Технология PCB - высокоскоростной цифровой печатных плат метод проектирования на основе анализа полноты сигналов

В данной статье представлен метод проектировать высокоскоростные цифровые сигнальные панели печатных плат на основе компьютерного анализа целостности сигнала. В этом методе проектирования, этот печатных плат уровень передачи сигнала сначала устанавливается для всех высокоскоростных цифровых сигналов, а затем пространство решений проектировать через расчет и анализ целостности сигнала, и, наконец, PCB завершена на основе пространства решений. Проектирование и проверка платы.

в связи с повышением скорости выходного переключателя интегральных схем и увеличением плотности панелей PCB Целостность сигналов стала одной из проблем, требующих внимания при проектировании высокоскоростных цифровых PCB.Параметры элементов и панелей PCB, компоновка компонентов на панелях PCB и проводка высокоскоростных сигналов могут вызвать проблемы целостности сигнала, что может привести к дестабилизации функционирования системы или даже к ее полному отсутствию.

Как полностью учесть факторы целостности сигнала в процессе проектирования печатной платы и принять эффективные меры контроля стало горячей темой в индустрии проектирования печатных плат сегодня. Методология проектирования печатных плат для высокоскоростных цифровых телевизионных панелей, основанная на анализе целостности сигнала, может эффективно обеспечить целостность сигнала разработанной печатных плат.

Обзор вопросов целостности сигнала

полнота сигнала (Sя) означает способность сигнала реагировать в цепи с правильным временем и напряжением. Если сигнал в цепи достигает IC в нужное время, длительность и амплитуду напряжения,то цепь обеспечивает большую полноту сигнала.напротив, когда сигнал не может нормально реагировать, возникает проблема целостности сигнала. в широком смысле проблема целостности сигналов проявляется в пяти областях: задержка,отражение,последовательное возмущение,шум синхронного переключателя (SSN) и электромагнитная совместимость (EMI).

задержка означает,что сигнал передается с ограниченной скоростью на проводах панели PCB,а сигнал отправляется с конца до конца приема,в течение которого имела место задержка передачи.задержка сигнала повлияет на время работы системы.в высокоскоростной цифровой системе задержка передачи в основном зависит от длины провода и диэлектрической проницаемости среды вокруг провода.

Кроме того, когда характеристический импеданс проводов на панели печатной платы (называемых линиями передачи в высокоскоростных цифровых системах) не совпадает с импедансом нагрузки, часть энергии будет отражаться обратно по линии передачи после того, как сигнал достигнет приемного конца, искажать форму сигнала, даже посылать ультрагармонический сигнал. Если сигнал отражается от линии передачи туда и обратно, он вызовет звонки.

Поскольку между любыми двумя устройствами или проводами на печатные платы существует взаимная емкость и взаимная индуктивность, Когда меняется устройство или сигнал на проводе, его изменение будет влиять на другие устройства или индуктивность через взаимную емкость и взаимную индуктивность. Проволока, то есть согласный сигнал. Сила перекрестных помех зависит от геометрических размеров и взаимного расстояния устройств и проводов.

Когда много цифровых сигналов панели печатной платы переключаются синхронно (например, шина данных процессора, адресная шина, сорт), из-за импеданса линии питания и линии заземления, шум синхронизации и дребезг плоскости заземления будет возникать на линии заземления. Шум (называемый "бомбой в земле"). Сила SSN и отскока от земли также зависит от характеристик ввода-вывода интегральной схемы, сопротивления слоя питания и коллектора печатной платы, а также от компоновки и разводки высокоскоростных устройств на панели печатной платы.

Кроме того, как и другие электронные устройства, печатные платы также имеют проблемы с электромагнитной совместимостью, что в основном связано с размещением и монтажом панельного оборудования на печатных платах..

