PCB Teknik - Gigabit Equipment PCB'nin sinyal Integrity Tasarımı

Bu makale genellikle gigabit veri göndermesinde düşünmeli sinyal integritet tasarımı sorunlarını tartışıyor ve aynı zamanda bu sorunları çözmek için PCB tasarım araçlarının kullanımını, deri etkisi ve dielektrik kaybı gibi, vialar ve bağlantıların etkisi, farklı sinyaller ve Wiring düşüncelerini, güç dağıtımı ve EMI kontrolünü etkisi, vb.

İletişim ve bilgisayar teknolojisinin hızlı geliştirilmesi gigabit alanına yüksek hızlı PCB tasarımı yaptı. Yeni yüksek hızlı aygıtların uygulaması, arka uçakta ve tek masada uzun uzaklardan böyle yüksek hızları yayınlaması mümkün olur. Aynı zamanda PCB tasarımı Sinyal integritet sorunları (SI), güç integritesi ve elektromagnyetik uyumlu sorunları da daha önemlidir. Sinyal bütünlüğü sinyal çizgisinde yayılan sinyal kalitesine bağlı. Ana sorunlar yansıtma, oscilasyon, zamanlama, toprak sıçrama ve karışık konuşma içindedir. Zavallı sinyal bütünlüğü tek faktör tarafından sebep değil, fakat board-level tasarımında çoklu faktörler kombinasyonu. Gigabit ekipmanlarının PCB tablosu tasarımında iyi bir sinyal integritet tasarımı, mühendislerin komponentlerin, iletişim çizgi bağlantı şemalarının, elektrik dağıtımı ve EMC'nin sorunlarını tamamen düşünmesini gerekiyor. Yüksek hızlı PCB tasarımı EDA araçları temiz simülasyon doğrulamadan tasarım ve doğrulama kombinasyonuna geliştirildi. Tasarımcıların tasarımında araçları daha sonra tasarımda problemler bulmak yerine hatalardan kaçırmak için tasarımda erken kurallar ayarlamaya yardım ediyor. Veri hızı yükseliyor ve tasarım daha karmaşık olur, yüksek hızlı PCB sistem analiz araçları daha gerekli olur. Bu araçlar zamanlama analizi, sinyal integritet analizi, uzay parametre tarama analizi, EMC tasarımı, elektrik sistemi stabillik analizi ve benzer. Burada PCB tasarımında sinyal integritet analizi ile ilgilenmeli bazı sorunlara odaklanacağız.

Hızlı aygıtlar ve aygıt modelleri

Gigabit komponent temsilcilerinin göndermesi ve alınması üzere çip hakkında tasarım bilgilerini sağlayacak olsa da, yeni cihazın sinyal integritesini anlaması için komponent temsilcisi tarafından verilen tasarım rehberlerinin de büyümesi mümkün olabilir. Evet, aygıt teminatçısı tarafından verilen tasarım sınırları genelde çok zor ve tasarım mühendisinin tüm tasarım kurallarını uygulaması çok zor. Bu yüzden, teminatçıların sınırlı kurallarını ve gerçek tasarımını analiz etmek, komponent seçimi, topoloji, eşleştirme tasarımı ve eşleştirme komponenlerin değerini araştırmak için simülasyon analiz araçlarını kullanmak ve sonunda sinyal tamamlanması ve rutlama kurallarını sağlamak için sinyal integritet mühendislerinin kullanması gerekiyor. Bu yüzden, gigabit sinyallerinin doğru simülasyon analizi çok önemli oldu ve sinyal integritet analizinde aygıt modellerin rolü de daha fazla dikkat verildi.

Komponentü modeli genelde bir IBIS modeli ve Spice modeli içeriyor. Çünkü tahta seviyesi simülasyonu sadece çıkış pinlerin arası bağlantı sisteminden pinlere giriş sinyallerinin cevabını önemsiyor, ve IC üreticileri cihazın içinde detaylı devre bilgilerini sızdırmak istemiyor, ve transistor seviyesi Spice model in in simulasyonu zamanı genelde taşınabilir, yani IBIS modeli yüksek hızlı PCB'lerde kullanılır. Tasarım alanı daha fazla aygıt üreticisi ve bütünlük mühendisleri tarafından yavaşça kabul edilir.

