PCB Teknik - Sinyal integritet analizine dayanan yüksek hızlı dijital PCB yöntemini tasarla

Bu makale, sinyal integritet bilgisayar analizi üzerinde tabanlı yüksek hızlı dijital sinyal PCB tahtasının tasarım yöntemini tanıtır. Bu tasarım yönteminde, PCB tahta seviyesi sinyal transmisi modeli ilk olarak tüm yüksek hızlı dijital sinyaller için kuruluyor, sonra tasarımın çözüm alanı sinyal integritesinin hesaplaması ve analizi ile bulundu ve sonunda PCB çözüm alanının temel üzerinde tamamlandı. Tahta tasarımı ve doğrulama.

Tümleşik devrelerin arttığı ve PCB tahtalarının yoğunluğu arttığı zaman sinyal integritesi yüksek hızlı dijital PCB tasarımında endişelenen sorunlardan birisi oldu. Komponentlerin ve PCB tahtasının parametreleri, PCB tahtasının komponentlerinin düzeni ve yüksek hızlı sinyallerin düzenlemesi sinyal integritet sorunlarına sebep olacak, sistem operasyonuna neden olmayan ya da hiçbir operasyona neden olmayacak.

PCB tasarım sürecinde sinyal integritet faktörlerini ve etkili kontrol önlemlerini nasıl tamamen düşüneceğiz bugün PCB tasarım endüstrisinde sıcak bir tema oldu. Yüksek hızlı dijital PCB tahta tasarım metodu sinyal integritet bilgisayar analizi üzerinde dayanarak PCB tasarımın sinyal integritesini etkileyebilir.

1. Sinyal bütünlük sorunlarını görüntüle

Sinyal bütünlük (SI) devredeki doğru zamanlama ve voltajla cevap vermek için sinyal yeteneğini gösterir. Eğer devredeki sinyal gerekli zamanlama, uzunluğu ve voltaj genişliği ile IC'ye ulaşabilirse devre daha iyi sinyal integritesi var. Bu sinyal normalde cevap veremeyeceğinde sinyal bütünlük sorunu oluyor. Çok açık konuşurken, sinyal integritet sorunları genellikle beş yönünde gösterilir: gecikme, refleks, karşılaştırma, sinkron ses değiştirme (SSN) ve elektromagnet uyumluluğu (EMI).

Bu gecikme, sinyalin PCB tahtasının kabloları üzerinde sınırlı bir hızla yayıldığını ve sinyal gönderme sonundan alınan sonuna gönderildiğini anlamına gelir, bu sırada bir yayın gecikmesi vardır. Sinyal geçirmesi sistemin zamanlama etkisi olacak. Yüksek hızlı bir dijital sistemde, iletişim gecikmesi genellikle kablo uzunluğuna ve kablo çevresindeki ortamın dielektrik konstantına bağlı.

Ayrıca, PCB tahtasındaki kabloların (yük hızlı dijital sistemlerindeki transmission hatları olarak adlandırılmış) özelliklerin engellemesi yük impedansı ile eşleşmediğinde enerjinin bir parças ı, sinyal ulaştığı sona ulaştıktan sonra, sinyal dalga formu bozulmasına neden oluyor veya hatta The overshoot ve undershoot sinyallerini sinyal eder. Eğer sinyal gönderme hattı üzerinde geri ve önüne reflecte edilirse, yüzük ve yüzük oscilasyonu üretir.

PCB'deki her iki cihaz veya kablo arasında karşılaştırıcı kapasite ve karşılaştırıcı etkisi vardır. Bir cihaz veya kablo değişikliklerinde sinyal oluşturduğunda, değişiklikleri diğer cihazlar veya karşılaştırıcı kapasite ve karşılaştırıcı etkileyecek. Kablo, yani, karışık konuşma. Karşılaştırma gücü aygıtların ve kabloların karşılaştırılması ve geometrik boyutlarına bağlı.

