PCB Blogu - Yüksek hızlı FPGA tabanlı PCB tahta tasarımı teknolojisi

Bu ne harika bir şey, hızlı bir şekilde PCB tahtası tasarım şematik düğümlerini bağlamak kadar basit olabilir., ve bilgisayar monitorinde göründüğü kadar güzel,. Ama..., tasarımcılar PCB tasarımına yeni değilse, veya çok şanslı, gerçek PCB tasarımı genelde devre tasarımı ile ilgili olduğu kadar kolay değil.. PCB tahtası tasarımcılar tasarım sonunda çalışabilene kadar çok yeni zorlukla karşılaşırlar ve birisi performansını onaylayabilir.. Bu tam olarak yüksek hızlı durum. PCB tahtası tasarım - tasarım kuralları ve tasarım rehberleri sürekli geliştiriliyor., Ve eğer şanslıysanız,, başarılı bir çözüm yaparlar.. En büyük çoğu PCB tahtasıs, PCB komponentlerinin çalışma prensipinde ve etkileşimliliğinde ve devre tahtasının girdi ve çıkışını oluşturan çeşitli veri iletişim standartlarından oluşan şematik tasarımcılardır.. Biletler basılı devre bakra kablolarına dönüştüğünde oluşan düzenleme tasarımcıları arasındaki işbirliğin sonucu. Genelde, şematik tasarımcı son kurulun başarısından veya başarısızlığından sorumlu.. Ama..., bir şematik tasarımcı, düzenleme teknikleri hakkında, büyük sorunlardan kaçınmak için. Eğer tasarım, FPGA'nin yüksek yoğunluğunu, İyi tasarlanmış bir şematik önünde bir sürü zorluk var.. Yüzlerce girdi ve çıkış portları dahil edildi, operating frequencies in excess of 500MHz (possibly higher in some designs), solder topu, yarım milimetre kadar küçük, etc.. ortak etkisi.

Tekrar değiştirme sesi

Bu sorun muhtemelen aynı zamanda değiştirme sesi (SSN) veya aynı zamanda değiştirme çıkışı (SSO) olarak bilinir. Yüksek frekans veri akışlarının yüksek volum, veri hatlarının üzerinde çalma ve karışık konuşma gibi sorunlar yaratacak, yeryüzü sıkıştırma ve güç sağlaması güç ve yeryüzü uçaklarındaki tüm tahta performansını etkileyen güç ve yeryüzü enerji sağlaması gibi sorunlar yaratacak. Yüksek hızlı veri çizgilerinde arama ve karşılaştırma konuşması için, farklı sinyale değiştirmek iyi bir adım. Farklı çift üzerindeki bir tel sink ve diğeri kaynağı olduğundan dolayı, etkileyici etkiler aslında yok edilir. Verileri farklı çift kullanarak taşınırken, dönüş yolundaki etkilendirilmiş akışlardan "sıçrama" sesini azaltmak için yardımcı olur çünkü şu anda yerel tutulmuş. Radyo frekansları yüzlerce MHz ya da birkaç GHz'e kadar, sinyal teorisi, impedans eşleştiğinde sinyal gücü teslim edilebilir. İletim satırı iyi eşleşmediğinde, yansımalar olacak, sadece gönderilen bir parçası alıcıya gönderilecek, diğer parçalar gönderilen ve alıcın arasında geri dönecek. PCB'de ne kadar farklı bir sinyal gerçekleştirilir, impedance eşleşmesinde (diğer şeyler arasında) büyük bir rol oynayacak.

