Thông tin PCB - Phương pháp thiết kế toàn vẹn tín hiệu PCB kỹ thuật số tốc độ cao

Bài viết này mô tả một cách tiếp cận thiết kế cho bảng mạch PCB tín hiệu kỹ thuật số tốc độ cao dựa trên phân tích tính toàn vẹn của tín hiệu máy tính. Trong phương pháp thiết kế này, tất cả các tín hiệu kỹ thuật số tốc độ cao đầu tiên được thiết lập để thiết lập mô hình truyền tín hiệu ở cấp độ bảng PCB, sau đó tìm không gian giải pháp thiết kế thông qua tính toán và phân tích tính toàn vẹn tín hiệu và hoàn thành bảng PCB trên cơ sở không gian giải pháp. Thiết kế và kiểm tra.

Với tốc độ chuyển mạch đầu ra mạch tích hợp được cải thiện và mật độ PCB tăng, tính toàn vẹn tín hiệu đã trở thành một trong những mối quan tâm phải được quan tâm trong thiết kế bảng mạch PCB kỹ thuật số tốc độ cao. Các yếu tố như các thông số của các thành phần và bảng mạch PCB, bố trí của các thành phần trên bảng mạch PCB và hệ thống dây tín hiệu tốc độ cao có thể gây ra các vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu, dẫn đến hoạt động không ổn định của hệ thống hoặc thậm chí không hoạt động ở tất cả. Làm thế nào để xem xét đầy đủ các yếu tố toàn vẹn tín hiệu trong quá trình thiết kế PCB và thực hiện các biện pháp kiểm soát hiệu quả đã trở thành một chủ đề nóng trong ngành công nghiệp thiết kế PCB ngày nay. Phương pháp thiết kế PCB kỹ thuật số tốc độ cao dựa trên phân tích tính toàn vẹn tín hiệu máy tính có thể đạt được tính toàn vẹn tín hiệu của thiết kế PCB một cách hiệu quả.

1. Tổng quan về vấn đề toàn vẹn tín hiệu

Tính toàn vẹn tín hiệu (SI) đề cập đến khả năng của một tín hiệu phản ứng với thời gian và điện áp chính xác trong mạch. Mạch có tính toàn vẹn tín hiệu tốt nếu tín hiệu trong mạch có thể đến IC theo thứ tự thời gian, thời lượng và biên độ điện áp mong muốn. Ngược lại, các vấn đề về tính toàn vẹn của tín hiệu xảy ra khi tín hiệu không phản hồi chính xác. Nói rộng ra, các vấn đề về tính toàn vẹn của tín hiệu chủ yếu thể hiện ở năm khía cạnh: độ trễ, phản xạ, nhiễu xuyên âm, nhiễu chuyển mạch đồng thời (SSN) và khả năng tương thích điện từ (EMI). Độ trễ có nghĩa là tín hiệu được truyền với tốc độ giới hạn trên dây dẫn của bo mạch PCB. Tín hiệu được gửi từ máy phát đến máy thu, và có một sự chậm trễ trong việc truyền tải giữa hai. Sự chậm trễ của tín hiệu sẽ ảnh hưởng đến thời gian của hệ thống. Trong các hệ thống kỹ thuật số tốc độ cao, độ trễ truyền chủ yếu được xác định bởi chiều dài của dây và hằng số điện môi của môi trường xung quanh dây. Ngoài ra, khi trở kháng đặc trưng của dây dẫn trên PCB (được gọi là dây truyền trong các hệ thống kỹ thuật số tốc độ cao) không phù hợp với trở kháng tải, một phần năng lượng sẽ được phản xạ lại dọc theo đường truyền sau khi tín hiệu đến đầu nhận, làm biến dạng dạng sóng tín hiệu và thậm chí cả tín hiệu tràn và giật. Nếu tín hiệu bị trả lại qua lại trên đường truyền, nó có thể gây ra chuông và chuông. Vì có khả năng tương điện và tương cảm giữa bất kỳ hai thiết bị hoặc dây nào trên PCB, khi tín hiệu trên một thiết bị hoặc dây thay đổi, những thay đổi của nó sẽ ảnh hưởng đến các thiết bị khác hoặc các thiết bị khác thông qua khả năng tương điện và cảm ứng. Dây điện, đó là nhiễu xuyên âm. Cường độ của Crosstalk phụ thuộc vào hình học và khoảng cách giữa các thiết bị và dây dẫn.

