Технология PCB - технология проектирования печатных плат на основе скоростной FPGA

Если высокоскоростное проектирование печатных плат может быть таким же простым, как соединение узлов схемы,и таким же красивым, как вы видите на мониторе компьютера, то это было бы чудесно.Однако, если только дизайнер не новичок в дизайне печатной платы, или чрезвычайно удачлив, реальное проектирование печатной платы обычно не так просто. Прежде чем конструкция сможет наконец нормально работать и кто-то подтвердит ее работоспособность, Разработчики печатных плат сталкиваются со многими новыми проблемами. Таков текущий статус проектирования высокоскоростных печатных плат - правила и рекомендации по проектированию продолжают развиваться. Если тебе повезет, они сформируют успешное решение.

подавляющее большинство разработчиков схемы PCB, которые хорошо знают принципы работы и взаимодействия оборудования PCB, а также различные стандарты передачи данных, составляющие входную и выходную схему. результатом взаимодействия между профессиональными картографами стало то, что произошло после перехода на медную линию печатных схем. как правило, ответственность за успех или провал платы в конечном счете несет конструктор схемы. Тем не менее, чем больше конструкторы принципиальных чертежей понимают прекрасное расположение техники, тем больше возможностей избежать серьезных проблем.

если при проектировании будет учитываться высокая плотность FPGA, то перед тщательно разработанными концептуальными схемами могут возникнуть многочисленные проблемы. включая сотни входных и выходных портов, рабочие частоты которых превышают 500мгц (возможно, более высокие в некоторых конструкциях), а также расстояние между сварными шариками размером от малого до полумиллиметра, все из которых создают ненужные помехи между элементами конструкции. взаимовлияние.

шум параллельного переключателя

переключение разностных сигналов на высокоскоростные линии данных является первым шагом в решении проблемы вызова и помех. Поскольку верхняя линия разности - это конец стока, а другая обеспечивает ток источника, эффект индуктивности можно существенно устранить. при использовании дифференциальных разностей при передаче данных, так как ток сохраняется локально, это помогает уменьшить "отскок" шума индуктивного тока в цепи. для радиочастот до сотен МГц и даже гомц теория сигналов показывает, что при совпадении импедансов можно передавать максимальную мощность сигнала. Когда линия передачи не совпадает, возникает рефлекс, и только часть сигнала передается отправителем в приемное устройство, в то время как другие части отскакивают между отправителем и получателем. качество, достигаемое на разностных сигналах PCB, будет оказывать существенное влияние на согласование сопротивлений (и других).

дифференциальное проектирование траектории

Проектирование дифференциального тракта основано на принципе печатной платы с управляемым импедансом. Модель немного напоминает коаксиальный кабель. на печатной плате с контролируемым импедансом слой металлической плоскости может использоваться в качестве экранирующего слоя, изолятор - многослойный, а проводники - это пары сигнальных трасс (см. рис. 1). средняя диэлектрическая проницаемость FR4 колеблется от 4 до 4,2 и 4,5. Поскольку погрешность изготовления неизвестна, это может привести к коррозии медных проводников, что в конечном итоге вызовет ошибки в импедансе. Наиболее точным методом расчета импеданса трасс печатной платы является использование программы анализа поля (обычно двухмерной, иногда трехмерной), которая требует использования конечных элементов для прямого решения уравнений Максвелла для всей печатной платы в партиях. Такое программное обеспечение позволяет анализировать эффект EMI по расстоянию между дорожками, ширине линии, толщине нити и высоте изолирующего слоя.

развязывающий и обходный конденсатор

Еще один важный аспект, позволяющий определить, соответствует ли реальная производительность печатной платы ожиданиям, требует контроля путем добавления развязывающих и шунтирующих конденсаторов. увеличение количества развязывающих конденсаторов поможет уменьшить индуктивность между питанием печатной платы и коллектором, а также поможет контролировать все сигналы печатной платы и сопротивление ИС. Шунтирующий конденсатор помогает обеспечить чистое питание для ПЛИС (обеспечивая зарядный банк). Традиционное правило заключается в том, что развязывающие конденсаторы должны быть размещены в удобном для разводки печатной платы месте, а количество выводов питания ПЛИС определяет количество развязывающих конденсаторов. Однако сверхвысокая скорость переключения ПЛИС полностью разрушила этот стереотип.

