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Leiterplatte Blog - Signal Integrity Design für Gigabit Device PCB Board

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Signal Integrity Design für Gigabit Device PCB Board

2022-04-22
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Author:pcb

Er führt die Anwendung von Leiterplatte Entwurfswerkzeuge zur Lösung dieser Probleme, wie Hauteffekt und dielektrischer Verlust, die Wirkung von Durchkontaktierungen und Anschlüssen, Überlegungen zur Differenzsignalisierung und Verkabelung, Energieverteilung, und EMI-Kontrolle, etc. Die schnelle Entwicklung der Kommunikations- und Computertechnologie hat Hochgeschwindigkeits-PCB-Design in den Gigabit-Bereich gebracht. Der Einsatz neuer Hochgeschwindigkeitsgeräte ermöglicht eine solche Hochgeschwindigkeitsübertragung auf Backplane und Single Board. Signal integrity issues (SI), Probleme mit Netzintegrität und elektromagnetischer Verträglichkeit sind ebenfalls prominenter.

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Signalintegrität bezieht sich auf die Qualität der Signalübertragung auf der Signalleitung. Die Hauptprobleme sind die Reflexion, Schwingung, Timing, Ground Bounce und Übersprechen. Schlechte Signalintegrität wird nicht durch einen einzigen Faktor verursacht, aber durch eine Kombination von Faktoren im Board-Level-Design. Im PCB-Design von Gigabit-Geräten, Ein gutes SignalintegritätsDesign erfordert, dass Ingenieure die Komponenten vollständig berücksichtigen, Übertragungsleitungssicherung, Energieverteilung und EMV-Aspekte. EDA-Werkzeuge für das Hochgeschwindigkeits-PCB-Design haben sich von der reinen Simulationsprüfung zu einer Kombination aus Design und Verifizierung entwickelt, Unterstützung von Designern bei der frühzeitigen Festlegung von Regeln, um Fehler zu vermeiden, anstatt später Probleme im Design zu finden. Mit steigenden Datenraten und komplexeren Designs, High-Speed PCB System Analyse Tools werden immer notwendiger. Zu diesen Tools gehört auch die Zeitanalyse, Analyse der Signalintegrität, Sweep-Analyse der Entwurfsparameter, EMV-Konstruktion, Stabilitätsanalyse des Energiesystems, und mehr. . Hier konzentrieren wir uns auf einige der Probleme, die bei der Signalintegritätsanalyse beim PCB-Design von Gigabit-Geräten berücksichtigt werden sollten.

High Speed Devices and Device Models
Although the gigabit transmit and receive component suppliers will provide design information about the chip, Es gibt auch einen Prozess für den Gerätelieferanten, um die Signalintegrität des neuen Geräts zu verstehen, so dass die Konstruktionsrichtlinien des Gerätelieferanten möglicherweise nicht ausgereift sind, Die eine ist, dass die Designbeschränkungen, die von den Gerätelieferanten gegeben werden, in der Regel sehr streng sind, und es wird für den Konstruktionsingenieur sehr schwierig sein, alle Entwurfsregeln zu erfüllen. Daher, Es ist notwendig, dass Signalintegritätsingenieure Simulationsanalyse-Tools verwenden, um die Beschränkungsregeln und tatsächlichen Designs des Lieferanten zu analysieren, Komponentenauswahl untersuchen und optimieren, Topologie, Matching-Schemata, und Werte der passenden Komponenten, und schließlich Lösungen zur Sicherstellung der Signalintegrität entwickeln. Die PCB Layout und Routing Regeln. Daher, Die Simulationsanalyse von Gigabit-Signalen ist sehr wichtig geworden, und der Rolle des Gerätemodells in der Signalintegritätsanalyse wurde mehr und mehr Aufmerksamkeit geschenkt.

Komponentenmodelle umfassen in der Regel IBIS-Modelle und Spice-Modelle. Denn die Simulation auf Platinenebene kümmert sich nur um die Signalantwort von den Ausgangspins zu den Eingangspins durch das Verbindungssystem, Hersteller und IC-Hersteller wollen keine detaillierten Schaltungsinformationen im Gerät auslaufen, und die Simulationszeit des Spice-Modells auf Transistor-Ebene ist in der Regel unerträglich, So wird das IBIS-Modell in Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten verwendet. Das Designfeld wird allmählich von immer mehr Geräteherstellern und Signalintegritätsingenieuren akzeptiert.

Ingenieure stellen häufig die Robustheit des IBIS-Modells in Frage, wenn es um die Simulation von Leiterplattensystemen für Gigabit-Geräte geht. Wenn das Gerät im Sättigungs- und Grenzbereich des Transistors arbeitet, Dem IBIS-Modell fehlen ausreichende detaillierte Informationen, um den nichtlinearen Bereich der transienten Antwort zu beschreiben, und die durch das IBIS-Modell simulierten Ergebnisse können nicht die Antwortinformationen liefern, die das Transistor-Level-Modell kann. Allerdings, für ECL-Geräte, Es kann ein IBIS-Modell erhalten werden, das sehr konsistent mit den Simulationsergebnissen des Transistorenmodells ist. Der Grund ist sehr einfach. Der ECL-Treiber arbeitet im linearen Bereich des Transistors, und die Ausgangswellenform ist näher an der idealen Wellenform. Nach dem IBIS-Standard, ein relativ IBIS-Modell.