традиционный метод проектирования панелей PCB

В традиционном процессе проектирования печатная плата состоит из поочередного проектирования схемы, компоновки, изготовления печатной платы, измерений и отладки. на этапе проектирования схемы, из-за отсутствия эффективных методов и средств анализа характеристик передачи сигнала на реальной панели печатной платы, схемы обычно проектируются только по рекомендации производителя и специалиста по элементам, а также на основе опыта предыдущих разработок. поэтому для нового проекта обычно трудно выбрать правильные факторы, такие как топология сигнала и параметры элементов в соответствии с конкретной ситуацией..

В макете печатной платы стадии t дизайн, Это также трудно анализировать и оценивать в режиме реального времени изменения в характеристиках сигнала, вызванные расположением компонентов печатной платы и проводки сигнала,Таким образом,качество макета зависит больше от опыта дизайнера. PCB этап производства, так как процессы каждой панели PCB частей производителей, параметры модуля панели PCB обычно имеет большой диапазон допусков,что делает шоу панели PCB более трудно контролировать.

В традиционном процессе проектирования печатных плат производительность панели можно оценить с помощью инструментальных измерений только после завершения производства. Проблемы,выявленные в ходе обследования панели отладки печатной платы,должны быть изменены на следующем этапе проектирования печатной платы.Но что еще сложнее, так это то,что некоторые проблемы зачастую трудно количественно выразить в параметрах при предыдущем проектировании схемы и макета.Поэтому для более сложных панелей печатных плат вышеупомянутый процесс обычно приходится повторять много раз,чтобы окончательно удовлетворить требования дизайна.

можно отметить, что по сравнению с традиционным подходом к проектированию PCB цикл разработки продукции является более длительным, а затраты на НИОКР - более высокими.

Метод проектирования печатных плат на основе анализа целостности сигнала

Процесс проектирования PCB на основе анализа целостности сигналов показан на рисунке 2. по сравнению с традиционными методами проектирования PCB, методика, основанная на анализе целостности сигналов, имеет следующие характеристики:

Прежде чем приступить к проектированию печатной платы, необходимо создать модель целостности сигнала для высокоскоростной передачи цифровых сигналов..

По модели SI, был проведен ряд предварительных анализов целостности сигналов, и подходящий тип компонента, параметры и топология схемы выбираются в соответствии с результатами имитационного расчета как основа для проектирования схемы.

В процессе проектирования схемы, проектный план отправляется в SI модель для анализа целостности сигнала, диапазона допусков компонентов панели параметров печатной платы, Возможные изменения топологических структур и параметров схемы PCBt дизайн, расчет и анализ других факторов. Пространство решений.

После завершения проектирования схемы, каждый высокоскоростной цифровой сигнал должен иметь непрерывное и достижимое пространство решений. То есть, когда параметры печатной платы и компонентов изменяются в определенном диапазоне,компоновка компонентов на экране печатной платы и разводка сигнальных линий на ней имеют определенную гибкость, требования к целостности сигнала все еще могут быть гарантированы.

В PCB проектирование схемы начинается, приобретение каждого сигнала для определения пространства граничных значений в качестве условия проектирования макета,Он используется в качестве основы для проектирования макета и монтажа системы PCB схемы.

В процессе проектирования печатной платы частично завершенный или полностью завершенный проект возвращается в SI модель для проведения анализа полноты проектного сигнала, чтобы убедиться, что реальный проект соответствует ожидаемым требованиям к целостности сигнала. Если эмуляция не соответствует требованиям, необходимо изменить даже схему проектирования,что позволяет снизить риск отказа изделия из за неправильного проектирования.

После завершения проектирования печатной платы можно приступать к изготовлению панели.Диапазон допускаемых параметров изготовления печатной платы должен находиться в диапазоне пространства решений анализа целостности сигнала.

После изготовления печатной платы панели,этот инструмент используется для измерений и отладки, чтобы проверить правильность SI - модели и SI - анализа, и использовать это как основу для корректировки модели.