Farklı izler tasarımı

Farklı izler tasarımı, impedance kontrol edilmiş PCB tahtasının prensipine dayanmış. Modeli koksiyal kablo gibi. Kontrol edilmiş impedans PCB üzerinde metal uçak katı kalkanı olarak hareket ediyor, insulatör FR4 laminatı ve yöneticiler sinyal izleme çiftidir (görüntü 1). FR4'nin ortalama dielektrik konstantı 4.2 ve 4.5 arasında. Yapılım hatalarının farkında olmadığı için bakra hatlarının üstüne etkilenmesini sağlayabilir, sonunda impedance hatalarına neden olabilir. PCB izleme impedansı hesaplamanın metodu, bölge analiz program ı (genellikle iki boyutlu, bazen üç boyutlu), Maxwell'in denklemlerini tüm PCB gruplarının doğrudan çözmek için sonlu elementlerin kullanımına ihtiyacı olan bir alan analiz programı kullanmak. Yazılım, izler boşluğuna, izler genişliğine, izler kalıntısına ve izolaciya yüksekliğine dayanan EMI etkilerini analiz edebilir. 100Ω karakteristik impedance farklı bağlantı kabloları için endüstri standart değeri oldu. 100Ω farklı çizgi eşit uzunluğu olan iki 50Ω sınırla yapılabilir. İki izler birbirlerine yakın olduğundan beri, izler arasındaki alan bağlantısı izlerin farklı modunu azaltır. 100Ω impedansını korumak için izlerin genişliğini biraz azaltmalı. Sonuç olarak, 100Ω farklı çiftliğinde her kablonun ortak modunun engellemesi biraz daha yüksek olacak. İzlerin ve kullanılan materyalin boyutları teoretik olarak impedans'ı belirleyecek, fakat vias, bağlantılar ve hatta aygıtlar bile sinyal yolunda impedans sonuçlarını tanıtacak. Bu şeyler olmadan genelde mümkün değil. Bazen daha mantıklı bir düzenleme ve düzenleme için PCB'deki katlar sayısını arttırmak veya gömülmüş şekiller gibi fonksiyonları eklemek gerekir. Gömülmüş vialler sadece PCB tahtasının bazı katlarını bağlayır, ama transmis hatlarının problemini çözerken, tahta yapılmasının maliyetini de arttırır. Ama bazen hiç seçeneğim yok. Sinyal hızları daha hızlı olup uzay daha küçük olup, gömülmüş viallar gibi fazla talepler artmaya başlar ve bunlar PCB tahta çözümlerinin maliyeti faktörü olmalı. Striptiz çizgi rotasında, sinyaller FR-4 materyal tarafından sandviç edilir. Mikrostrip çizgisinde, bir yönetici havaya a çılıyor. Havanın dielektrik constant (Er= 1) yüzünden, üst katı bazı kritik sinyalleri, saat sinyalleri veya yüksek frekans SERial-DESerial (SERDES) sinyallerini yönlendirmek için uygun. Mikrostrip rotasyonu elektromagnetik alan çizgilerinden bazılarını absorble elektromagnetik interferini (EMI) azaltıp, altındaki bir yeryüzü uçağı ile birleştirmeli. Bir striptiz çizgisinde, bütün elektromagnetik alan çizgileri yukarı ve a şağıdaki referens uçağına bağlıdır, bu da EMI'yi çok azaltır. Eğer mümkün olursa, geniş taraflı çizgi dizinlerini kullanmaya çalışmalısınız. Bu yapı, referens uçağında birleşmiş farklı seslere karıştırılabilir. Ayrıca, PCB tahtasının dengelenmesi gerekiyor, bu kontrol etmek zor. Genelde, aynı kattaki çizgiler arasındaki uzayı kontrol etmek relatively kolay.

Dönüştürme ve geçme kapasiteleri

PCB tahtasının gerçek performansının beklenmiş olduğu gibi kontrol edilmesi gerektiğini belirlemek için önemli bir açı. Dönüştürme kapasitelerini eklemek, PCB'nin güç ve toprak uçakları arasındaki induktasyonu azaltmaya yardım eder ve PCB boyunca sinyal ve IC impedansını kontrol eder. Bypass kapasiteleri FPGA'ye temiz güç sağlamasına yardım ediyor (bir yük bankası sağlar). Gelenekli kural, PCB tahtası yolculuğu uygun olduğu yerde kapasiteleri ayırmak ve FPGA güç pinlerin sayısı kapasitelerin sayısını belirliyor. Ancak, FPGA'nin ultra yüksek değiştirme hızı bu stereotipi tamamen kırır. Tipik bir FPGA tahta tasarımında, enerji temsilinde yakın bir kapasitör yükündeki değişiklikler için frekans ödüllendirir. Düşük frekans filtrelemesini sağlamak ve temsil voltaj düşürmesini engellemek için büyük deşiklik kapasitelerini kullanın. Elektrik düşürmesi, tasarlanmış devre başladığında yöneticinin cevabında bir geciktir. Böyle büyük kapasitörler genelde daha düşük frekans cevapları olan elektrolitik kapasitörlerdir ve frekans cevapları DC'den birkaç yüz kHz'e kadar uzaktadır. Her FPGA çıkış değişiklikleri enerji gereken sinyal hatlarını yüklemek ve aktarmak gerekiyor. Baypass kapasitesinin fonksiyonu geniş frekans menzilinde yerel enerji depolaması sağlamaktır. Ayrıca, yüksek frekans aktarımları için yüksek hızlı akışını sağlamak için küçük seri indukatörler gerekiyor. Yavaş tepki verici büyük kapasitör yüksek frekans kapasitör enerjisi tükettiğinden sonra akışını sağlamaya devam ediyor. FPGA tasarımının karmaşıklığını arttırır. Böyle geçmişler genelde SSO/SSN ile bağlantılır. Elektrik otobüsünde karşılık sesi değiştirmeyi iptal etmek için kullanılabilecek yerel yüksek frekans enerji sağlayacak. Bu çözümleme kapasitörü, cihaz elektrik tasarımına girmesini engelleyen yüksek frekans akışları, FPGA'ye çok yakın olmalı (1cm'den az). Bazen birçok küçük kapasitör, aygıt için yerel enerji deposu olarak hareket etmek için paralel olarak birlikte bağlanıyor ve şu anki talepleri değiştirmek için hızlı cevap vermek için. Genelde, kapasiteleri ayrılmak için izler kısa olmalı, etrafta dikey uzaklar dahil olmalı. Küçük bir miktarı bile eklemek kabloların etkisini azaltır.

