Präzisions-Leiterplattenherstellung, Hochfrequenz-Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und Leiterplattenbestückung.
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Design der Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte basierend auf Cadence
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Design der Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte basierend auf Cadence

2022-04-01
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Author:pcb

1. The introduction
The correspondingHochgeschwindigkeit Leiterplatte wird immer häufiger eingesetzt, das Design wird immer komplexer. Mit der steigenden Nachfrage nach Kommunikation, Die Geschwindigkeit der Signalübertragung und -verarbeitung wird immer schneller. Hochgeschwindigkeitsstrecke hat zwei Bedeutungen:, es ist Hochfrequenz. Es wird allgemein angenommen, dass die Frequenz der digitalen Schaltung 45MHz bis 50MHz erreicht oder überschreitet, und die Schaltung, die mit dieser Frequenz arbeitet, hat ein Drittel des gesamten Systems ausgemacht, so heißt esHochgeschwindigkeit Schaltung. Darüber hinaus, unter Berücksichtigung der Auf- und Fallzeit des Signals, wenn die Anstiegszeit des Signals kleiner als das 6-fache der Signalübertragungsverzögerung ist, das Signal gilt alsHochgeschwindigkeit Signal, was nichts mit der spezifischen Frequenz des Signals zu tun hat.

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2. Grundlegende Inhalte vonHochgeschwindigkeit Leiterplattedesign
High-speed circuit design in the modern circuit design of the proportion is more and more large, das Design wird immer schwieriger, seine Lösung braucht nicht nurHochgeschwindigkeit Geräte, aber braucht auch die Weisheit und sorgfältige Arbeit des Designers, muss die spezifische Situation sorgfältig studieren und analysieren, zur Lösung der bestehendenHochgeschwindigkeit Schaltungsprobleme. Im Allgemeinen, Das Design umfasst hauptsächlich drei Aspekte: Signalintegritätsdesign, Auslegung der elektromagnetischen Verträglichkeit, Entwurf der Stromintegrität.

2.1 Signal Integrity design

Signal integrity refers to the quality of the signal on the signal line. Ein Signal mit guter Signalintegrität bedeutet, dass es die Spannungspegelwerte aufweist, die erforderlich sind, um bei Bedarf zu erreichen. Schlechte Signalintegrität wird nicht durch einen Faktor verursacht, aber durch eine Kombination von Faktoren im Board-Level-Design. Besonders in Hochgeschwindigkeitsstrecken, die Schaltgeschwindigkeit des verwendeten Chips ist zu hoch, die Anordnung der Klemmenkomponenten ist nicht zumutbar, Die Verbindung der Schaltung ist nicht vernünftig und so weiter verursacht das Problem der Signalintegrität. Es umfasst hauptsächlich Übersprechen, Reflexion, Über- und Abwärtsschuss, Schwingung, Signalverzögerung, etc.

2.1.1 Crosstalk (crosstalk)
Crosstalk is the unnecessary coupling between two adjacent signal lines. Die gegenseitige Induktivität und Toleranz zwischen Signalleitungen verursachen das Rauschen auf der Leitung. Daher, Es ist unterteilt in induktives Übersprechen und kapazitives Übersprechen, die gekoppelten Strom bzw. gekoppelte Spannung verursachen. Übersprechen sollte berücksichtigt werden, wenn die Randrate des Signals unter 1ns liegt. Bei Wechselsignalstrom durch die Signalleitung, es wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugen, und die benachbarte Signalleitung im Magnetfeld induziert Signalspannung. Die Parameter der allgemeinen Leiterplatte Ebene, Abstand zwischen Signalleitungen, die elektrischen Eigenschaften des Antriebsenden und des Empfangsenden, und der Verbindungsmodus der Signalleitung haben alle einen bestimmten Einfluss auf Übersprechen. In Cadence Signal Simulation Tool, 6-Kupplungssignalleitungen können nach Übersprechen gleichzeitig simuliert werden. Die Abtastparameter, die eingestellt werden können, sind: dielektrische Konstante von Leiterplatte, Dicke des Mediums, Dicke des eingetauchten Kupfers, Länge und Breite der Signalleitung, Abstand der Signalleitung. In der Simulation, Es ist notwendig, eine beschädigte Signalleitung anzugeben, das ist, Untersuchung der Störung einer anderen Signalleitung zu dieser Leitung, und die Anregung als konstant hoch oder konstant niedrig einstellen, so dass die Summe der induzierten Spannung anderer Signalleitungen zu dieser Signalleitung gemessen werden kann, so dass der Abstand und die parallele Länge die Anforderungen erfüllen können.

