PCB Teknik - PCB Simülasyon Tasarım ve Analiz Teorisi'ne dayanan Sinyal Integrity Teorisi Araştırma

Şu anda evde ve dışında araştırmalar ile ilgili sinyal integritet (SI) mühendislik ve araştırma hâlâ yetişkin bir konudur ve analiz metodları ve pratik tamamlanmıyor ve hala sürekli keşfetme sahnesinde. PCB tasarım yönteminde sinyal integritet bilgisayar analizi üzerinde dayanan en çekirdek kısmı, geleneksel tasarım yönteminden en önemli farklılık olan PCB tahta seviyesi sinyal integritet modelinin kuruluşudur. SI modelinin doğruluğu tasarımın doğruluğunu belirleyecek ve SI modelinin inşa edebileceği bu tasarım metodunun uygulanabiliğini belirleyecek.

Yüksek hızlı dijital devre tasarımının problemleri, bu türlerde önemli bir şekilde etkilenir: (1) Operasyon frekansiyonu arttırmak ve sinyal yükselmesi/düşürme zamanının azaltması tasarım sisteminin zamanlama sınırını azaltır ve hatta zamanlama problemlerine sebep olur; (2) Transmisyon çizgi etkileri Sonuçlar sinyal oscilasyon, a şağılık ve aşağılık hepsi tasarlanmış sistemin hata toleransı, ses toleransi ve monotonisyonu için büyük bir tehdit oluşturacak; (3) Sinyal sınır zamanı 1 ns'e düştükten sonra sinyaller arasındaki kısıtlık çok ciddi olur. Önemli bir sorun; (4) Sinyal kenarının zamanı 0,5'e yaklaşınca, güç sisteminin stabillik problemi ve elektromagnet interferansı (EMI) problemi de çok önemli oldu.

Yüksek hızlı bir sistemde sistemin sinyal bağlantısının iyi yönlendirilebilir mi ve sinyal bağlantısının sorunu çözebilir, sistem tasarımın başarısızlığının anahtarı. Aynı zamanda sinyal bütünlüğü de güç bütünlüğünü, elektromagnyetik uyumluluğu ve elektromagnyetik araştırma (EMC/EMI) sorunlarını çözmek için temel ve ön şarttır.

Yüksek frekans etkileri ve yayılma hattı teorisi

Yüksek frekans etkisi

Yüksek frekans deri etkisinde, elektromagnetik dalgalar iyi bir yöneticiye girerken kesinlikle azalacak. İyi yöneticide bir dalga uzunluğundan daha az bir uzakta bile elektromagnetik dalga önemli bir şekilde yüksek frekans elektromagnetik alanların sadece iyi yöneticinin bir yüzeyinde bulunabilir. Zayıf katta, bu fenomen deri etkisi denir. Elektromagnetik dalga alanının derinliği yüzeyin 1/e kadar yükselmesi deri derinliğindir.

Formül (1) açıklıyor: elektrik hareketi daha büyük, elektrik hareketi daha yüksek, çalışma frekansiyonu daha yüksek, deri derinliğini daha küçük, bu yüzden yüksek frekansiyonda dirençliği düşük frekansiyonda ya da DC'de dirençliğinden çok daha büyük olur. Yakınlık etkisi birkaç ağımdaki taşıyan sürücüler arasındaki karşılaşma elektromagnet etkisinde olduğunda, her ağımdaki taşıyan sürücülerin karşılaştırılma bölümündeki dağıtımın ayrılık bir ağımdaki taşıyan sürücülerin etkisinden farklıdır. Karşı yönlerde akışları taşıyan iki yakın yönlendirici olduğunda, şu anki yoğunluğu birbirlerine yakın olan iki taraftaki en yakın noktalarda en büyükdür. İki ağır taşıyan yöneticilerin şu anki yönetimleri aynı olduğunda, iki dış tarafındaki şimdiki yoğunluğu en küçük yönetimdir. Genelde yaklaşık etkisi eşit dirençliği arttırır ve induktansını azaltır.