На основе надлежащих моделей СИ и методов анализа,как правило,доработка печатной платы панели может быть выполнена без необходимости или просто путем внесения нескольких повторяющихся изменений в конструкцию и производство,что может сократить цикл разработки продукта и снизить стоимость разработки.

модель для анализа целостности сигналов

В методологии проектирования печатных плат, основанной на анализе целостности сигналов, наиболее важным является создание панели модели целостности сигналов на уровне печатной платы, что отличается от традиционного проектирования.

правильность модели си определит правильность конструкции,а возможность построения модели си определяет жизнеспособность этого метода проектирования.

SI-модель проектирования печатных плат

в электронном виде многие модели могут использоваться для анализа целостности сигналов уровня PCB. Наиболее распространенными тремя видами являются SPICE, IBIS и Verilog

SPICE model

SPICE это мощный универсальный Имитатор аналоговых схем.В настоящее время модель SPICE широко используется в электронном проектировании и имеет две основные версии: HSPICE и PSPICE. HSPICE используется главным образом для проектирования интегральных схем,а PSPICE используется главным образом для проектирования панелей PCB и системного уровня.

Модель SPICE состоит из двух частей: Уравнения модели и Параметры модели.Благодаря наличию модельных уравнений,SPICE-модель может быть тесно связана с алгоритмом симулятора, более эффективный анализ эффективности и результатов.

при проведении SI - анализа на уровне панелей PCB с использованием модели SPICE конструкторы и производители интегральных схем должны представить модель SPICE для подсхем модулей интегральных схем I/O,а также подробное и точное описание параметров изготовления полупроводниковых характеристик.Поскольку эти материалы,как правило, являются интеллектуальной собственностью и конфиденциальной информацией конструкторов и производителей, лишь немногие Производители полупроводников могут предлагать соответствующие модели SPICE при поставке продукции на основе кристаллов.

точность анализа модели SPICE зависит главным образом от источника параметров модели (т.е. сочетание уравнений модели и различных цифровых имитаторов также может повлиять на точность анализа. Кроме того, модель SPICE класса PCB имеет множество аналоговых расчетов, и анализ занимает много времени.

IBIS model

модель IBIS, первоначально Разработанная компанией « интел», использовалась для анализа целостности цифровых сигналов уровня PCB и системного уровня. В настоящее время он управляется открытым форумом IBIS,который стал официальным отраслевым стандартом (EIA / ANSI 656 - A).

Модель IBIS использует форму I/V и V/T таблицы для описания характеристик цифровой интегральной схемы I/элемент и вывод.Поскольку модель IBIS не требует описания внутренней схемы I / O/O и параметров производства транзисторов,она была одобрена и поддержана производителями полупроводников.Теперь все основные производители цифровых интегральных схем могут предоставлять соответствующие модели IBIS при поставке микросхем.

Точность анализа модели IBIS в основном зависит от количества точек данных в таблицах I/V и V/T и точности данных. Поскольку моделирование уровня жидкости в панельной печатной плате основано на модели IBIS,объем вычислений невелик, обычно составляет всего 1/10: 1/100 от соответствующей модели SPICE.

Модель Verilog-AMS и модель VHDL-AMS

Verilog-AMS и VHDL-AMS появились менее 4 лет назад, это новый стандарт. Как языки моделирования поведения аппаратуры, Verilog AMS и VHDL-AMS являются гипермножествами Verilog и VHDL, соответственно, Verilog-A является подсистемой Verilog AMS.

В отличие от моделей SPICE и IBIS, язык AMS, уравнение, написанное пользователем для описания поведения компонента. Подобно модели IBIS, язык моделирования AMS представляет собой независимый формат модели, который может использоваться во многих различных типах инструментов моделирования. Уравнения AMS также могут быть написаны на различных уровнях: на уровне транзисторов, I/клеточного уровня, группы ячеек ввода/вывода и т. д.