Gigabit ekipmanların PCB sistemlerinin simulasyonu için mühendisler sık sık IBIS modelinin doğruluğunu soruyorlar. Aygıt transistor bölgesinde doğum ve kesilme bölgesinde çalıştığında, IBIS modeli onu tanımlamak için yeterli detaylı bilgi eksik. Geçici cevap bölgesinde, IBIS modeli ile simulasyon sonuçları transistor seviyesi modeli gibi doğru cevap bilgilerini üretemez. Ancak ECL tipi aygıtları için, transistor seviye modelinin simulasyon sonuçlarıyla çok uygun bir IBIS modeli elde edilebilir. Neden basit. ECL sürücüsü transistor bölgesinde çalışıyor ve çıkış dalga formu ideal dalga formuna yakın. IBIS standartlarına göre, daha doğru olabilir. IBIS modeli.

Veri aktarma hızı arttığında, ECL teknolojisinin temel olarak geliştirilen farklı aygıtlar çok geliştirildi. LVDS standartları ve CML etc. gigabit sinyallerini yayınlaması mümkün olur. Yukarıdaki tartışmalardan görülebilir ki IBIS standartı devre yapısı ve uyumlu farklı teknoloji uygulaması nedeniyle gigabit sistemlerin tasarımı için hala uyumlu. 2.5GbpsLVDS ve CML tasarımında IBIS model in in bazı yayınlanan uygulama maddeleri de bu noktayı kanıtladı.

IBIS modeli aktif devreleri tanımlamak için uygun değildiğinden dolayı, kaybedenler için önemsiz devreler olan birçok Gbps cihazı için IBIS modeli uygun değil. Bu yüzden, bir gigabit sisteminin tasarımında IBIS modeli sadece bu şartlar altında etkili çalışabilir:

1. Uygulama alanında farklı aygıtlar çalışıyor (linear V-I eğri)

2. Aygıtların etkinli bir devre yok.

3. Aygıtların önceki bir devre vardır ama başlamadı (kısa bir bağlantı sisteminde önemli fonksiyonu etkinleştirmek daha kötü sonuçlara ulaşabilir)

4. Aygıtların pasif bir devre var ama devre cihazın ölümünden ayrılabilir.

Veri hızı 10 Gbps veya yukarıda olduğunda, çıkış dalga formu sinus dalgası gibi, sonra Spice modeli daha uygulanabilir.

Kaybedenler etkisi

Sinyal frekansı arttığında, yayın hattındaki yenileme ihmal edilemez. Bu zamanlar, sürücü yöneticinin eşit dirençliği ve ortamın eşit davranışlarını paralel olarak yaptığı kaybı ve kayıp yayım hattı modelini analiz için kullanılması gerekiyor.

Kayıp gönderme hatının ekvivalent modeli 1. Şekil olarak gösterilir. G örünüşe göre eşittir seri dirençliği R ve eşittir paralel davranışı G'nin kaybını karakterizliyor. Ekvivalent seri dirençliği R, DC dirençliği ve deri etkisi tarafından sebep olan dirençlidir. DC dirençliği, yöneticinin fiziksel yapısı ve yöneticinin dirençliği tarafından belirlenmiş yöneticinin dirençliğidir. Frekans arttığında, deri etkisi çalışmaya başlar. Deri etkisi, yöneticide sinyal akışı yöneticinin yüzeyine konsantre edildiği bir fenomendir. Yüksek frekans sinyali yöneticiden geçtiğinde. Yöneticinin içerisinde sinyal ağır yoğunluğu yöneticinin karşılaştığı bölümü boyunca parçalanır ve şu anda şimdiki yoğunluğun orijinal 1/e kadar azaltdığı derinliğin deri derinliği denir. Frekans daha yüksek, deri derinliği daha küçük, yöneticinin dirençliğini arttırdı. Derin derinliği frekansların kare köküyle tersi olarak proporcional.