PCB tahtasında birçok dijital sinyal sinkron olarak değiştirildiğinde (CPU veri otobüsü, adres otobüsü, etc.), elektrik hatının ve toprak hatının impedansı yüzünden sinkron değiştirme sesi oluşturulacak ve yeryüzü uçak sıçraması yeryüzünde oluşacak. Ses (toprak bomb as ı diyor). SSN ve toprak sıçramasının gücü de birleştirilmiş devreğin IO özelliklerine bağlı, PCB tahtasının elektrik teslimatı katının ve toprak uçak katının sıçramasına bağlı, PCB tahtasının yüksek hızlı aygıtların düzenlemesine ve düzenlemesine bağlı.

Ayrıca, diğer elektronik aygıtlar gibi, PCB'ler de elektromagnet uyumluluğu sorunları vardır, ki genellikle PCB tahtasının düzenlemesine ve düzenlemesine bağlı.

2. Tradicional PCB board design method

Tradisyonel tasarım sürecinde PCB tasarımı devre tasarımı, dizaynı tasarımı, PCB üretimi, ölçüm ve hata ayıklama adımlarından oluşur. Etkileşimli metodların yokluğu ve sinyallerin gerçek PCB tabağındaki sinyal gönderme özelliklerini analiz etmek için devre tasarımında, devre tasarımı genellikle sadece komponent üreticileri, uzmanları ve geçmiş tasarım deneyiminin önerilerine dayanabilir. Bu yüzden yeni tasarım projesi için genelde özel durumlara göre sinyal topoloji ve komponent parametrelerinin doğru seçimini yapmak zordur.

PCB'de dizayn sahnesinde, PCB komponent dizaynı ve sinyal dizaynı tarafından sebep olan sinyal performans değişimlerinin gerçek zamanlı analizi ve değerlendirmesi de zor. Bu yüzden dizayn tasarımın kalitesi tasarımcının tecrübesine daha çok bağlı. PCB üretim sahasında, her PCB tahtasının ve komponent üreticilerinin süreçleri tamamen aynı değildiğinden dolayı, PCB tahtasının ve komponentlerin parametreleri genelde büyük bir tolerans menzili vardır ve PCB tahtasının performansını kontrol etmek zorlaştırıyor.

Tradisyonel PCB tasarım sürecinde, PCB tahtasının performansı araç ölçüsüyle yargılanabilir sadece üretim tamamlandıktan sonra. PCB tahtasında bulunan sorunlar sıradaki PCB tahtası tasarımında değiştirilmeli. Ama daha zor olan şey, bazı sorunlar sık sık önceki devre tasarımı ve düzenleme tasarımının parametrelerini hesaplamak zordur. Bu yüzden daha karmaşık PCB tahtaları için, yukarıdaki süreç genelde dizayn taleplerini yerine getirmek için çok kez tekrarlanacak.

Gelişmiş PCB tasarım metodu ile ürün geliştirme döngüsü daha uzun ve araştırma ve geliştirme maliyeti tamamen daha yüksektir.

3. Sinyal integritet analizi üzerinde tabanlı PCB tasarım metodu

Sinyal integritet bilgisayar analizi üzerinde tabanlı PCB tasarım süreci 2. Şekil olarak gösterilir. Tradicionali PCB tasarım metodu ile karşılaştırıldı, sinyal integritet analizi üzerinde dayanan tasarım metodu, bu özellikleri:

PCB tahta tasarımından önce, önce yüksek hızlı dijital sinyal transmisi için sinyal integritet modeli oluşturun.

SI model'e göre, sinyal integritet sorunu üzerinde bir seri önanaliz yapılır, ve uygun komponent türleri, parametre ve devre topoloji simülasyon hesaplamasının sonuçlarına göre devre tasarımının temel olarak seçiliyor.

