Технология PCB - Проектирование целостности сигнала печатной платы гигабитного оборудования

В этой статье в основном обсуждаются вопросы проектирования целостности сигнала, которые необходимо учитывать при гигабитной передаче данных, а также инструменты проектирования печатных плат для решения этих проблем, например, скин-эффект и диэлектрические потери, влияние прерываний и соединений, внимание на разностный сигнал и проводку, распределение мощности и контроль электромагнитных помех, сорт.

The rapid development of communication and computer technology has made high-speedпечатная плата design enter the gigabit field. Применение новых высокоскоростных устройств позволяет передавать такие данные на задней и одной досках на большие расстояния. At the same time,печатная плата design The signal integrity issues (SI), Кроме того, усилилась проблема целостности питания и электромагнитной совместимости. Signal integrity refers to the quality of the signal transmitted on the signal line. Основные вопросы, oscillation, момент, ground bounce, есть еще. Poor signal integrity is not caused by a single factor, Вместе с тем на уровне Совета директоров разрабатываются комбинации различных факторов. In the PCB board design of gigabit equipment, a good signal integrity design requires engineers to fully consider the issues of components, схема межсоединения линий электропередач, power distribution and EMC. высокая скоростьпечатная плата design EDA tools have evolved from pure simulation verification to a combination of design and verification, помогать Конструкторам устанавливать правила на ранних этапах проектирования, избегать ошибок, а не находить проблемы на более позднем этапе проектирования. с ростом скорости данных дизайн становится все более сложным, high-speedпечатная плата потребность в инструментах системного анализа. These tools include timing analysis, анализ целостности сигнала, design space parameter scan analysis, проектирование с электромагнитной совместимостью, power system stability analysis, сорт. . Здесь мы сосредоточим внимание на некоторых вопросах, которые следует учитывать при анализе целостности сигналов в будущемпечатная плата проектирование гигабаритного оборудования.

High-speed devices and device models

Although the Gigabit transmitting and receiving component suppliers will provide design information about the chip, поставщик компонентов также должен понимать целостность сигнала нового оборудования, so the design guidelines given by the component supplier may not be mature. Да, the design constraints given by the device supplier are usually very harsh, инженер - конструктор не может выполнить все правила проектирования. поэтому, it is necessary for signal integrity engineers to use simulation analysis tools to analyze the supplier™s constraint rules and actual design, обследование и оптимизация выбора компонентов, топология, matching scheme, & Значение согласующихся компонентов, and finally develop to ensure signal integrityпечатная плата правила размещения и монтажа. Therefore, очень важен точный имитационный анализ гигабатических сигналов, все большее внимание уделяется также роли моделей приборов в анализе целостности сигналов.

модели компонентов обычно включают модели IBIS и Spice. модель IBIS используется для высокоскоростныхпечатная плата, поскольку имитация уровня пластин связана только с откликом сигналов через систему межсоединений от выводных пяток до входных пяток, производители IC не хотят разглашать подробную информацию о схемах внутри оборудования и время моделирования модели Spice на транзисторах обычно невыносимо. область проектирования постепенно получает все больше производителей оборудования и инженеров по целостности сигналов.

аналоговый гигабайтпечатная плата systems, Инженеры часто сомневаются в точности модели IBIS. When the device works in the saturation and cut-off region of the transistor, модель IBIS не содержит достаточно подробной информации для ее описания. In the non-linear region of the transient response, Результаты моделирования модели IBIS не позволяют получить точную информацию о реакции, такую как модель транзистора. However, устройство типа ECL, an IBIS model that is very consistent with the simulation results of the transistor-level model can be obtained. причина проста. The ECL driver works in the linear region of the transistor, выходная форма. According to the IBIS standard, Это может быть точнее. IBIS model.

увеличение скорости передачи данных, differential devices developed on the basis of ECL technology have been greatly developed. Стандарты LDS и CML. make it possible to transmit gigabit signals. из вышеизложенного следует, что стандарты IBIS по - прежнему применимы к проектированию гигабайт - систем в силу структуры схем и соответствующего применения дифференциальных технологий. Some published application articles of IBIS model in 2.Это также подтверждается дизайном 5GbpsLDS и CML.