Transmisyon çizgi teorisi

Genel bir transmis satırı, bir yönetici, orta ya da bir yönetme sistemidir. Elektromagnetik dalgaların göndermesini belirli bir yönde yönetin. Genelde tartışılan yayınlama çizgisi mikrodalgılık yayınlama çizgisine bağlıdır, ve teoriyi uzun çizgi teoriydi. Elektromagnetik dalgasının dalgası uzunluğuna karşılaştığında, yayım hatının (ya da parazitik parametrelerin) dağıtım parametreleri (ya da parazitik parametreleri) düşünmeli. Yüksek hızlı dijital veya radyo frekansı devre tasarımı ve yüksek hızlı devre simülasyonu tasarımı içinde birçok elektromagnet fenomeni transmis çizgi teorisi kullanarak açıklanmalıdır. Transmisyon çizgi teorisi yüksek hızlı dijital (ya da radyo frekansı) devrelerini çalışmanın temeli.

İletim sinyal hızı ya da frekans belli bir seviye ulaştığında, yayın sinyal kanalı üzerindeki dağıtım parametreleri düşünmeli. Parallel çift kablo örnek olarak kullanarak, üzerindeki deri etkisi birim uzunluğunda RF impedansı arttırır. Radyo frekanslarına ulaştığında paralel çift çizgilerin etrafında manyetik alan çok güçlü ve parazitik indukatörü düşünmeli ve paralel çift çizgilerin arasındaki elektrik alan bir kapasitöre eşit olmalı. Aynı zamanda kablo arasındaki sıçma fenomeni frekans yüksek olduğunda düşünmeli. Böylece birim uzunluğunun eşit devresi 1'de gösterilen R, L, G, C 4 elemanından oluşabilir.

1. Görüntü, birim uzunluğu iletişim hatının eşittir devre

Kirchhoff â'nın yasasına göre, iletişim hattı denklemi ifade edilebilir.

Bu yüzden, transmis çizgi denkleminin genel çözümü yazılabilir.

Formülde: V+, V-, I+, I- voltaj dalgasının amplitudi konstantlerindir ve şu anda dalgasının amplitudi ve olay dalgasının (+Z) ve yansıtılmış dalgasının gönderme yöntemini temsil ediyor. Propagasyon konstantı C olarak tanımlanır

Formülde A, hesaplama konstantüdür. B, faz konstantüdür. Transfer çizgisinin bir noktasında voltaj ve akışı olay dalgasının üst pozisyonudur ve yansıtılmış dalgasının üst pozisyonudur. Z eksisindeki her noktada voltaj ve akışı ifade edilir.

Yukarıdaki formül, bir transmis çizgisinde yayılan voltaj dalgası ve şu anki dalgası zaman ve transmis mesafesinin fonksiyonlarını gösteriyor.

Tümleşik transmis hattı teorisi

Tümleşik transmis çizgileri mikro strip çizgileri, strip çizgileri, birleşmiş çizgileri ve çeşitli koplanar dalga rehberlerini içeriyor. Mikrostrip çizgi şu anda hibrid mikrodalgalarındaki en geniş kullanılan planar transmisi çizgidir ve monolitek mikrodalgaların integral devrelerinde. Litografik program ı üretimi için kullanılabilir ve diğer pasif mikrodalga devreleri ve aktif mikrodalga aygıtları mikrodalga komponentlerinin ve sistemlerinin integrasyonu fark etmek için kullanılabilir. Mikrostrip çizginin sinyal çizgi dış katta ve yeryüzü sinyal çizginin diğer tarafında. Bu test kolay.