Devre tasarımı sürecinde, tasarım plan ı sinyal integritet analizi için SI modeline gönderilir, komponentler ve PCB tahta parametrelerinin tolerans menzili, PCB tasarım tasarımında mümkün topolojik yapı ve parametrelerin değişiklikleri ve diğer faktörler hesaplanır ve analiz edilir. Çözüm alanı.

Devre tasarımı tamamlandıktan sonra, her yüksek hızlı dijital sinyali sürekli ve ulaşılabilir çözüm alanı olmalı. PCB ve komponent parametreleri belli bir menzil içinde değiştiğinde, PCB tahtasındaki komponentlerin düzeni ve PCB tahtasındaki sinyal çizgilerin düzenlemesi belirli bir şekilde elaksizliği vardır, sinyal integritesi için ihtiyaçları hala garanti edilebilir.

PCB tasarımı başlamadan önce, alınan her sinyal çözüm alanının sınır değeri PCB tasarımının tasarımı ve düzenlemesi için kullanılan dizayn tasarımının sınırlı durumu olarak kullanılır.

PCB düzenleme tasarımı sürecinde, parçacık tamamlanmış veya tamamlanmış tasarım sonrası tasarım bütünlük analizi için SI modeline geri gönderilir. Gerçek tasarım tasarımının beklenen sinyal bütünlük ihtiyaçlarına uyup olmadığını doğrulamak için gerçek tasarım tasarımının gerçek bir Simülasyon sonuçları ihtiyaçlarına uygun değiştirmezse, düzenleme tasarımı ve devre tasarımı bile değiştirmelisiniz, yanlış tasarımı yüzünden ürün başarısızlığının riskini azaltabilir.

PCB tasarımı tamamlandıktan sonra PCB tahtası yapılabilir. PCB tahta üretim parametrelerinin tolerans menzili sinyal integritet analizinin çözüm alanının menzilinde olmalı.

PCB tahtası üretildikten sonra, bu araç SI modelinin ve SI analizinin doğruluğunu doğrulamak için ölçüm ve hata ayıklama için kullanılır ve bunu modelini düzeltmek için temel olarak kullanılır.

Doğru SI modeli ve analiz metodlarına dayanarak, genelde PCB kurulu tasarımı ve üretimi için tekrarlanan değişiklikler olmadan ya da sadece birkaç tekrarlanan bir sürü bitirilebilir, bu da ürün geliştirme döngüsünü kısayabilir ve geliştirme maliyetini azaltır.

4. Sinyal integritet analiz modeli

PCB tasarım yönteminde sinyal integritet bilgisayar analizi üzerinde dayanan en çekirdek kısmı PCB masa seviyesi sinyal integritet modelinin kuruluşudur. Bu geleneksel tasarım yönteminden farklı.

SI modelinin doğruluğu tasarımın doğruluğunu belirleyecek ve SI modelinin inşa edilebiliği bu tasarım metodunun uygulanabiliğini belirleyecek.

4.1. PCB tasarımının SI modeli

PCB tahta seviyesi sinyal integritet analizi için kullanılabilecek bir çok model var. En sık kullanılan üç kişi SPICE, IBIS ve Verilog-A.

a. SPICE modeli

SPICE güçlü bir genel amaçlı analog devre simülatörüdür. Şimdi SPICE modeli elektronik tasarımlarda geniş kullanıldı ve iki ana versiyonu: HSPICE ve PSPICE. HSPICE genellikle integral devre tasarımında kullanılır, ve PSPICE genellikle PCB tahtası ve sistem seviyesi tasarımında kullanılır.

SPICE modeli iki parçadan oluşur: Model Equations and Model Parameters. Model denklemi verildiğinden beri SPICE modeli simulatörün algoritmi ile yakın bağlantılı olabilir ve daha iyi analiz etkiliği ve analiz sonuçları elde edilebilir.