конденсаторы, расположенные в непосредственной близости от источника электропитания, обеспечивают Частотную компенсацию за изменение тока нагрузки. для обеспечения низкочастотного фильтра и предотвращения падения напряжения в электроснабжении используются Большие конденсаторы развязки. падение напряжения было вызвано задержкой реакции регулятора напряжения при запуске проектируемой схемы. такие крупные конденсаторы, как правило, представляют собой Электролизные конденсаторы с высокочастотной низкочастотной реакцией, диапазон частот которой варьируется от DC до нескольких сотен кГц.

каждый раз, когда изменяются выходы FPGA, необходимо зарядить и разрядить сигнальную линию, что требует энергии. функция блокировочного конденсатора состоит в том, чтобы обеспечивать локальную резервную энергию в широком диапазоне частот. Кроме того, нужен небольшой конденсатор с небольшой индуктивностью последовательного соединения, обеспечивающий высокочастотный переходный ток. после того как потребляется энергия высокочастотного конденсатора, большой конденсатор, реагирующий медленно, продолжает обеспечивать ток.

обычно подключение развязывающего конденсатора должно быть абсолютно коротким, включая вертикальное расстояние в проходном отверстии. даже незначительное увеличение увеличит индуктивность провода и тем самым снижает эффект развязки.

Другие технологии

По мере увеличения скорости сигнала становится все труднее легко передавать данные на печатной плате. Для дальнейшего повышения эффективности печатной платы можно использовать и другие технологии.

первый и наиболее очевидный способ - Это простая компоновка устройства. самый короткий и прямой путь к наиболее важным связям - Это здравый смысл, но не следует недооценивать его. так как самая простая стратегия может получить лучший результат, зачем беспокоиться о корректировке сигнала на платы?

почти такой же простой способ определить ширину линии сигнала. в тех случаях, когда скорость данных достигает 622 МГц или выше, поверхностный эффект передачи сигналов становится более заметным. при длительном расстоянии очень тонкая дорожка регистрации PCB (например, 4 или 5 миллиметров) будет создавать значительное затухание сигнала, как если бы не был спроектирован низкочастотный фильтр, затухание которого изменяется с увеличением частоты. Чем длиннее задняя панель, тем выше частота, тем шире должна быть сигнальная линия. ширина линии должна достигать 10 или 12 миллиметров для записи дорожки на задней пластине длиной более 20 дюймов.

обычно, самый главный сигнал на платы - это часовой сигнал. В то время, когда линия колокола была слишком длинной или не была спроектирована, она увеличивала бы тряску и смещение вниз по течению, особенно в тех случаях, когда скорость увеличивалась. Следует избегать использования многоуровневых передаточных часов, и не должно быть дыр в линии часов, потому что через отверстие увеличит сопротивление изменения и отражения. если необходимо использовать внутренний слой для размещения часов, верхние и нижние слои должны использовать уровень земли, чтобы уменьшить задержку. при проектировании с использованием FPGA PLL шум на поверхности источника увеличит шум на PLL. если это так важно, вы можете создать "Остров питания" для PLL. остров может использовать более мощные методы травления на металлическом уровне для изоляции аналоговых и цифровых источников энергии PLL.

И наконец, одним из наиболее эффективных методов является ссылка на справочные доски, предоставленные производителями FPGA. большинство производителей будут предоставлять информацию о исходной раскладке справочной доски, но из - за проблем с личной информацией могут потребоваться специальные приложения. эти платы обычно содержат стандартные высокоскоростные интерфейсы I / O, поскольку производители FPGA должны использовать их для описания и сертификации своего оборудования. Однако помните, что эти платы, как правило, предназначены для различных целей и могут не полностью соответствовать конкретным проектным требованиям. Тем не менее они могут служить отправной точкой для выработки решений

Обзор

Конечно, в этой статье рассказывается только о некоторых базовых понятиях. Любая тема здесь может быть рассмотрена в целой книге. Главное - понять, какова цель, прежде чем вкладывать много времени и усилий в проектирование разводки печатной платы. После завершения проектирования разводки перепроектирование потребует много времени и денег, даже если ширина дорожек немного скорректируется. Нельзя полагаться на инженеров по разводке печатных плат, которые могут создать дизайн, отвечающий реальным потребностям. Разработчик макета должен всегда давать указания, делать разумный выбор и брать на себя ответственность за успех решения.