuk menyedari integrasi komponen mikrogelombang dan sistem. Garis isyarat garis microstrip berada di lapisan luar, dan lapisan tanah berada di sisi lain garis isyarat, yang mudah diuji.

Garis garis garis, juga dikenali sebagai garis tiga plat, terdiri dari dua garis konduktor segiempat segiempat segiempat, dan media atau udara seragam dipenuhi diantara plat pendaratan. Garis isyarat garis garis garis garis adalah sandwich antara dua lapisan kuasa. Dalam teori, ia boleh menghantar isyarat yang terbaik kerana ia dilindungi oleh lapisan kuasa di kedua-dua sisi. Tetapi ia menyembunyikan garis isyarat di dalam dan tidak menyebabkan ujian.

Teori integriti isyarat

Integriti isyarat (SI) terutamanya mempelajari isu kualiti dan masa selepas isyarat dihantar sepanjang wayar. Secara umum, masalah integriti isyarat yang perlu diselesaikan termasuk: (1) refleksi, disebabkan oleh ketidakpadanan impedance; (2) percakapan salib, disebabkan oleh sambungan isyarat sebelah; (3) ketinggian dan ketinggian; (4) berdering, prestasi Untuk isyarat untuk berulang kali oscillasi, ia boleh ditahan dengan penghentian yang betul; (5) Suara penerbangan tanah melompat dan menukar bunyi, untuk peranti kelajuan tinggi, bilangan besar isyarat bas data melompat dengan cepat, dan perubahan semasa melalui gelung tanah membawa ke pesawat tanah yang tidak ideal; ( 6) Pemindahan kuasa. Untuk sirkuit kelajuan tinggi, mengawal pengendalian pesawat kuasa/tanah adalah kunci untuk desain sistem; (7) Masa. Untuk reka kelajuan tinggi, lambat penyebaran isyarat, ofset jam, dan kegelisahan cukup untuk menyebabkan sistem tidak dapat menghakimi data dengan betul; (8) Masalah EMI termasuk radiasi elektromagnetik dan kekebalan. Solving EMI problems in PCB design is the most important link in system EMI control, and the cost is the lowest.

Model simulasi dan kaedah model

Model simulasi SPICE dan kaedah model

SPICE model simulasi SPICE (program simulasi dengan tekanan sirkuit terintegrasi) adalah program analisis sirkuit umum yang boleh menganalisis dan simulasi karakteristik sirkuit berbeza dalam keadaan umum.

Program SPICE boleh menggantikan fungsi seluruh makmal elektronik seperti papan roti dan osciloskop. Program SPICE mempunyai perpustakaan peranti besar, termasuk: (1) Model peranti pasif, seperti penahan, kondensator, induktor, garis penghantaran, dll.; (2) Model peranti semikonduktor, seperti diod, transistor, transistor kesan medan sambungan, dan medan MOS. Tuba kesan, dll.; (3) Pelbagai bekalan kuasa, termasuk sumber kawalan linear dan bukan linear, seperti sumber tegangan independen, sumber semasa, sumber tegangan kawalan, sumber semasa, dll.; (4) A/D, D/A antaramuka penukaran Circuit dan perpustakaan peranti sirkuit digital.

Kaedah pemodelan model SPICE biasanya menggunakan dua jenis peranti, satu adalah komponen diskret dan yang lain adalah cip. Menurut jenis peranti, dua kaedah pemodelan sirkuit diterima.

1) Model peranti asas. Contohnya: resistor, kondensator, induktor, triod biasa, dll. Ini adalah unit yang paling asas yang membentuk sirkuit. Kaedah fizikal biasanya digunakan untuk model, iaitu, model peranti ditetapkan dengan persamaan yang menggambarkan ciri-ciri fizikal peranti sebagai titik permulaan. Model peranti yang sama dibawah frekuensi operasi berbeza.

2) Model peranti sub-sirkuit Chip. Chips biasanya terdiri dari beberapa komponen asas, dan setiap komponen unit asas dan hubungan sambungannya dibuat menjadi sub-sirkuit dalam bentuk senarai rangkaian, yang boleh dipanggil oleh sirkuit lain untuk membentuk model sub-sirkuit cip. Biasanya kaedah kotak hitam (Black box) digunakan untuk model, iaitu, peranti dianggap sebagai kotak hitam, fokus pada ciri-ciri kerja port, dan menggunakannya untuk membentuk model.

Model simulasi IBIS dan struktur model

IBIS model simulasi (maklumat penimbal input/output) spesifikasi maklumat penimbal input/output, adalah maklumat model piawai bagi komponen. Model IBIS merupakan kaedah untuk memmodelkan penimbal I/O dengan cepat dan tepat berdasarkan lengkung V/I. Ia adalah piawai antarabangsa yang mencerminkan ciri-ciri elektrik pemandu dan menerima cip. Ia menyediakan format fail piawai untuk rekod seperti pemacu. Parameter seperti impedance output, masa naik/jatuh dan muatan output sangat sesuai untuk pengiraan dan simulasi kesan frekuensi tinggi seperti bunyi dan percakapan salib.

Model IBIS struktur model IBIS adalah model yang digunakan untuk menggambarkan ciri-ciri maklumat penimbal I/O. Keterangan perilaku bagi port output dan input boleh dihapuskan ke dalam siri modul fungsi sederhana, dan model IBIS lengkap boleh ditetapkan dari modul fungsi sederhana ini. Iaitu, unsur asas dalam unit penimbal, termasuk parameter parasit (input, output atau benarkan terminal) yang dibawa oleh pakej, kapasitas parasit silikon sendiri, sirkuit perlindungan penyembedding kuasa atau tanah, ambang dan logik benarkan, sirkuit tarik-naik dan tarik-turun, dll.

