Công nghệ PCB - Phân tích tính toàn vẹn tín hiệu trong thiết kế bố trí mạch tốc độ cao MCM

Tóm tắt: Khi mật độ đóng gói tăng và tần suất hoạt động tăng lên, các vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu trong thiết kế mạch MCM không thể bỏ qua. Bài viết này lấy ví dụ về mạch geophone. Đầu tiên, sử dụng phần mềm APD để thực hiện thiết kế bố trí mạch, sau đó kết hợp với phân tích tính toàn vẹn tín hiệu, điều chỉnh cấu trúc bố trí mạch nhiều lần. Kết quả mô phỏng phần mềm Spectra Quest cuối cùng cho thấy bố cục mạch được cải thiện đáp ứng các yêu cầu về tính toàn vẹn tín hiệu trong khi vẫn duy trì độ chính xác mô phỏng cao.

Từ khóa: linh kiện đa chip; Địa điểm và tuyến đường; Tính toàn vẹn tín hiệu; Phản xạ Trì hoãn

Với sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp và tốc độ hoạt động của các thành phần đa chip ngày càng tăng, việc xử lý tín hiệu tốc độ cao đã trở thành chìa khóa thành công trong thiết kế mạch MCM. Khi đó tín hiệu đồng hồ tăng hoặc giảm rất nhỏ, sẽ gây ra hiệu ứng đường truyền, tức là vấn đề toàn vẹn tín hiệu.

Thiết kế này, sử dụng mạch dò làm ví dụ, đặt ra phương pháp sử dụng các công cụ phân tích tính toàn vẹn tín hiệu để thiết kế bố trí MCM. Đầu tiên, mở rộng thư viện các bộ phận đóng gói để đáp ứng nhu cầu của một thiết kế bố trí mạch cụ thể; Sau đó, sử dụng phần mềm APD (Advanced Package Designer) để gọi trực tiếp các biểu tượng đóng gói thành phần để hoàn thành thiết kế bố cục ban đầu của mạch; Cuối cùng phản xạ, độ trễ và khả năng tương thích điện từ kết hợp với kết quả phân tích mô phỏng tính toàn vẹn tín hiệu được điều chỉnh nhiều lần, bố trí mạch được cải thiện làm giảm sự phản xạ của tín hiệu, độ trễ tương đối của tín hiệu đầu vào không vượt quá 0,2ns, hiện tượng nhiễu điện từ cũng bị ức chế, đáp ứng các yêu cầu về tính toàn vẹn tín hiệu.

Triển khai phần mềm cho các địa điểm và tuyến đường MCM

Như đã đề cập ở trên, việc thực hiện bố cục MCM bao gồm việc tạo sơ đồ mạch, mở rộng thư viện các bộ phận và hoàn thành bố cục cuối cùng và định tuyến và xử lý đầu ra của tệp dữ liệu. Bố cục APD bao gồm năm loại: ngăn xếp pad (*.pad), ký hiệu đóng gói (*.psm), ký hiệu cơ học (*.bsm), ký hiệu định dạng (*.osm) và ký hiệu hình dạng (*.ssm). Trong thiết kế bố cục MCM, tất cả các bố cục phải có gói thư viện chính xác. Các thư viện gói tích hợp của phần mềm thiết kế MCM thường không đáp ứng được các yêu cầu thiết kế cụ thể. Các bộ phận có thể được sử dụng trực tiếp cho thiết kế bố cục và đầu ra tệp quy trình cuối cùng chỉ sau khi thư viện phần được mở rộng. Đầu tiên, sử dụng phần mềm Padstack Editor để mở rộng thư viện các bộ phận, sau đó đóng gói mạch và xuất tệp đồng hồ mạng kết nối điện vào phần mềm APD thông qua Concept HDL để hoàn thành bố cục mạch. Trong suốt thiết kế, 16 padstack và 81 ký hiệu đóng gói đã được xác định, padstack được gọi 251 lần, đơn vị chức năng được gọi 89 lần, trong đó 251 chân ký hiệu đóng gói thành phần và 229 chân đơn vị chức năng được chia sẻ.

Điều quan trọng cần lưu ý là trong thiết kế cụ thể, nếu bạn sử dụng Orcad cho thiết kế mạch sơ bộ, bạn phải chuyển đổi các tệp được tạo bởi Orcad thành tệp mcm của phần mềm APD. Nhưng do các vấn đề tương tự như brd với các tệp mcm được chuyển đổi, các tệp bảng mạng được xuất bằng phần mềm Concept HDL và sau đó được trích xuất để mô phỏng. Để giảm thời gian mô phỏng, phương pháp mô phỏng mô-đun con đã được sử dụng.