Khi nhiều tín hiệu kỹ thuật số trên PCB được chuyển đổi đồng bộ (chẳng hạn như bus dữ liệu của CPU, bus địa chỉ, v.v.), tiếng ồn chuyển đổi đồng bộ được tạo ra do trở kháng trên cáp nguồn và cáp mặt đất, và mặt phẳng mặt đất bị trả lại trên cáp mặt đất. Noise (viết tắt là Ground Bounce). Cường độ của SSN và phản ứng dữ dội mặt đất cũng phụ thuộc vào các đặc tính IO của mạch tích hợp, lớp nguồn và trở kháng của PCB, cũng như cách bố trí và hệ thống dây của thiết bị tốc độ cao trên PCB. Ngoài ra, cũng giống như các thiết bị điện tử khác, bảng mạch PCB có vấn đề về khả năng tương thích điện từ, chủ yếu liên quan đến cách bố trí và phương pháp định tuyến của bảng mạch PCB.

2. Phương pháp thiết kế bảng PCB truyền thống

Trong quá trình thiết kế truyền thống, thiết kế bảng mạch PCB bao gồm các bước như thiết kế mạch, thiết kế bố trí, sản xuất bảng mạch PCB, đo lường và gỡ lỗi. Trong giai đoạn thiết kế mạch, do thiếu các phương pháp và phương tiện phân tích hiệu quả về các đặc tính truyền tín hiệu trên bảng mạch PCB thực tế, thiết kế mạch thường chỉ có thể được thực hiện theo các nhà sản xuất và đề xuất thành phần và kinh nghiệm thiết kế trước đó. Do đó, đối với một dự án thiết kế mới, thường rất khó để chọn đúng các yếu tố như cấu trúc liên kết tín hiệu và các thông số thành phần theo từng trường hợp. Trong giai đoạn thiết kế bố trí PCB, cũng rất khó để phân tích và đánh giá sự thay đổi hiệu suất tín hiệu do bố trí thành phần và định tuyến tín hiệu của PCB trong thời gian thực, vì vậy chất lượng thiết kế bố trí phụ thuộc nhiều hơn vào kinh nghiệm của nhà thiết kế. Trong giai đoạn sản xuất bảng mạch PCB, vì quy trình của mỗi bảng mạch PCB và nhà sản xuất linh kiện không hoàn toàn giống nhau, các thông số của bảng mạch PCB và các thành phần thường có phạm vi dung sai lớn, làm cho hiệu suất của bảng mạch PCB khó kiểm soát hơn. Trong quá trình thiết kế bảng PCB truyền thống, hiệu suất của bảng PCB chỉ có thể được đánh giá bằng các phép đo dụng cụ sau khi hoàn thành sản xuất. Các vấn đề được tìm thấy trong giai đoạn gỡ lỗi bảng PCB phải được sửa đổi trong bước tiếp theo của thiết kế bảng PCB. Nhưng điều khó khăn hơn là trong thiết kế mạch và thiết kế bố cục trước đây, một số vấn đề thường khó định lượng thành các thông số. Do đó, đối với các bảng PCB phức tạp hơn, quá trình trên thường cần được lặp lại nhiều lần để cuối cùng đáp ứng các yêu cầu thiết kế. Do đó, sử dụng phương pháp thiết kế bảng PCB truyền thống, chu kỳ phát triển sản phẩm dài và chi phí nghiên cứu và phát triển tương ứng cao.