Contoh simulasi PCB dan analisis keputusan

Tetapkan parameter berkaitan untuk simulasi papan PCB

Terdapat dua jenis simulasi papan sirkuit dicetak: simulasi garis dan simulasi aras papan. Simulasi baris boleh membantu desainer menyesuaikan bentangan komponen, merancang rangkaian jam sistem dan menentukan strategi penghentian rangkaian baris kunci sebelum menjalankan rute mengikut keperluan integriti isyarat dan masa semasa merancang, jejak desain semasa proses menjalankan rute, dan balas balik pengaturan bila-bila masa Kesan. Simulasi aras papan biasanya dilakukan selepas rancangan PCB selesai. Kesan faktor-faktor ini pada SI dan kesan bersama-sama faktor-faktor seperti elektrik, EMC, prestasi panas dan prestasi mekanik boleh dianggap secara keseluruhan, untuk melakukan analisis aras sistem yang sebenar dan mengesahkan. Apabila melakukan simulasi, pertama muatkan model simulasi komponen, dan kemudian lakukan prasimulasi untuk menentukan tetapan parameter dan beberapa syarat ketat yang diperlukan dalam proses kabel. Kemudian, semak kesan kabel melalui simulasi baris pada bila-bila masa semasa proses kabel sebenar, dan akhirnya selepas kabel pada dasarnya selesai, simulasi aras papan dilakukan untuk semak prestasi sistem [6]. Contoh dalam artikel ini ialah analisis simulasi refleksi bagi penerima optik optik bentuk-faktor kecil yang boleh dipalam SFP (penerima optik faktor-bentuk kecil).

Contoh simulasi dan analisis keputusan

Model simulasi ditetapkan selepas desain skematik modul penerima optik SFP selesai, desain papan PCB patut dimulakan. Kerana frekuensi kerja modul penerima optik SFP ditetapkan ke 1.25Gbit/s, kadar data sangat tinggi, dan panjang jejak perbezaan sangat panjang, jadi persamaan impedance garis penghantaran microstrip mesti digunakan untuk mengurangkan refleksi di sumber dan terminal, demikian pastikan kualiti isyarat. Menurut data cip MAX3748 dalam diagram skematik, pengendalian output satu-akhir garis perbezaan adalah 50Ω, dan menurut protokol SFP-MSA, pengendalian perbezaan RD+/- port pada papan induk adalah 100Ω. Menurut teori garis perbezaan, dalam ketidakhadiran sambungan, impedance perbezaan dua garis transmisi microstrip paralel adalah sama dengan dua kali impedance satu-akhir. Oleh itu, garis penghantaran dengan impedance karakteristik 50Ω mesti digunakan untuk sepadan. Ekstrak topologi rangkaian sambungan antara MAX3748 dan sambungan J1 seperti yang dipaparkan dalam Figur 2. Kerana J1 adalah sambungan, tiada data model IBIS yang sepadan yang boleh dipanggil. Oleh itu, untuk membuat simulasi boleh, muatkan penerima berbeza DIN1 yang datang dengan sistem di J1. Dan tetapkan frekuensi kerja yang sepadan.

Figure 2 Struktur topologi sambungan antara MAX3748 dan J1

Hasil simulasi dan analisis Melalui analisis keputusan simulasi, kualiti isyarat tidak memenuhi keperluan desain. Masalah utama adalah sebagai berikut: (1) Tidak-lineariti di pinggir yang naik dan jatuh; (2) Beberapa ketinggian dan ketinggian dalam bentuk gelombang; (3) ) Kadar pinggir menjadi lambat. Dengan melihat masalah di atas, melalui analisis lanjutan litar, ia ditemukan bahawa fenomena ini disebabkan oleh dua faktor. 1) Oleh kerana modul penerima optik SFP menggunakan garis berbeza untuk pemindahan isyarat, menurut protokol SFP-MSA, pengendalian berbeza pada papan induk ialah 100Ω. Selain itu, penghalangan akhir output perbezaan MAX3748 adalah 100Ω. Dalam simulasi terdahulu, apabila sistem mengekstrak topologi, impedance lalai adalah garis microstrip 60Ω, yang menyebabkan ketidaksepadan impedance. 2) Oleh kerana terminal input berbeza sistem dimuatkan di belakang J1, apabila ia berada dalam keadaan impedance tinggi, ia sama dengan situasi sirkuit terbuka terminal, dan terdapat refleksi besar.

Oleh itu, untuk memastikan kualiti isyarat, persamaan impedance mesti dilakukan. Tetapkan halangan garis penghantaran berbeza ke 100Ω. Menurut teori garis garis microstrip perbezaan, menggunakan perisian pengiraan garis pengiraan transmisi boleh menghitung lebar garis garis perbezaan menjadi 15mil, jarak garis adalah 10mil, dan impedance satu-akhir yang sepadan adalah sekitar 62.5Ω. Oleh kerana terdapat sambungan tertentu antara garis perbezaan, - garis strim mikro tanpa kehilangan dalam struktur topologi simulasi sebelumnya diganti dengan garis strim mikro yang hilang dan terhubung untuk analisis simulasi. Pada masa yang sama, tambah perlawanan terminal 50Ω kepada bekalan kuasa 3.3V dalam topologi.

Topologi yang diubahsuai dipaparkan dalam Gambar 3.

Figure 3

Ia boleh diketahui dari simulasi bentuk gelombang dan analisis diagram mata bahawa isyarat mempunyai integriti isyarat relatif baik. Amplitude ketinggian isyarat adalah kira-kira 54mV, pinggir yang meningkat dan jatuh adalah kira-kira 100ps, dan amplitude swing isyarat output berbeza mencapai kira-kira 850mV, yang memenuhi keperluan output isyarat.