Поскольку модель IBIS не подходит для описания активных схем, модель IBIS не подходит для многих установок Gbps, оснащенных предварительно отягчающими схемами для компенсации потерь. Таким образом, при проектировании гигабаритных систем модель IBIS может эффективно работать только в следующих условиях:

1. Differential devices work in the amplification area (linear V-I curve)

2. предварительно отягчающая схема, не активированная устройством

три. The device has a pre-emphasis circuit but does not start (activating the pre-emphasis function in a short interconnected system may lead to worse results)

оборудование имеет пассивную предварительно отягчающую схему, которая может быть отделена от пресс - формы оборудования.

если скорость данных составляет 10 Гбит / с или более, the output waveform is more like a sine wave, затем модель Spice более пригодна.

Loss effect

при увеличении частоты сигнала затухание линии передачи нельзя игнорировать. при этом необходимо учитывать потери, вызванные эквивалентным сопротивлением тандемного проводника и эквивалентной проводимостью параллельной среды, и анализировать их с использованием модели линии передачи с потерями.

эквивалентная модель поврежденных линий передачи показана на рис. 1. На рисунке видно, что эквивалентное последовательное сопротивление R и эквивалентная параллельная проводимость G являются признаками потерь. эквивалентное последовательное сопротивление R - это сопротивление, вызванное постоянным сопротивлением и поверхностным эффектом. сопротивление постоянного тока является сопротивлением самого проводника, которое определяется физической структурой проводника и удельным сопротивлением проводника. эффект скин - эффекта начинает действовать, когда частота увеличивается. скин - эффект означает, что при прохождении высокочастотного сигнала проводником ток сигнала в проводнике концентрируется на поверхности проводника. внутри проводника плотность тока сигнала по поперечному сечению проводника имеет экспоненциальное затухание, а плотность тока падает до первоначальной глубины 1 / е, именуемой глубиной скинии. Чем выше частота, тем меньше глубина скинии, тем больше сопротивление проводника. глубина кожи обратно пропорциональна квадратному корню частоты.

The equivalent parallel conductance G is also called dielectric loss (DielectricLoss). низкая частота, the equivalent parallel conductance is related to the bulk conductivity and equivalent capacitance of the medium, при увеличении частоты, the угол диэлектрических потерь begins to play a leading role. сейчас, the dielectric conductivity is determined by the dielectric loss angle and the signal frequency.

как правило, при частоте менее 1 ГГц потери на кожных эффектах играют главную роль, а при частоте более 1 ГГц Преобладающую роль играют потери диэлектрика.

в программе имитации, you can set the dielectric constant, dielectric loss angle, conductor conductivity, частота отсечки. The software will consider the skin effect and dielectric loss according to the structure of the transmission line during simulation. Если имитация затухания, the corresponding cutoff frequency must be set according to the bandwidth of the signal. ширина полосы определяется скоростью края сигнала. скорость края многих 622MHz сигналов.сигнал 5GHZ не сильно отличается. Кроме того, the equivalent can be seen in the model of lossy transmission lines. изменение сопротивления и проводимости по частоте.

Как видно из диаграммы 2, потеря снижает высоту сигнала, т.е. С другой стороны, это помогает подавлять гипермодуляцию сигнала.

потери на линии передачи. Crosstalk is determined by the physical structure of the transmission line, длина связи, signal strength and edge rate. через некоторое время, the согласный will saturate, Но ущерб не обязательно увеличивается.

влияние проходного отверстия и соединителя

Vias transmit the signal to the other side of the board. неуправляемое сопротивление металлической части вертикальной платы, and the inflection point from horizontal to vertical is a breakpoint, Это может вызвать размышления, so its appearance should be minimized (Figure 3).