3. Phương pháp thiết kế bảng mạch PCB dựa trên phân tích tính toàn vẹn tín hiệu

Quá trình thiết kế bảng mạch PCB dựa trên phân tích máy tính toàn vẹn tín hiệu được thể hiện trong Hình 2. So với phương pháp thiết kế bảng mạch PCB truyền thống, phương pháp thiết kế dựa trên phân tích tính toàn vẹn tín hiệu có các đặc điểm sau: Trước khi thiết kế bảng mạch PCB, mô hình toàn vẹn tín hiệu của truyền tín hiệu kỹ thuật số tốc độ cao được thiết lập lần đầu tiên. Dựa trên mô hình SI, một loạt các vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu đã được phân tích trước và các loại thành phần, thông số và cấu trúc liên kết mạch phù hợp đã được chọn làm cơ sở cho thiết kế mạch dựa trên kết quả tính toán mô phỏng. Trong quá trình thiết kế mạch, sơ đồ thiết kế được gửi đến mô hình SI để phân tích tính toàn vẹn tín hiệu và các yếu tố như phạm vi dung sai của các thông số thành phần và bảng mạch PCB, cấu trúc liên kết và thay đổi tham số có thể xảy ra trong thiết kế bố trí bảng mạch PCB, thiết kế được tính toán và phân tích. Không gian giải pháp của giải pháp. Sau khi thiết kế mạch hoàn thành, mỗi tín hiệu kỹ thuật số tốc độ cao nên có một không gian giải pháp liên tục và có thể đạt được. Đó là, khi các thông số của bảng mạch PCB và các thành phần thay đổi trong một phạm vi nhất định, bố trí của các thành phần trên bảng mạch PCB và cách dây tín hiệu trên bảng mạch PCB có một số tính linh hoạt, vẫn có thể đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu. Yêu cầu Trước khi thiết kế bố trí của bảng mạch PCB bắt đầu, giá trị ranh giới của mỗi không gian phân giải tín hiệu thu được được được sử dụng làm ràng buộc đối với thiết kế bố trí, làm cơ sở thiết kế cho bố trí và định tuyến của bảng mạch PCB. Trong quá trình thiết kế bố cục PCB, một phần hoặc hoàn thành thiết kế được gửi trở lại mô hình SI để phân tích tính toàn vẹn tín hiệu sau thiết kế để xác nhận xem thiết kế bố cục thực tế có đáp ứng các yêu cầu về tính toàn vẹn tín hiệu mong muốn hay không. Nếu kết quả mô phỏng không đáp ứng được yêu cầu, thiết kế bố cục và thậm chí thiết kế mạch cần được sửa đổi để giảm nguy cơ thất bại sản phẩm do thiết kế không phù hợp. Sau khi hoàn thành thiết kế bảng PCB, sản xuất bảng PCB có thể được thực hiện. Phạm vi dung sai của các thông số sản xuất PCB phải nằm trong không gian giải pháp để phân tích tính toàn vẹn tín hiệu. Sau khi sản xuất bảng mạch PCB hoàn thành, các phép đo và vận hành được thực hiện bằng các dụng cụ để xác minh tính chính xác của mô hình SI và phân tích SI và sử dụng chúng làm cơ sở cho mô hình hiệu chỉnh. Trên cơ sở mô hình SI chính xác và phương pháp phân tích, bảng mạch PCB có thể được hoàn thiện mà không cần hoặc chỉ cần một vài sửa đổi lặp đi lặp lại đối với thiết kế và sản xuất, có thể rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm và giảm chi phí phát triển.

4. Mô hình phân tích tính toàn vẹn tín hiệu

Phần quan trọng nhất của phương pháp thiết kế bảng mạch PCB dựa trên phân tích máy tính toàn vẹn tín hiệu là xây dựng mô hình toàn vẹn tín hiệu cấp bảng mạch PCB, khác với các phương pháp thiết kế truyền thống. Tính chính xác của mô hình SI sẽ xác định tính chính xác của thiết kế và khả năng xây dựng mô hình SI sẽ xác định tính khả thi của phương pháp thiết kế này.

4.1. Mô hình SI cho thiết kế bảng PCB

Đã có nhiều mô hình có sẵn để phân tích tính toàn vẹn tín hiệu cấp PCB trong thiết kế điện tử. Trong số này, có ba loại thường được sử dụng là SPICE, IBIS và Verilog-A.