Eğer eşit paralel davranışın G'si de dielektrik kaybı (DielectricLoss) denir. Düşük frekanslarda, ekvivalent paralel davranışlar ortamın büyük davranışlığıyla ve ekvivalent kapasiteleriyle bağlantılı, ve frekans arttığında, dielektrik kaybı a çısı önde bir rol oynamaya başlar. Bu zamanda dielektrik davranışlığı dielektrik kaybetme açısı ve sinyal frekansı tarafından belirlenir.

Genelde konuşurken, frekans 1GHz'den az olduğunda, deri etkisi kaybı büyük bir rol oynuyor ve frekans 1GHz'in üstünde olduğunda, dielektrik kaybı dominasyon ediyor.

Simülasyon yazılımında, dielektrik konstantlerini, dielektrik kaybetme açısını, yönetici davranışlarını ve kesme frekansiyasını ayarlayabilirsiniz. Yazılım simülasyon sırasında transmission hatının yapısına göre deri etkisini ve dielektrik kaybını düşünecek. Eğer yenileme simüle edilirse, uyumlu kesim frekansı sinyalin bandgenişliğine göre ayarlanmalıdır. Band genişliği sinyal kenar hızı ile belirlenmiş. 622MHz sinyallerin ve 2.5GHz sinyallerinin sınır hızı pek farklı değil. Ayrıca, ekvivalent kaybedilmiş yayınlama hatlarının modelinde görülebilir. Saldırı ve davranış frekansları farklı.

2. Şekilden görülebilir ki kaybın sinyalin yükselen kısmını yavaşlatır, yani sinyalin bandı genişliğini azaltır ve kaybın sinyalin genişliğini azaltır. On the other hand, this is good for suppressing signal overshoot.

Transfer çizgisinin karışık konuşması da kaybı etkiler. Kıssız konuşma, iletişim hatının fiziksel yapısı, bağlantı uzunluğu, sinyal gücü ve kenar hızı ile belirlenir. Belirli bir uzunluktan sonra, kısıtlık konuşması dolduracak, fakat kaybın aslında artmayacak.

Viyatlar ve bağlantıların etkisi

Sinyali tahtın diğer tarafına gönderin. Tahtalar arasındaki dikey metal parçası kontrol edilemez impedans ve yatay tarafından dikey tarafından etkilenme noktası, yansıtma noktasıdır, bu yüzden görünümü minimalleştirmelidir (3. Şekil).

Gigabit sisteminin tasarımı ve simülasyonu içinde, vias etkisi düşünmeli ve bir model aracılığıyla gerekli. Araştırmanın modeli yapısı bir seri dirençliği R, bir induktans L ve paralel kapasitenin C formudur. Özel uygulamalar ve doğruluk ihtiyaçlarına göre, çoklu RLC yapıları paralel olarak kullanılabilir ve diğer yöneticilerle birleşmesi düşünülebilir. Bu sırada, modeller bir matris.

Model aracılığıyla alabilmek için iki yöntem var. Biri, TDR gibi testi aracılığıyla elde etmek ve diğerini aracılığın fiziksel yapısına dayanan 3D alan çıkarıcı (FieldSolver) tarafından çıkarılabilir.

Model parametreleri üzerinde PCB'nin materyal, stack, kalınlık, pad/anti-pad boyutuna ve ona bağlı kablo bağlantı metodu ile bağlantılıyor. Simülasyon yazılımında, tam ihtiyaçlarına göre farklı parametreler ayarlanabilir. Yazılım aracılığın modelini uyumlu algoritme uygulamasına göre çıkaracak ve simülasyon sırasında etkisini düşünecek.

Gigabit sisteminin PCB tasarımında bağlantısının etkisi özellikle düşünmeli. Yüksek hızlı bağlantı teknolojisinin geliştirilmesi sinyal iletişim sırasında impedans ve yeryüzü uçağının sürekli sürdürülmesini garanti edebilir. Tasarımdaki bağlantıcının simülasyonu analizi genellikle çoklu hatta modeli kullanır.