при проектировании и имитации гигабаритной системы необходимо учитывать воздействие отверстий, а также необходимость моделирования отверстий. В соответствии с конкретными требованиями, предъявляемыми к применению и точности, можно было бы параллельно использовать несколько структур RLC, а также рассмотреть возможность подключения к другим проводникам. На данный момент модель вии - это матрица.

есть два способа получить модель via. One is to obtain it through testing, например TDR, and the other can be extracted by a 3D field extractor (FieldSolver) based on the physical structure of the via.

Параметры модели Via связаны с материаламипечатная плата, укладкой, толщиной, размерами паяльного диска / контрсварочного диска и методом соединения проводов спечатная плата. в эмуляции программного обеспечения могут быть установлены различные параметры в соответствии с требованиями точности. программное обеспечение будет извлекать модели сквозных отверстий на основе соответствующих алгоритмов и учитывать их влияние в процессе имитации.

при проектировании гигабайт систем PCB, особое внимание следует уделять влиянию разъема. развитие технологии высокоскоростных соединений уже обеспечивает непрерывность процесса передачи сигналов. The simulation analysis of the connector in the design is mainly Use a multi-line model.

многолинейная модель соединителя была взята в трехмерном пространстве с учетом индуктивной и емкостной связи между лодыжками. многолинейная модель разъема обычно использует трехмерный полевой экстрактор для извлечения матрицы RLGC, которая обычно является формой подсхемы модели Spice. из - за сложности конструкции модели для извлечения и имитации потребуется много времени. в программном обеспечении SPECTRAQUEST вы можете изменить модель Spice в качестве модели Espice для устройства или прямого вызова, или изменить модель пакета в формате DML и передать ее на устройство.

разностный сигнал и внимание

разностный сигнал обладает высокой помехоустойчивостью, высокой скоростью передачи. передача сигналов, it can better reduce the influence of crosstalk and EMI. его формы связи включают боковую и нижнюю связь, loose coupling and tight coupling.

верхняя и нижняя муфта, the edge coupling has the advantages of better reduction of crosstalk, удобство подключения, simple processing, сорт., верхняя и нижняя связь более часто используется панельпечатная плата with high wiring density. по сравнению с свободной связью, tight coupling has better anti-interference ability and can reduce crosstalk, А ослабить связь лучше контролировать непрерывность дифференциального сопротивления канала.

конкретные правила распределения разностей должны учитывать влияние непрерывности сопротивлений, loss, crosstalk, and trace length differences according to different situations. лучше всего использовать глазную карту для анализа аналоговых результатов дифференциальных линий. эмулятор программного обеспечения может установить случайный серийный код, and can input the jitter and offset parameters to analyze its impact on the eye diagram.

распределение и EMC

увеличение скорости передачи данных сопровождается более высокими пограничными темпами, and it is necessary to ensure power supply stability in a wider frequency band. высокоскоростная система может пропускать ток через переходный 10A и требует максимальной мощности 50 МВт, which means that the impedance of the power distribution network within a certain frequency range must be within 5mΩ. например, the rise time of the signal is less than 0.5нс. The bandwidth range is up to 1.0GHz.

при проектировании гигабаритной системы необходимо избегать помех от синхронного шума (SSN) и обеспечивать, чтобы система распределения имела низкий импеданс в диапазоне частот. обычно в диапазоне низкой частоты используется развязывающий конденсатор для снижения сопротивлений, а в сегменте высокой частоты - главным образом для распределения энергии и земной поверхности. На рисунке 4 показана частотная реакция на изменение импеданса при рассмотрении развязывающих конденсаторов в слое питания и в плоскости горизонта, а также при отсутствии развязывающих конденсаторов.

программное обеспечение SPECTRAQUEST позволяет анализировать последствия синхронных шумов, вызываемых структурой упаковки. программное обеспечение PowerIntegrity (PI) позволяет эффективно анализировать количество и расположение развязывающих конденсаторов, а также влияние электропитания и коллектора, помогая инженерам в выборе и конфигурации развязочных конденсаторов, а также в анализе распределения линий и плоскостей.