a) Mô hình SPICE

SPICE là một mô phỏng mạch analog phổ quát mạnh mẽ. Hiện tại, mô hình SPICE đã được sử dụng rộng rãi trong thiết kế điện tử và dẫn đến hai phiên bản chính: HSPICE và PSPICE, HSPICE chủ yếu được sử dụng trong thiết kế mạch tích hợp và PSPICE chủ yếu được sử dụng trong bảng mạch PCB và thiết kế cấp hệ thống. Mô hình SPICE bao gồm hai phần: phương trình mô hình và tham số mô hình. Nhờ các phương trình mô hình được cung cấp, các thuật toán của mô hình SPICE và mô phỏng có thể được liên kết chặt chẽ với nhau để đạt được hiệu quả phân tích và kết quả phân tích tốt hơn. Khi sử dụng mô hình SPICE để thực hiện phân tích SI ở cấp độ bo mạch PCB, các nhà thiết kế và nhà sản xuất IC cần cung cấp mô hình SPICE chi tiết và chính xác mô tả các thông số sản xuất của các đặc tính mạch con và chất bán dẫn của các đơn vị I/O của IC. Vì các vật liệu này thường thuộc sở hữu trí tuệ và bảo mật của các nhà thiết kế và nhà sản xuất, chỉ có một số ít các nhà sản xuất chất bán dẫn cung cấp mô hình SPICE tương ứng với các sản phẩm chip. Độ chính xác phân tích của mô hình SPICE phụ thuộc chủ yếu vào các thông số của mô hình (tức là bản chất của dữ liệu) và phạm vi áp dụng của phương trình mô hình. Khi kết hợp với các mô phỏng kỹ thuật số khác nhau, các phương trình mô hình cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của phân tích. Ngoài ra, mô hình SPICE tương đối lớn để tính toán mô phỏng ở cấp độ bo mạch PCB và mất nhiều thời gian để phân tích.

B. Mô hình IBIS

Mô hình IBIS ban đầu được phát triển bởi Intel để phân tích tính toàn vẹn tín hiệu kỹ thuật số ở cấp bo mạch PCB và cấp hệ thống. Nó hiện được quản lý bởi Diễn đàn Mở IBIS và là tiêu chuẩn công nghiệp chính thức (EIA/ANSI 656-A). Mô hình IBIS sử dụng các dạng bảng I/V và V/T để mô tả các đặc tính của các đơn vị I/O và chân của mạch tích hợp kỹ thuật số. Mô hình IBIS được các nhà sản xuất bán dẫn hoan nghênh và ủng hộ vì nó không yêu cầu mô tả thiết kế nội bộ và các thông số sản xuất bóng bán dẫn của các đơn vị I/O. Tất cả các nhà sản xuất IC kỹ thuật số lớn hiện có thể cung cấp các mô hình IBIS và chip tương ứng. Độ chính xác phân tích của mô hình IBIS phụ thuộc chủ yếu vào số lượng điểm dữ liệu và mức độ dữ liệu trong các bảng I/V và V/T. Vì mô phỏng cấp bảng mạch PCB dựa trên mô hình IBIS được tính bằng bảng tra cứu, số lượng tính toán nhỏ hơn, thường chỉ bằng 1/10 đến 1/100 của mô hình SPICE tương ứng.

Mô hình Verilog AMS và VHDL-AMS

Verilog AMS và VHDL-AMS mới ra mắt chưa đầy 4 năm và là những tiêu chuẩn mới. Là một ngôn ngữ mô hình hóa cấp độ hành vi phần cứng, Verilog AMS và VHDL-AMS là siêu tập của Verilog và VHDL, trong khi Verilog-A là một tập con của Verilog AMS. Không giống như các mô hình SPICE và IBIS, trong ngôn ngữ AMS, người dùng viết các phương trình mô tả hành vi của các thành phần. Tương tự như mô hình IBIS, ngôn ngữ mô hình AMS là một định dạng mô hình độc lập có thể được sử dụng cho nhiều loại công cụ mô phỏng khác nhau. Phương trình AMS cũng có thể được viết ở nhiều cấp độ khác nhau: cấp transistor, cấp đơn vị I/O, bộ pin I/O, v.v. Vì Verilog AMS và VHDL-AMS là một tiêu chuẩn mới, cho đến nay chỉ có một số ít các nhà sản xuất chất bán dẫn có thể cung cấp mô hình AMS và có ít mô phỏng có thể hỗ trợ AMS hơn SPICE và IBIS. Tuy nhiên, mô hình AMS không kém khả thi và tính toán chính xác trong phân tích tính toàn vẹn tín hiệu cấp PCB so với mô hình SPICE và IBCS.