Phân tích mô phỏng

Mô hình IBIS

Spectra Quest cũng giống như các phần mềm phân tích mạch khác. Để có được kết quả mô phỏng chính xác, trước tiên phải cung cấp một mô hình điện chính xác cho các thành phần mạch. Phần mềm Spectra Quest sử dụng mô hình IBIS. Mô hình IBIS (Input/Output Buffer Information Specification) sử dụng các bảng I/V và V/T để mô tả các đặc tính của các đơn vị I/O và các chân. Nó là một bộ đệm I/O nhanh và chính xác dựa trên đường cong V/I. Phương pháp của mô hình. Nó cung cấp một định dạng tệp tiêu chuẩn để ghi lại các thông số như trở kháng đầu ra của ổ đĩa hoặc máy thu, thời gian tăng/giảm và tải đầu vào. Các tham số này được đọc bởi Spectra Quest. Mô hình IBIS có thông tin cần thiết để phân tích tính toàn vẹn tín hiệu và lý tưởng cho việc tính toán và mô phỏng các hiệu ứng tần số cao như dao động và nhiễu xuyên âm.

Sigexplorer bên trong Spectra Quest chấp nhận mô hình IBIS và sau đó chuyển đổi nó thành ngôn ngữ mô hình thiết kế độc đáo DML để hoàn thành mô hình hóa các cấu trúc I/O phức tạp. Ngoài ra, Constraint Manager trong Sigexplorer có thể quản lý các tham số được sử dụng trong mô phỏng và nhúng chúng vào các ràng buộc vị trí và định tuyến tiếp theo.

Phân tích phản xạ

Phản xạ, tiếng vang trên đường truyền, là do sự gián đoạn của trở kháng. Không phù hợp trở kháng giữa nguồn điện và tải sẽ gây ra phản xạ trên đường dây, nơi tải phản xạ một phần điện áp trở lại nguồn điện. Nếu trở kháng tải nhỏ hơn trở kháng nguồn, điện áp phản xạ là âm; Nếu không, điện áp phản xạ là dương. Lý tưởng nhất là trở kháng đầu ra, trở kháng đường truyền và trở kháng tải đều bằng nhau. Tại thời điểm này, trở kháng của đường truyền là liên tục và không có phản xạ xảy ra. Biên độ của tín hiệu điện áp phản xạ được xác định bởi hệ số phản xạ nguồn rS và hệ số phản xạ tải rL.

Chìa khóa để giải quyết vấn đề phản xạ đường truyền là kiểm soát trở kháng. Kết hợp trở kháng có thể ức chế phản xạ đường truyền. Có bốn cách kết thúc phù hợp: kết thúc song song, kết thúc song song tương đương Davinin, kết thúc AC và kết thúc loạt. Ở đây, phương pháp đầu cuối song song tương đương Thevenin được sử dụng để điều khiển trở kháng đầu vào của mạch dò, sau đó topo mạch được trích xuất và các đặc tính truyền tải của mạch trước và sau khi kết thúc khớp được mô phỏng tương ứng.

Trước khi chấm dứt, dạng sóng bị biến dạng dọc theo sự tăng lên, dễ dẫn đến thao tác sai. Kết thúc trận đấu có hiệu quả loại bỏ sự biến dạng của tín hiệu, và sự đơn điệu là rất tốt, và tín hiệu ban đầu được kéo lên dọc theo sự gia tăng và chuyển đổi mức trước, làm tăng thời gian trạng thái ổn định của tín hiệu, với sự gia tăng tương đối ổn định dọc theo sự gia tăng của tín hiệu. Mặc dù có quá nhiều xung trong giai đoạn bảo trì mức cao, nó không ảnh hưởng đến việc xác nhận tín hiệu và chất lượng tín hiệu là lý tưởng. Ngoài ra, chiều dài của đường truyền tín hiệu cũng có ảnh hưởng nhất định đến phản xạ. Mô phỏng phát hiện ra rằng khi đường truyền dài hơn, hiện tượng phản xạ dự đoán sẽ xảy ra; Dạng sóng mô phỏng phù hợp hơn với kết quả phân tích khi đường truyền ngắn hơn. Do đó, chiều dài của dây là khác nhau và phương pháp điều trị của nó cũng nên khác nhau. Nói chung, nếu chiều dài dấu vết nhỏ hơn 2 inch, nó được coi là mạch LC tổng tham số; Nếu nó lớn hơn 8 inch, nó được coi là một mạch đường truyền tham số phân tán.