Çok satırlı bir bağlantı modeli, pinler arasındaki induktans ve kapasitet bağlantısını düşünen üçboyutlu bir uzayda çıkarılmış bir modeldir. Birçok satır modeli genellikle RLGC matrisini çıkarmak için üç boyutlu alan çıkarıcısını kullanır. Bu genellikle Spice modeli altdevre şeklinde oluşturur. Modelin karmaşık yapısı yüzünden, çıkarma ve simülasyon analizi için uzun zaman alır. SpecctraQuest yazılımında, bağlantıcının Spice modelini Espice modeli olarak düzenleyebilirsiniz, cihaza atabilirsiniz ya da doğrudan ararsınız, ya da onu DML format ında bir paket modeline düzenleyebilirsiniz ve cihaza atabilirsiniz.

Farklı sinyal ve düzenleme düşünceleri

Farklı sinyal güçlü karşılaşma ve yüksek transmis hızının avantajları var. Gigabit sinyal iletişimi içinde, karşılaştırma ve EMI etkisini daha iyi azaltır. Onun yapıştırma biçimleri, üst ve aşağı yapıştırma, serbest yapıştırma ve sıkı yapıştırma.

Yukarıdaki ve aşağıdaki bağlantılarla karşılaştırıldığında, kenar bağlantısı, karşılaştırma konuşması, uygun düzenleme, basit işleme, etc. ve yukarıdaki ve aşağıdaki bağlantılar PCB tahtalarına daha sık sık sürükleme yoğunluğuyla uygulanır. Sakin bir bağlantı ile karşılaştırıldığında, sıkı bağlantı daha iyi karşılaştırma yeteneğine sahip ve karşılaştırma konuşmasını düşürebilir, fakat bağlantı farklı izler impedansının sürekliliğini daha iyi kontrol edebilir.

Özellikle farklı yönlendirme kuralları, impedans sürekliliğinin, kaybın, karşılaştırma ve farklı durumlara göre uzunluğun farklılıklarının etkisini düşünmeli. Göz diagramlarını farklı hatlar için simülasyon sonuçlarını analiz etmek için kullanmak en iyidir. Simülasyon yazılımı göz diagram ını oluşturmak için tesadüf sıralama kodu ayarlayabilir ve göz diagramına etkisini analiz etmek için dört ve offset parametrelerini girebilir.

Güç dağıtımı ve EMC

Veri aktarma hızlığının artması daha hızlı bir sınır hızlısı ile birlikte, daha geniş frekans grubunda enerji teslimatını sağlamak gerekir. Yüksek hızlı bir sistem geçici bir 10A akışını geçebilir ve 50mV'in maksimum güç tasarımına ihtiyaç duyabilir. Bu da, güç dağıtım a ğının belirli frekans menzili içerisindeki elektrik dağıtımın engellemesi 5mÎ arasında olması gerektiğini anlamına gelir. Örneğin, sinyalin yükselmesi 0,5'den az. bandwidth menzili 1,0GHz'e kadar yükseldi.

Gigabit sisteminin tasarımında, sinkron gürültü (SSN) interferinden kaçınmak ve güç dağıtım sisteminin bandwidth içinde düşük bir impedans olduğunu sağlamak gerekir. Genelde, düşük frekans grubunda, impedans düşürmek için kapasitörler ayrılmak kullanılır ve yüksek frekans grubunda, enerji sağlamı ve toprak uçak dağıtımı genellikle düşünülüyor. Görüntü 4, kapasiteleri kapasiteleri elektrik ve toprak uçak katlarını ve kapasiteleri çözülmediğinde, impedans değişikliklerinin frekans cevap diagram ını gösteriyor.

SpecctraQuest yazılımı paket yapısı tarafından sebep olan sinkron sesin etkisini analiz edebilir. PowerIntegrity (PI) yazılımı elektrik dağıtım sisteminin frekans alanı analizi kullanır. Bu, kapasitörlerin sayısını ve yerini ve enerji ve toprak uçaklarının etkilerini etkileyebilir, mühendislere kapasitör seçimi ve yerleştirme, düzenleme ve uçak dağıtım analizi çözmesine yardım eder.