4.2 Lựa chọn model

Vì không có mô hình thống nhất để hoàn thành phân tích toàn vẹn tín hiệu ở tất cả các cấp PCB, trong thiết kế của bảng mạch PCB kỹ thuật số tốc độ cao, cần phải kết hợp các mô hình trên để thiết lập mô hình truyền tín hiệu quan trọng và tín hiệu cảm biến. Đối với các thiết bị thụ động tách biệt, mô hình SPICE do nhà sản xuất cung cấp có thể được tìm kiếm hoặc chế độ SPICE đơn giản hóa có thể được thiết lập và sử dụng trực tiếp thông qua các phép đo thực nghiệm. Đối với các mạch tích hợp kỹ thuật số quan trọng, mô hình IBIS do nhà sản xuất cung cấp phải được tìm kiếm. Hiện tại, hầu hết các nhà thiết kế và nhà sản xuất IC đều có thể cung cấp các mô hình IBIS và chip cần thiết thông qua trang web hoặc các phương tiện khác. Đối với các mạch tích hợp không quan trọng, một mô hình IBIS tương tự hoặc mặc định cũng có thể được chọn dựa trên chức năng của chân chip nếu không có mô hình IBIS của nhà sản xuất. Tất nhiên, mô hình IBIS đơn giản hóa cũng có thể được xây dựng bằng các phép đo thực nghiệm. Đối với đường truyền trên bo mạch PCB, mô hình SPICE đơn giản hóa của đường truyền có thể được sử dụng để phân tích trước tính toàn vẹn tín hiệu và phân tích không gian giải pháp, trong phân tích sau khi cáp, mô hình SPICE đường truyền hoàn chỉnh cần được sử dụng theo thiết kế bố cục thực tế.

5. Kết hợp phương pháp thiết kế với phần mềm EDA hiện có

Hiện nay, ngành công nghiệp thiết kế bảng mạch PCB chưa có phần mềm EDA tích hợp để thực hiện các phương pháp thiết kế trên, vì vậy nó phải được thực hiện thông qua sự kết hợp của một số công cụ phần mềm chung. Sử dụng phần mềm SPICE phổ quát như PSPICE, HSPICE, v.v. để thiết lập mô hình SPICE cho các thiết bị tách rời, thụ động và đường truyền trên PCB và gỡ lỗi và xác minh. Thêm mô hình SPICE/IBIS của từng thành phần và đường truyền thu được vào phần mềm phân tích tính toàn vẹn tín hiệu chung như SPECTRARQuest, HyperLynx, Tau, IS_Analyzer, v.v., thiết lập mô hình phân tích SI của tín hiệu trên bo mạch PCB và thực hiện các tính toán phân tích phân tích về tính toàn vẹn tín hiệu. Sử dụng chức năng cơ sở dữ liệu của phần mềm phân tích SI hoặc sử dụng phần mềm cơ sở dữ liệu chung khác để tổ chức và phân tích thêm kết quả của các hoạt động mô phỏng để tìm không gian giải pháp lý tưởng. Sử dụng các giá trị ranh giới của không gian giải pháp làm cơ sở cho thiết kế mạch PCB và các ràng buộc đối với thiết kế bố cục, phần mềm EDA thiết kế PCB chung như OrCAD, Protel, PADS, PowerPCB, Allegro và Mentor được sử dụng để hoàn thành thiết kế mạch PCB và thiết kế bố cục. Khi thiết kế bố trí của bảng PCB được hoàn thành, các thông số của mạch thiết kế thực tế (ví dụ: topo, chiều dài, khoảng cách, v.v.) có thể được trích xuất tự động hoặc thủ công thông qua phần mềm thiết kế bố trí trên và gửi lại cho phần mềm phân tích tính toàn vẹn tín hiệu trước đó để định tuyến. Phân tích SI để xác minh rằng thiết kế thực tế phù hợp với yêu cầu của không gian giải pháp. Khi sản xuất bảng mạch PCB, tính chính xác của từng mô hình và tính toán mô phỏng cũng có thể được xác minh bằng các phép đo của dụng cụ thí nghiệm.

Phương pháp thiết kế này có ý nghĩa thực tế mạnh mẽ đối với việc thiết kế và phát triển bảng mạch PCB kỹ thuật số tốc độ cao. Nó không chỉ có thể cải thiện hiệu suất thiết kế sản phẩm một cách hiệu quả mà còn rút ngắn đáng kể chu kỳ phát triển sản phẩm và giảm chi phí phát triển. Có thể dự đoán rằng phương pháp thiết kế bảng mạch PCB dựa trên phân tích máy tính toàn vẹn tín hiệu sẽ ngày càng được áp dụng trong thiết kế các thiết bị điện tử khi các mô hình phân tích tính toàn vẹn tín hiệu và các thuật toán phân tích tính toán tiếp tục được cải thiện và hoàn thiện.