2.1.2 Reflex (reflection)
Reflection is the echo of a signal along a transmission line, wie wir wissen, wenn Licht durch ein diskontinuierliches Medium reist und ein Teil seiner Energie zurückgespiegelt wird. An diesem Punkt, Die Signalleistung wird nicht vollständig an die Last übertragen, manches spiegelt sich zurück. In einemHochgeschwindigkeit PCB, das Kabel muss der Übertragungsleitung entsprechen. Nach der Theorie der Übertragungsleitung, wenn Quelle und Last die gleiche Impedanz haben, die Reflexion wird nicht eintreten. Eine Fehlanpassung der Impedanz zwischen den beiden verursacht Reflexion, und die Last reflektiert einen Teil der Spannung zurück zur Quelle. Die reflektierte Spannung kann positiv oder negativ sein, abhängig von der Größe des Verhältnisses zwischen der Lastimpedanz und der Quellimpedanz. Ist das reflektierte Signal Sternk und überlagert sich das Originalsignal, es ist wahrscheinlich, den logischen Zustand zu ändern, resultierend in Empfangsfehlern. Wenn das Taktsignal die Uhr entlang der monotonen, und dann den falschen Auslöser auslösen. Allgemeine Verdrahtungsgeometrie, falsche Kabelabschlüsse, Übertragung über Steckverbinder, und Unterbrechungen in der Leistungsebene können alle solche Reflexionen verursachen. Darüber hinaus, es gibt oft einen Ausgang mit mehreren Empfängern, und dann hat die Reflexion, die durch verschiedene Verdrahtungsstrategien erzeugt wird, unterschiedliche Auswirkungen auf jeden Empfänger, So ist die Verdrahtungsstrategie auch ein Faktor, der nicht ignoriert werden kann.

2.1.3 Overshoot and undershoot

Overshoot is a signal jump caused by too fast circuit switching and the reflection mentioned above, das ist, Die Signalspitze überschreitet den Peak- oder Talwert der eingestellten Spannung. Ein Downdraft ist der nächste Trog oder Gipfel. Übermäßiger Überschuss kann dazu führen, dass die Schutzdiode funktioniert, führt zu vorzeitigem Versagen, und schwere Schäden am Gerät. Übermäßige Downloads können falsche Takt- oder Datenfehler verursachen, die durch Hinzufügen geeigneter Endpunkte reduziert oder eliminiert werden können.

2.1.4 Oscillations and Pawnchess
The phenomenon of oscillation is the repeated occurrence of overshot and downshot, Signaloszillation und Umgebungsoszillation wird durch die Impedanzanpassung zwischen dem Empfangsende und der Übertragungsleitung und dem Quellende verursacht, die durch übermäßige Induktivität und Kapazität auf der Leitung verursacht wird, tritt normalerweise in der Nähe des Schwellenwerts der Logik-Ebene auf, Das Überschreiten der Logik-Level-Schwelle für viele Male führt zu Logik-Dysfunktion. Schwingungen und Umfangsschwingungen werden durch so viele Faktoren verursacht wie Reflexionen, Durch entsprechende Beendigung oder Änderung der Leiterplattenparameter können Schwingungen reduziert werden, kann aber nicht vollständig eliminiert werden. In der Signalsimulationssoftware von Cadence, Die oben genannten Signalintegritätsprobleme werden in Reflexionsparametern gemessen. Im IBIS Modell treibende Vorrichtung und Empfangsrepository, Wir müssen nur verschiedene Impedanzparameter der Übertragungsleitung einrichten, Widerstand, Signalübertragungsrate oder Stripline und Microstrip-Leitung, kann direkt mit Hilfe des Simulationswerkzeugs Signalwellenform und der entsprechenden Daten berechnet werden, damit Sie den passenden Impedanzwert der Übertragungsleitung finden können, Widerstand, Signalübertragungsrate, Im entsprechenden Leiterplatte Software Allegro, the width of the corresponding signal line in each layer can be obtained according to the corresponding transmission line impedance value and signal transmission rate (the order and parameters of lamination need to be set in advance). Es gibt viele Möglichkeiten, Resistance Matching zu wählen, einschließlich Quellend-End-to-End und Parallel-End-to-End, etc. In der Verdrahtungsstrategie können auch verschiedene Wege gewählt werden: Chrysantheme, star, kundenspezifisch, Jeder Weg hat seine Vor- und Nachteile, Entsprechend verschiedenen Schaltungssimulationsergebnissen, um die spezifische Auswahl zu bestimmen.