PCB tahta seviyesinde SI analizi yapmak için SPICE modelini kullandığında, integral devre tasarımcısı ve üreticisi için integral devre I/O birimi altdevre modelinin SPICE modelinin detaylı ve doğru bir tanımlaması ve yarı yönetici özelliklerinin üretim parametrolarının gerekli. Çünkü bu maddeler genellikle tasarımcıların ve üreticilerin gizliliğine ait, sadece birkaç yarı yönetici üreticileri çip ürünlerini verirken uygun SPICE modellerini sağlayacak.

SPICE modelinin analizi doğruluğu genellikle model parametrelerin kaynağına bağlı (yani verilerin doğruluğu) ve model denklemlerin uygulanabilir alanına bağlı. Çeşitli dijital simülatörler ile model denklemlerin birleşmesi de analizin doğruluğuna etkileyebilir. Ayrıca, PCB tahta seviyesi SPICE modelinin büyük bir miktar simülasyon hesaplaması var ve analiz relativ zamanlı kullanıcıdır.

b. IBIS modeli

IBIS modeli ilk olarak PCB tahta seviyesi ve sistem seviyesi dijital sinyal integritet analizi için Intel Corporation tarafından geliştirildi. Şimdi IBIS A çık Forum tarafından yönetilmiştir ve resmi endüstri standarti oldu (EIA/ANSI 656-A).

IBIS modeli I/V ve V/T masaların formunu dijital integral devre I/O birimlerinin ve pinlerin özelliklerini tanımlamak için kullanır. IBIS modeli, I/O biriminin ve transistor üretim parametrolarının iç tasarımını tanımlaması gerekmiyor çünkü yarı yönetici üretimciler tarafından hoşgeldiler ve desteklendiler. Şimdi bütün büyük dijital integral devre üreticileri çipleri sağlayarken uygun IBIS modellerini sağlayabilir.

IBIS model in in analizi doğruluğu genellikle I/V ve V/T masalarındaki veri noktalarının sayısına ve verilerin doğruluğuna bağlı. IBIS modelinin tabanlı PCB masa seviyesi simülasyonu tablo arama hesaplamalarını kullandığından beri hesaplama miktarı küçük, genelde sadece 1/10 ile 1/100'e uygun SPICE modelinin.

c. Verilog-AMS modeli ve VHDL-AMS modeli

Verilog-AMS ve VHDL-AMS 4 yıldan az önce göründü ve yeni bir standart. Donanım davranışları seviyesi modelleme dilleri olarak Verilog-AMS ve VHDL-AMS Verilog ve VHDL'in süper setleri, Verilog-A Verilog-AMS'in altı setidir.

SPICE ve IBIS modellerinden farklı, AMS dilinde, komponentlerin davranışlarını tanımlayan denklemler yazmak kullanıcılarına bağlı. IBIS modeli gibi, AMS modelleme dili birçok farklı tür simülasyon araçlarında kullanılabilecek bağımsız bir model format ıdır. AMS denklemleri de birçok farklı seviyede yazılabilir: transistor seviyesi, I/O hücre seviyesi, I/O hücre grubu, etc.

Çünkü Verilog-AMS ve VHDL-AMS yeni standartlar, sadece birkaç yarı yönetici üreticisi AMS modellerini şimdiye kadar sağlayabilir ve SPICE ve IBIS'den daha az AMS'i destekleyen simülatörler var. Ancak, PCB tahta seviyesi sinyal integritet analizinde AMS model in in uygulanabilirliği ve hesaplama doğruluğu SPICE ve IBIS modellerine daha aşağı değildir.

4. 2 Model seçimi

Bütün PCB tahta seviyesi sinyal integritet analizi tamamlamak için birleştirilmiş modeller yok, yüksek hızlı dijital PCB tahtasının tasarımında, üstündeki modelleri en büyük ölçüde anahtar sinyallerin ve hassas sinyallerin transmisi modelini oluşturmak için gerekli.