Üç tabak çizgisi olarak bilinen strip çizgi, iki düzgüncü karşılaştırıcı çizgisinden oluşur ve yerleştirme tabakları arasında üniforma ortam ya da hava doldurur. Striptizlinin sinyal çizgi iki güç katı arasında sandviç edildi. Teoriye göre, sinyali en iyi gönderebilir çünkü her iki tarafta güç katı tarafından korunabilir. Ama sinyal çizgisini içeride saklıyor ve testi için etkili değil.

Sinyal bütünlük teorisi

Sinyal bütünlük (SI) sinyal kablo üzerinde yayınlanmış sonrasından en önemli olarak kalite ve zamanlama sorunlarını çalışıyor. Genelde çözülmesi gereken sinyal bütünlük sorunları: (1) yansıtma nedeniyle sebep olan bir yansıtma; (2) yakın sinyallerin birleşmesinden sebep olan karşılaştırma konuşması; (3) aşağılık ve ateş etmek; (4) Çıñlama, sinyal tekrardan oscillatması için performans, doğru sonlandırma ile bastırılabilir; (5) Yer uça ğı yüksek hızlı aygıtlar için gürültü ve gürültü değiştirmek için büyük bir sürü veri otobüs sinyalleri hızlı dönüyor. Yer dönüşündeki değişiklik ideal olmayan bir yeryüzü uçağa yol açar. (6) Güç dağıtımı. Yüksek hızlı devreler için güç/toprak uçağının impedansını kontrol etmek sistem tasarımının anahtarı. (7) Zaman sorunları. Yüksek hızlı tasarımlar için sinyal yayınlama gecikmesi, saat kaçırması ve çöplük sistemin verileri doğrudan yargılaması için yeterli. (8) EMI sorunları elektromagnet radyasyon ve bağışlanma dahil. PCB tasarımında EMI sorunlarını çözmek sistem EMI kontrolündeki en önemli bağlantıdır ve maliyeti en düşük.

Simülasyon modeli ve modelleme yöntemi

SPICE simülasyon modeli ve modelleme yöntemi

SPICE simülasyon modeli SPICE (integral devre emprisi ile simülasyon program ı) genel şartlarda çeşitli devre özelliklerini analiz ve simüle edebilen genel devre analiz programıdır.

SPICE program ı bütün elektronik laboratuvarın fonksiyonlarını, tahtalar ve oscilloskoplar gibi değiştirebilir. SPICE program ında büyük bir aygıt kütüphanesi vardır, içeren de: (1) Saldırganlar, kapasitörler, indukatörler, transmis hatları, benzer geçici aygıt modelleri vardır. (2) Diodular, transistor, birleşme alan etkisi transistor ve MOS alanları gibi yarısınduktor aygıt modelleri. Efekt tüpü, etc;. (3) Bağımsız voltaj kaynakları, mevcut kaynakları, kontrol edilmiş voltaj kaynakları, ağımdaki kaynaklar, bölüm altında lineer ve lineer kontrol edilmemiş kaynaklar dahil çeşitli güç temsilleri. (4) A/D, D/A dönüştürme arayüzü Circuit ve dijital devre aygıt kütüphanesi.

SPICE modelleme metodu genellikle iki tür aygıtlar kullanır, birisi diskretli komponentler ve diğeri çip. Aygıtlar türüne göre, iki devre modelleme metodu kabul edilir.

1) Basit cihaz modeli. Örneğin, dirençler, kapasiteler, indukatörler, sıradan triodeler, etc. Bunlar devre oluşturan en temel birimler. Fiziksel yöntem genelde model için kullanılır, yani cihazın modeli, cihazın fiziksel özelliklerini başlangıç noktası olarak tanımlayan denklemlere dayanılır. Aynı cihazın modelleri farklı operasyon frekanslarının altında farklı.