2.1.5 Signal Delay
The circuit can only receive data in accordance with the specified time sequence, Zu lange Signalverzögerung kann zu Verwirrung von Timing und Funktion führen, in einem Low-Speed-System wird kein Problem sein, aber die Signalrandrate steigt, die Taktrate steigt, Die Übertragungszeit zwischen Geräten und Synchronisationszeit wird verkürzt. Antriebsüberlastung und lange Verdrahtung verursachen Verzögerungen. Alle Gate-Verzögerungen müssen in immer kürzeren Zeitbudgets eingehalten werden, inkl. Einrichtungszeit, Haltezeit, Leitungsverzögerung und Ablenkung. Weil die äquivalente Kapazität und Induktivität auf der Übertragungsleitung die digitale Schaltung des Signals verzögern, gekoppelt mit der durch Reflexion verursachten Schwingungswicklung, Das Datensignal kann die vom Empfangsgerät benötigte Zeit nicht erfüllen, um korrekt zu empfangen, was zu Empfangsfehlern führt. In Cadence Signal Simulation Software, Die Signalverzögerung wird auch in den Reflexionssubparametern gemessen, Settleday, Schaltverzögerung und Propdelay. Die ersten beiden Parameter beziehen sich auf die Testlast in der IBIS-Modellbibliothek. Diese beiden Parameter können durch manuelle Parameter von Treiber- und Empfängergeräten bestimmt werden. Sie können mit simulierten Settledelay und Switchedelay verglichen werden. Wenn die im langsamen Modus ermittelten Switchdelay-Werte kleiner als der berechnete Wert sind, und die im Schnellmodus erhaltenen Switchdelay-Werte sind alle größer als der berechnete Wert, dann kann der Propdelay-Bereich zwischen den beiden Geräten, die wir wirklich benötigen, erhalten werden. Während der Platzierung einer bestimmten Vorrichtung, wenn sich das Gerät nicht in geeigneter Position befindet, Der Teil der entsprechenden Verzögerungstabelle wird rot angezeigt, die blau wird, wenn die Position richtig eingestellt ist, Anzeige, dass die Verzögerung zwischen den Geräten den angegebenen Propdelay-Bereich erreicht hat.

2.2 Design for Electro Magnetic Compatibility
Electromagnetic compatibility includes electromagnetic interference and electromagnetic tolerance, das ist, übermäßige elektromagnetische Strahlung und Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Strahlung. Es gibt zwei Arten von elektromagnetischen Störungen: Leitungsstörungen und Strahlungsstörungen. Geleitete Interferenzen beziehen sich auf die Leitung von Signalen von einem elektrischen Netzwerk zu einem anderen elektrischen Netzwerk durch leitfähiges Medium in Form von Strom. In Leiterplatte, Es manifestiert sich hauptsächlich als Bodengeräusch und Stromgeräusch. Strahlende Störung ist, wenn ein Signal in Form von elektromagnetischen Wellen ausstrahlt, die ein anderes elektrisches Netzwerk beeinflussen. In der Gestaltung vonHochgeschwindigkeit Leiterplatte und System, Hochfrequenzsignalleitung, Chippins, Steckverbinder und so weiter Kann die Strahlungsstörungsquelle mit Antenneneigenschaften werden. Entsprechend der Bedeutung des EMV-Designs, Es kann in vier Ebenen unterteilt werden: Geräte- und PCB-Ebene Design, Entwurf des Erdungssystems, Entwurf und Filterung des Abschirmsystems. Unter ihnen, die ersten beiden sind wichtig, das Gerät und Leiterplatte Das Level Design umfasst hauptsächlich die Auswahl aktiver Geräte, Leiterplattenstapel, Layout und Verkabelung, etc. Das Design des Erdungssystems umfasst hauptsächlich Erdungsmodus, Erdimpedanzsteuerung, Erdung der Erdungsschleife und der Abschirmschicht. Im Kadenz-Simulationswerkzeug, Simulationsparameter elektromagnetischer Störungen können im X eingestellt werden, Y, Z Richtung der Entfernung, Frequenzbereich, Designzulage, Einhaltung von Normen, etc. Diese Simulation gehört zur Nachsimulation, hauptsächlich zu überprüfen, ob es die Konstruktionsanforderungen erfüllt, deshalb, in den Vorarbeiten, Wir müssen auch nach der Theorie der elektromagnetischen Störung entwerfen, Die übliche Praxis besteht darin, die Entwurfsregeln für elektromagnetische Störungen zu kontrollieren, die auf jede Verbindung des Entwurfs angewendet werden., um den Regelantrieb und die Steuerung in jeder Verbindung zu erreichen.