Phân tích độ trễ

Khi tần số hoạt động của hệ thống tăng lên, độ trễ dây không còn bị bỏ qua khi tín hiệu tăng lên hoặc giảm xuống rất dốc. Nó đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết lập và duy trì tín hiệu và thậm chí có thể ảnh hưởng đến thời gian của hệ thống và dẫn đến hoạt động sai và do đó phải được xem xét. Thiết kế mạch tốc độ cao MCM yêu cầu độ lệch pha của chip nhớ không được quá lớn, vì vậy độ trễ cáp từ đầu ổ đĩa đến đầu nhận phải xấp xỉ bằng nhau. Chiều dài của đường tín hiệu có ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền dẫn và có thể dẫn đến biến dạng tín hiệu trong quá trình truyền. Chất lượng truyền tín hiệu trở nên kém hơn khi chiều dài đường dây tăng lên. Đối với các đường tín hiệu quá dài, phương pháp phù hợp với nguồn hoặc đầu nên được sử dụng để cải thiện chất lượng truyền. Với công cụ mô phỏng tính toàn vẹn tín hiệu, độ trễ từ đầu ổ đĩa đến mỗi chip có thể dễ dàng được mô phỏng, sau đó bố cục và hệ thống dây được điều chỉnh theo kết quả mô phỏng để đáp ứng các yêu cầu định trước.

Mỗi tín hiệu của máy dò phải duy trì cùng một độ trễ truyền tải càng nhiều càng tốt, điều này đòi hỏi độ dài dây nhất quán càng tốt. Đối với sự khác biệt nhỏ, dây có thể được kéo dài hoặc rút ngắn tùy thuộc vào kết quả mô phỏng. Sau khi kết nối dây hoàn tất, độ trễ truyền của tín hiệu đầu vào được mô phỏng bằng phần mềm Spectra Quest. Các thông số cụ thể được thể hiện trong Bảng 2. Có thể thấy rằng độ trễ tương đối không vượt quá 0,2ns và kết quả mô phỏng là lý tưởng.

Phân tích EMI

Sự phản xạ và độ trễ của tín hiệu trong miền thời gian được phân tích ở trên, và EMI (nhiễu điện từ) cũng là một khía cạnh quan trọng của thiết kế mạch tốc độ cao.

Sự nhiễu điện từ bao gồm bức xạ điện từ quá mức và độ nhạy cảm với bức xạ điện từ. Tần số hoạt động quá cao, thay đổi tín hiệu quá nhanh hoặc bố trí và hệ thống dây điện không hợp lý đều có thể gây ra hiệu ứng nhiễu điện từ. EMI mô phỏng mạch dò trước và sau khi khớp thiết bị đầu cuối bằng cách thay đổi chiến lược cáp. Tín hiệu tạo ra tiếng ồn kéo dài từ 0 đến 2 GHz và có phạm vi rộng, với cường độ bức xạ khác nhau ở mỗi tần số. Cường độ bức xạ của một số tần số vượt quá giới hạn, tức là nhiễu điện từ của tín hiệu ở tần số đó đã vượt quá khả năng chịu đựng của hệ thống. Ở mức độ này, cần thực hiện các biện pháp để giảm mức độ bức xạ của nó. Kiểm soát trở kháng được thực hiện theo các phương pháp trên và chiều dài dây được giảm thiểu. Có thể thấy rằng sóng tần số vượt quá giới hạn đã giảm xuống dưới đường ngang, cường độ bức xạ tại mỗi điểm tần số giảm và toàn bộ cường độ bức xạ giảm. Điều này cho thấy rằng đối với truyền tín hiệu, việc thay đổi chiều dài dây và thêm một mạng kết nối phù hợp không chỉ cải thiện đặc tính truyền tín hiệu mà còn giảm cường độ bức xạ điện từ và cải thiện chất lượng tín hiệu.

Kết thúc

Khi thiết kế mạch tốc độ cao, tính toàn vẹn tín hiệu và phân tích mô phỏng EMI của chức năng hệ thống được thực hiện đầu tiên bằng cách sử dụng mô hình thiết bị chính xác để xác định bố cục của mạch, sau đó mô phỏng để cải thiện mạng cáp cho đến khi đạt được kết quả cáp thỏa đáng. Thiết kế này chủ yếu dựa trên công nghệ thiết kế bố trí MCM, kết hợp với các ví dụ đóng gói máy dò, phân tích các vấn đề phản xạ, độ trễ và EMI của bố trí MCM và hệ thống dây trong miền thời gian và miền tần số, đạt được kết quả tốt.