2) Chip altdevre aygıt modeli. Chips genelde bazı temel komponentlerden oluşur, ve her temel birim komponenti ve bağlantı ilişkisi bir çip altı devre modeli oluşturmak için diğer devreler tarafından arayabilir. Genelde siyah kutu (Blackbox) metodu modellere kullanılır, yani cihaz siyah kutu olarak kabul edilir, limanın çalışma özelliklerine odaklanır ve model oluşturmak için kullanır.

IBIS simülasyon modeli ve model yapısı

IBIS simülasyon modeli IBIS (girdi/çıkış buffer bilgisi) girdi/çıkış buffer bilgisi belirlenmesi, bir komponentin standart modeli bilgisidir. IBIS modeli, V/I eğri tabanlı I/O bufferlerini hızlı ve tam olarak modellemek için bir yöntemdir. Çip sürücüsünün ve alacağının elektrik özelliklerini etkileyen uluslararası standartdır. Diskler gibi kaydetmek için standart bir dosya format ını sağlar. Çıkış impedansı, yükselme/düşme zamanı ve çıkış yükü gibi parametreler çalmak ve karıştırmak gibi yüksek frekans etkilerinin hesaplaması ve simülasyonu için çok uygun.

IBIS modeli yapı IBIS modeli I/O buffer bilgisinin özelliklerini tanımlamak için kullanılan bir modeldir. Çıkış ve girdi limanının davranışları bir dizi basit fonksiyonel modullara dağıtılabilir ve bu basit fonksiyonel modullardan tamamen bir IBIS modeli oluşturulabilir. Bu da, paket tarafından getirilen parazit parametreleri (girdi, çıkış veya etkinleştirilebilir terminal), silikonun kendi parazitik kapasitesi, güç veya yer içindeki koruma devreleri, sınır ve etkinleştirilmiş mantıklı, çıkarma ve a şağı devreleri vb.

PCB simülasyon örnekleri ve sonuçlar analizi

PCB tahta simülasyonu için ilişkileri parametrelerin ayarlaması

İki tür basılı devre tahtası simülasyonu: çizgi simülasyonu ve masa seviyesi simülasyonu. Satır simülasyonu tasarımcılara komponentlerin düzenini ayarlamaya yardım edebilir, sistem saat ağlarını planlayabilir ve tasarım sırasında sinyal integritet ve zamanlama gerekçelerine göre yollamadan önce anahtar çizgi ağlarının sonlandırma stratejisini belirleyebilir, rotasyon sürecinde tasarımı izleyebilir ve rutlamayı her zamanki Efekte'de geri alabilir. Tahta seviyesi simülasyonu genellikle PCB tasarımı tamamlandıktan sonra gerçekleştirilir. Bu faktörlerin SI üzerindeki etkisi ve elektrik, EMC, sıcak performansı ve mekanik performansı gibi bu faktörlerin karşılaştığı etkisi, gerçek sistem seviyesi analizi ve doğrulamak için büyük bir şekilde düşünülebilir. Simülasyon yaptığında ilk komponentin simülasyon modelini yükleyin, sonra parametre ayarlarını ve işleme sürecinde gereken bazı sınır koşullarını belirlemek için önsimülasyonu yapın. Sonra, gerçek dönüş sürecinde her zaman satır simülasyonuyla dönüş etkisini kontrol edin ve sonunda dönüş tamamlandıktan sonra, sistemin performansını kontrol etmek için tahta seviyesi simülasyonu gerçekleştirilir [6]. Bu makaledeki örnek, SFP (küçük form-factor plugable optical transceiver) küçük form-factor plugable optical transceiver'ın yenileme simülasyonu analizidir.