2.3 Power integrity design
InHochgeschwindigkeit Schaltungen, Stromversorgung und Erdungsintegrität sind auch ein sehr wichtiger Faktor, weil Netzteilintegrität und Signalintegrität eng miteinander verbunden sind. In den meisten Fällen, Die Hauptursache der Signalverzerrung ist das Stromversorgungssystem. Zum Beispiel: Das Bodenrückprallgeräusch ist zu groß, das Design des Entkopplungskondensators ist unangemessen, Die Segmentierung mit mehreren Stromversorgungen oder Masseebenen ist nicht gut, das Schichtdesign ist nicht vernünftig, Die Stromverteilung ist nicht gleich, führt zu Problemen mit der Netzintegrität, Dies führt zu Signalverzerrungen und beeinträchtigt die Integrität des Signals. Die Hauptideen zur Lösung des Problems sind die Bestimmung des Stromverteilungssystems, um die große Leiterplatte in mehrere kleine Leiterplatten zu unterteilen, Bestimmung der Entkopplungskapazität basierend auf dem Ground Bounce Rauschen, und das Ganze zu betrachten Leiterplatte. Wenn sie großen Strom haben, der in der Schaltung fließt, um zu spielen, wie eine große Menge an Chipausgang gleichzeitig offen, Es gibt einen größeren transienten Stromfluss im Chip von der Stromquelle der Plattenebene, Chippakete und Widerstand und Induktivität der Leistungsebene verursachen das Stromversorgungsgeräusch, Es wird nicht in der realen Erdungsebene Spannungsschwankungen und -änderungen erzeugen, Das Geräusch wirkt sich auf die anderen Komponenten der Aktion aus. Im Design, Verringerung der Lastkapazität, Erhöhung der Belastbarkeit, Verringerung der Erdinduktivität und Verringerung der Anzahl der Schalter zur gleichen Zeit kann die Erdelastizität verringern. Aufgrund der Segmentierung geoelektrischer Ebenen, zum Beispiel, wird die Schicht in digitalen Boden unterteilt, analoge Masse, abgeschirmter Boden, etc., wenn das digitale Signal in den analogen Masseleitungsbereich geht, das Rückstromgeräusch der Bodenebene wird erzeugt. Zur gleichen Zeit, je nach gewähltem Gerät, Die Spannungsversorgungsschicht kann in mehrere verschiedene Spannungsschichten unterteilt werden, So benötigen das Erdschnappen und das Rückflussgeräusch besondere Aufmerksamkeit. Die Wahl des Stromverteilungssystems und des Entkopplungskondensators ist sehr wichtig für das Design der Stromversorgung Integrität. Allgemein, keep the impedance between the power supply system (power supply and ground plane) as low as possible. Wir können die Zielimpedanz bestimmen, die wir durch den angegebenen Bereich von Spannungs- und Stromänderungen erreichen möchten, und justieren Sie dann die relevanten Faktoren in der Schaltung, um die Impedanz jedes Teils des Stromversorgungssystems und die Zielimpedanz zu machen. Für den Entkopplungskondensator, Es ist notwendig, die parasitären Parameter des Kondensators zu berücksichtigen, Quantitative Berechnung der Anzahl des Entkopplungskondensators und der Kapazität jedes Kondensators und der spezifischen Position, soweit möglich nicht mehr als einen Kondensator, nicht weniger als eine. In Cadence Simulationswerkzeugen, Erdung Bounce wird als simultanes Schaltergeräusch bezeichnet. In der Simulation, die parasitäre Induktivität, Kapazität und Widerstand zwischen der Stromversorgung und der parasitären Induktivität, Kapazität und Widerstand des Gerätepakets werden berücksichtigt, und die Ergebnisse stimmen besser mit der tatsächlichen Situation überein. Darüber hinaus, je nach Schaltungstyp und Arbeitsfrequenz des Systems, nach Einstellung der gewünschten Parameter, die entsprechende Kapazitätsgröße und Platzierungsposition berechnet werden können, und eine Erdungsschleife mit niedriger Impedanz kann entworfen werden, um das Problem der Stromversorgung Integrität auf Leiterplatte.