Mühendislik pasif komponentler için üretici tarafından sağlayan SPICE modelini arayabilirsiniz ya da deneysel ölçümler üzerinden basitleştirilmiş SPICE modelini düzenleyebilirsiniz.

Anahtar dijital integral devreler için üretici tarafından verilen IBIS modeli aramalı. Şu anda, çoğu integral devre tasarımcıları ve üreticileri Web siteleri veya diğer metodları üzerinden çips sağlayarak gerekli IBIS modelini sağlayabilir.

Eğer üreticisinin IBIS modeli bulunmuyorsa, kritik olmayan integral devreler için, benzer ya da öntanımlı IBIS modeli de çip pinlerin fonksiyonuna göre seçilebilir. Tabii ki, deneysel ölçülerle de basitleştirilmiş bir IBIS modeli oluşturulabilir.

PCB tabağındaki yayınlama çizgi için basitleştirilmiş yayınlama çizgi SPICE modeli sinyal integritet ön analiz ve uzay çözme analizinde kullanılabilir ve gerçek düzenleme tasarımına göre tamamen yayınlama çizgi SPICE modeli analizinde kullanılmalı.

5. Tasarım metodu ve mevcut EDA yazılımı birleştirme

Şu anda PCB tasarım endüstrisinde, yukarıdaki tasarım metodunu tamamlamak için EDA yazılımı yok, bu yüzden bazı genel yazılım araçlarının birleşmesi ile anlanmalıdır.

SPICE yazılımını (PSPICE, HSPICE, vb. gibi) PCB üzerindeki diskret ve pasif komponentler ve yayılma hatlarını için SPICE modellerini kurmak için kullanın, hata ayıklamak ve doğrulamak için.

SPECCTRAQuest, HyperLynx, Tau, IS_Analyzer vb. gibi genel sinyal integritet analizi yazılımına ulaştırılmış çeşitli komponent ve transmis çizgilerinin SPICE/IBIS modellerini ekle, PCB tahtasında sinyalin SI analizi modelini kur ve sinyal integritet Analizi ve seksin hesaplamasını gerçekleştir.

SI analiz yazılımıyla gelen veritabanı fonksiyonunu kullanın, ya da diğer genel amaçlı veritabanı yazılımını kullanın, simülasyon operasyonun sonuçlarını daha fazla sıralamak ve analiz etmek için ve ideal çözüm alanını aramak için.

PCB devre tasarımının temel olarak çözüm alanının sınır değerini ve dizaynın sınırlı durumu olarak, OrCAD, Protel, PADS, PowerPCB, Allegro ve Mentor gibi genel PCB devre tasarımı ve dizaynı tamamlamak için kullanılır.

PCB tasarımı tamamlandıktan sonra, gerçek tasarım devresinin (topoloji, uzunluğu, uzay, etc.) parametreleri yukarıdaki dizayn yazılımı aracılığıyla otomatik veya el olarak çıkarılabilir ve ön sinyal tamamlama analizi yazılımına geri gönderebilir. SI analizi, gerçek tasarımın çözüm alanının ihtiyaçlarına uyup olmadığını doğrulamak için.

PCB tahtası üretildikten sonra, her model ve simulasyon hesaplamasının doğruluğunu deneysel aletlerin ölçümlerinden kontrol edilebilir.

Bu makalenin toplantısı:

Bu tasarım yöntemi yüksek hızlı dijital PCB tahtasının tasarımı ve geliştirmesi için güçlü pratik önemlidir. Sadece ürünlerin tasarımının performansını etkili olarak geliştirebilir, ancak ürünlerin geliştirme döngüs ünü de çok kısayabilir ve geliştirme maliyetlerini azaltır. Sinyal integritet analizi modelleri ve hesaplama ve analizi algoritmalarının sürekli geliştirilmesi ve geliştirilmesi, sinyal integritet bilgisayar analizi üzerinde tabanlı PCB tasarım metodları elektronik ürünlerin tasarımında artık kullanılacak.