Simülasyon örnekleri ve sonuç analizi

Simülasyon modeli SFP optik nakliyatçı modülinin şematik tasarımı tamamlandığından sonra, PCB masa tasarımı başlatmalı. SFP optik nakliyatçı modülinin çalışma frekansı 1,25Gbit/s'e ayarlandığından dolayı, veri hızı çok yüksek ve farklı izlerin uzunluğu çok uzun, bu yüzden mikrostrup nakliyatı hatının uygulaması kaynak ve terminal'daki refleksiyonu azaltmak için kullanılmalı, bu yüzden sinyalin kalitesini kontrol edin. Şematik diagramdaki MAX3748'un çip verilerine göre, farklı çizginin tek sonu çıkış engellemesi 50Ω ve SFP-MSA protokolüne göre, anne çubuğunun RD+/- limanın farklı engellemesi 100Ω olacak. Farklı çizgilerin teorisine göre, birleşmesi yokken, iki paralel mikrostrup yayınlama çizgilerinin farklı engellemesi, tek sondaki impedans iki kat eşittir. Bu yüzden, 50Ω 'nin özellikleri bir impedans ile iletişim çizgisi eşleşmek için kullanılmalı. MAX3748 ve J1 bağlantısı arasındaki bağlantı ağının topologisini 2. görüntüde gösterilen gibi çıkart. J1 bağlantısı olduğundan beri, adlandırılabilecek IBIS modeli veri yok. Bu yüzden, simülasyonu mümkün etmek için, J1'de sistemle gelen farklı bir alıcı DIN1 yükle. Ve uygun çalışma frekansiyonu ayarlayın.

MAX3748 ve J1 arasındaki ilişkilerin Topolojik yapısı

Simülasyon sonuçlarının analizi üzerinden simülasyon sonuçları ve analizi, sinyal kalitesi tasarım ihtiyaçlarına uymuyor. Ana sorunlar şu şekilde: (2) Kesinlikle dalga biçiminde vurulmuştur. (3) Sınır hızı yavaşlıyor. Yukarıdaki sorunlara bakılırsa, devreyi daha fazla analiz eden bu fenomenin iki faktör tarafından sebep olduğu ortaya çıkar. 1) SFP optik nakliyatçı modulu, SFP-MSA protokolüne göre genellikle sinyal nakliye için farklı hatlar kullanır, anne tahtasının farklı impedansı 100Ω. Ayrıca, MAX3748'un farklı çıkış sonunun engellemesi 100Ω. Önceki simülasyonda, sistem topoloji çıkardığında, öntanımlı impedans 60Ω mikrostrip çizgidir, bu yüzden impedans eşleşmesine sebep oldu. 2) Sistemin farklı girdi terminal J1'in arkasında yüksek impedans durumunda yüklendiğinden beri, terminal a çık devre durumunda eşittir ve büyük bir refleks var.

Bu yüzden sinyalin kalitesini sağlamak için imfaz eşleşmesi gerçekleştirilmeli. Farklı iletişim çizgisinin engellemesini 100 Ω olarak ayarlayın. Farklı mikrostrip çizginin teorisine göre, transmis çizginin hesaplama yazılımını kullanarak 15 mil boyunca farklı çizginin genişliğini hesaplayabilir, çizginin boşluğu 10 mil, ve sadece tek sonu impedance yaklaşık 62,5Ω. Çünkü farklı çizgiler arasında belli bir bağlantı var, Önceki simülasyon topolojik yapısında kaybısız mikrostrip çizgisini simülasyon analizi için gerçek kaybı ve birbirindeki mikrostrip çizgisini değiştirir. Aynı zamanda, topolojik 3.3V elektrik tasarrufuna 50Ω tarafından bir terminal istikrarı ekle.

Değiştirilmiş topoloji 3. Şekil olarak gösterilir.

3. Görüntü değiştirilmiş topoloji

Simülasyon dalga formundan ve göz diagram ının analizinden sinyalin relatively iyi sinyal bütünlüğü olduğunu biliyor olabilir. Sinyalin genişliği yaklaşık 54mV'dir, yükselen ve düşen kenarlar yaklaşık 100ps'dir ve farklı çıkış sinyalinin genişliği 850mV'e ulaşır, bu sinyal çıkış ihtiyaçlarına uyuyor.