Поскольку Verilog-AMS и VHDL-AMS являются новыми стандартами, на сегодняшний день лишь немногие Производители полупроводников могут предложить модели AMS, а симуляторов, поддерживающих AMS, меньше, чем SPICE и IBIS. Тем не менее, реализуемость и точность расчетов модели AMS при анализе целостности сигнала на уровне печатной платы не уступают моделям SPICE и IBIS.

Selection of model

Поскольку не существует единой модели для полного анализа целостности сигналов на уровне печатной платы, при проектировании высокоскоростных цифровых печатных плат необходимо смешивать вышеупомянутые модели для создания модели передачи ключевых сигналов и чувствительных сигналов в наибольшей степени.

Для дискретных пассивных элементов можно найти SPICE-модель или непосредственно создать и использовать упрощенную SPICE-модель путем экспериментальных измерений.

для ключевых цифровых интегральных схем необходимо искать модели IBIS,предлагаемые изготовителем.В настоящее время большинство дизайнеров и производителей интегральных схем могут предлагать необходимые модели IBIS одновременно с предоставлением чипов через веб сайт или иным образом.

Для некритичных интегральных схем, если модель IBIS производителя недоступна, можно также выбрать тип IBIS по умолчанию. Конечно, можно также создать упрощенную модель IBIS, используя экспериментальные измерения.

Для панели печатной платы линии передачи упрощенная SPICE-модель линии передачи может быть использована в предварительном анализе после разводки в соответствии с реальным дизайном, а полная SPICE-модель линии передачи должна быть использована в анализе после разводки в соответствии с реальным дизайном..

Комбинация метода проектирования и существующего программного обеспечения EDA

В настоящее время в проектной отрасли PCB не существует интегрированного программного обеспечения EDA, которое могло бы быть разработано с помощью комплекса общих программных средств.

Используйте общее программное обеспечение SPICE (например, PSPICE, HSPICE и т.д.) для создания SPICE-моделей дискретных и пассивных компонентов и линий передачи на печатной плате, а также для их отладки и проверки.

Добавьте полученные SPICE/IBIS-модели различных компонентов и линий передачи в общее программное обеспечение для анализа целостности сигнала, такое как SPECCTRAQuest, HyperLynx, Tau, IS_Analyzer и т.д,создание модели SI-анализа сигнала на печатной плате, и проведение анализа целостности сигналов и гендерных расчетов.

использование SI - аналитического программного обеспечения для выполнения функций базы данных или других общих программ баз данных для дальнейшей сортировки и анализа результатов имитационных операций и поиска желательных решений.

Принимая граничное значение пространства решений в качестве основы проектирования печатных плат и ограничивающего условия проектирования разводки, общее программное обеспечение EDA для проектирования печатных плат, такое как OrCAD, Protel, прокладка, PowerPCB, Allegro и Mentor для завершения проектирования и макетирования цепей печатных плат.

После завершения разработки схемы печатной платы параметры реальной схемы (такие как топология, длина, расстояние и т. д.) могут быть извлечены автоматически или вручную с помощью вышеупомянутого программного обеспечения для разработки схемы и отправлены обратно в предыдущее программное обеспечение для анализа целостности сигнала для разводки. SI - анализ для проверки того, соответствует ли фактически разработанный проект требованиям в отношении пространства для решений.

После изготовления печатной платы правильность каждой модели и расчета моделирования может быть проверена с помощью экспериментальных приборов..

Краткое содержание этой статьи:

Этот метод проектирования имеет большое практическое значение для проектирования и разработки высокоскоростных цифровых панелей печатных плат, не только может эффективно улучшить характеристики дизайна продукта, но и значительно сократить цикл разработки продукта и снизить затраты на разработку. Можно предвидеть, что с непрерывным совершенствованием и совершенствованием модели анализа целостности сигналов и алгоритма расчётного анализа, Методы проектирования печатных плат, основанные на компьютерном анализе целостности сигнала, будут все чаще использоваться при разработке электронных изделий.