diğer teknolojiler

Sinyal hızları arttığı sürece, devre tahtalarında verileri kolayca aktarmak daha zorlaştı. PCB tahtasının performansını daha da geliştirmek için birkaç diğer teknik kullanılabilir. İlk ve a çık bir yöntem basit bir aygıt düzeni. Kritik bağlantılar için kısa ve doğru yollar tasarlamak çok mantıklı ama bunu aşağı tahmin etmeyin. Basit stratejiler numarayı yapabildiğinde sinyalleri ayarlamak için neden sorun çıktı? Neredeyse aynı kısa bir yaklaşım sinyal hatlarının genişliğini düşünmek. Veri hızı 622MHz kadar yüksek ve daha yüksek olduğunda sinyal etkisi daha çok ve daha önemli olur. Uzun olduğunda, PCB'deki çok ince izler (4 ya da 5 mil gibi) sinyalin büyük bir azaltması oluşturacak, tıpkı tasarlanmış olmayan düşük geçiş filtrü gibi, onun azaltması frekansla artırır. Arka uçağı ne kadar uzun, frekans ne kadar yüksek ve sinyal çizgisinin genişliği olması gerekiyor. Arka uçak izleri için 20 inç uzunluğunda izler genişliği 10 ya da 12 mil olmalı. Genelde tahtadaki kritik sinyal saat sinyalidir. Saat çizgileri çok uzun veya kötü tasarlanmış olduğunda, çöplüklerini genişletebilir ve aşağı akışını sıçabilirler, özellikle hızlı arttığı sürece. Saat yayınlamak için birçok katı kaçınmalıdır ve saat çizgilerinde bir vial olmamalı, çünkü vial impedans değişimlerini ve yansımalarını arttıracak. Eğer saati yönlendirmek için iç bir katı kullanılması gerekirse, üst ve aşağı katlar tarafı azaltmak için yeryüzü uçaklarını kullanmalı. FPGA PLL'le dizayn edildiğinde güç uçaklarındaki ses PLL çarpıştırımı arttırabilir. Eğer bu kritik ise, PLL için "güç adası" oluşturulabilir. Bu PLL analog ve dijital güç malzemelerini metal uçaklarında kalın etkiler kullanarak kullanılabilir.

2Gbps üstündeki hızlı sinyaller için daha pahalı bir çözüm düşünmeli. Böyle yüksek frekanslarda, arka uça ğın kalıntısı ve tasarım üzerinden sinyal büyüklüğüne önemli bir etkisi olabilir. Arka tabağının kalınlığı 0,200 inç aşmadığında iyi çalışıyor. Yüksek hızlı sinyaller PCB'de kullanıldığında, kanalların sayısını sınırlamak için mümkün olduğunca az olmalı. Kalın tahtalarda sinyal katlarını bağlayıp sinyal yolunda yayılma hatları oluşturur. Gömülmüş viallar kullanmak bu sorunu çözebilir ama üretim maliyeti yüksektir. Başka bir seçenek Rogers 4350, GETEK veya ARLON gibi düşük kaybeden dielektrik maddeleri kullanmak. Bu materyaller neredeyse FR4 materyallerin maliyetini ikiye katlanabilir ama bazen bu seçim. FPGA için başka tasarım teknikleri var ki, I/O yerinden bir seçim sağlayacak. Hızlı hızlı SERDES tasarımlarında, SERDES I/Os'ları, yakın I/O pinleri rezerve (ama kullanmadığı) tarafından izole edilebilir. Örneğin, bir 3x3 veya 5x5 BGA topu alanı SERDES Rx ve Tx, VCCRX# ve VCCTX#, ve topu pozisyonuna karşılaştırılabilir. Ya da mümkün olursa, tüm I/O gruplarını SERDES'e yakın tutun. Eğer tasarımda I/O sınırları yoksa, bu teknikler maliyeti eklemeden faydası sağlayabilir. Ayrıca FPGA üreticisi tarafından sağladığı referans kurulun bir yolu da. Yapıcıların çoğu referans tahtaları için kaynak düzenleme bilgileri verir. Özel istekler özel bilgi sorunları yüzünden gerekebilir. Bu tahtalar sık sık FPGA üreticilerinin aygıtlarını karakterizlemesi gereken standart yüksek hızlı I/O arayüzleri içerir. Ancak aklınızda, bu tahtalar genellikle birçok amaç için tasarlanır ve kesinlikle özel bir tasarım ihtiyacıyla uyuyorlar. Yine de çözümler yaratmak için başlangıç noktası olarak kullanılabilir.

Bu makalenin toplantısı

Elbette., Bu makale sadece bazı temel fikirler. Buradaki herhangi bir konu tüm bir kitapta tartışılabilir.. Anahtar, hedefin PCB düzenleme tasarımına çok zaman ve çaba yatırım yapmadan önce ne olduğunu çözmek.. Tizilim tamamlandığında, bir yeniden işaretlendirme çok zaman ve para, İzlerin genişliğine biraz ayarlanmasıyla bile. Buna güvenemezsin. PCB tahtası gerçek ihtiyaçlarıyla karşılaşan tasarımlar yapmak için mühendisler. Şema tasarımcısı her zaman doğru yolu sağlayacak., akıllı seçimler yap, ve çözümün başarısından sorumluluğu almak için.