Mit zunehmender Datenübertragungsrate, Die auf Basis der ECL-Technologie entwickelten Differentialgeräte wurden stark entwickelt. Der LVDS Standard und CML, unter anderem, Gigabit Signalübertragung ermöglicht haben. Wie aus der obigen Diskussion ersichtlich ist, Der IBIS-Standard ist aufgrund der Schaltungsstruktur und der entsprechenden differenziertechnischen Anwendung weiterhin für die Auslegung von Gigabit-Systemen anwendbar. Dies wird auch in einigen veröffentlichten Artikeln gezeigt, die IBIS-Modelle auf 2 anwenden..5Gbps LVDS und CML Designs. Da das IBIS-Modell zur Beschreibung aktiver Schaltkreise nicht geeignet ist, Es ist nicht für viele Gbps-Geräte geeignet, die Vorbetonungsschaltungen zur Verlustkompensation haben. Daher, in einem Gigabit-Systemdesign, the IBIS model works effectively only if:
1. Differential devices operate in the amplification region (linear V-I curve)
2. Device does not have active pre-emphasis circuitry
3. The device has a pre-emphasis circuit but is not enabled (with a short interconnect system enabling pre-emphasis may lead to worse results)
4. Das Gerät verfügt über eine passive Pre-Concentration Schaltung, aber die Schaltung kann vom Werkzeug getrennt werden. Wenn die Datenrate 10Gbps oder höher ist, Die Ausgangswellenform ähnelt eher einer Sinuswelle, und das Spice-Modell ist anwendbarer.

Loss effect
When the signal frequency increases, die Dämpfung auf der Übertragungsleitung kann nicht ignoriert werden. Zur Zeit, Es ist notwendig, den Verlust, der durch den äquivalenten Widerstand des Leiters in Reihe und die äquivalente Leitfähigkeit des Mediums verursacht wird, parallel zu betrachten, und das verlustfreie Übertragungsleitungsmodell muss für die Analyse verwendet werden.

Das äquivalente Modell der verlustfreien Übertragungsleitung ist in Abbildung 1 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der äquivalente Reihenwiderstand R und der äquivalente Parallelleitwert G verwendet werden, um den Verlust zu charakterisieren.. Der äquivalente Reihenwiderstand R ist der Widerstand, der durch den DC-Widerstand und den Skin-Effekt verursacht wird. Der Gleichstromwiderstand ist der Widerstand des Leiters selbst, der durch die physikalische Struktur des Leiters und den Widerstand des Leiters bestimmt wird. Wenn die Frequenz steigt, der Hauteffekt beginnt zu wirken. Der Skin-Effekt ist ein Phänomen, bei dem der Signalstrom im Leiter auf der Oberfläche des Leiters konzentriert ist, wenn das Hochfrequenzsignal durch den Leiter geht. Im Inneren des Leiters, Die Signalstromdichte entlang des Leiterquerschnitts fällt exponentiell ab, und die Tiefe, in der die Stromdichte auf 1 abnimmt/e des Originals wird die Hauttiefe genannt. Je höher die Frequenz, je kleiner die Hauttiefe, was zu einer Erhöhung des Widerstands des Leiters führt. Die Hauttiefe ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Frequenz.

Equivalent parallel conductance G is also called dielectric Verlust (Dielectric Loss). Bei niedrigen Frequenzen, Die äquivalente parallele Leitfähigkeit bezieht sich auf die Schüttgutleitfähigkeit und die äquivalente Kapazität des Mediums, während die Frequenz steigt, der dielektrische Verlustwinkel beginnt zu dominieren. Zur Zeit, Die dielektrische Leitfähigkeit wird durch den dielektrischen Verlustwinkel und die Signalfrequenz bestimmt. Im Allgemeinen, wenn die Frequenz kleiner als 1GHz ist, Der Verlust der Hautwirkung spielt eine große Rolle, und wenn die Frequenz über 1GHz ist, der dielektrische Verlust dominiert. Die dielektrische Konstante, dielektrischer Verlustwinkel, Leiterleitfähigkeit und Trennfrequenz können in der Simulationssoftware eingestellt werden. Die Software berücksichtigt den Hauteffekt und den dielektrischen Verlust entsprechend der Struktur der Übertragungsleitung während der Simulation. Bei Simulation der Dämpfung, Achten Sie darauf, die entsprechende Grenzfrequenz entsprechend der Bandbreite des Signals einzustellen. Die Bandbreite wird durch die Signalrandrate bestimmt. Viele 622MHz Signale unterscheiden sich nicht viel von 2.5GHz Signal Edge Raten. Darüber hinaus, Das Äquivalent ist auch im verlustbehafteten Übertragungsleitungsmodell zu sehen. Widerstand und Leitfähigkeit variieren mit der Frequenz.

Effects of Vias and Connectors
The vias transmit the signal to the other side of the board. Der vertikale Metallteil zwischen den Platinen ist eine unkontrollierbare Impedanz, und der Flexionspunkt von der horizontalen Richtung in die vertikale Richtung ist ein Bruchpunkt, die Reflexionen hervorrufen, und sein Aussehen sollte minimiert werden. In Gigabit System Design Simulation, die Wirkung von Vias zu berücksichtigen, ein via Modell erforderlich ist. Die Modellstruktur des Durchgangs ist in Form eines Reihenwiderstands R, eine Induktivität L und ein Parallelkondensator C. Entsprechend den spezifischen Anwendungs- und Genauigkeitsanforderungen, Mehrere RLC-Strukturen können parallel verwendet werden, und die Kopplung mit anderen Leitern kann betrachtet werden. Zur Zeit, das via Modell ist eine Matrix. Es gibt zwei Möglichkeiten, das via Modell zu erhalten, eine wird durch Prüfung wie TDR erhalten, and the other can be extracted by the 3D field extractor (Field Solver) according to the physical structure of the via. Über Modellparameter beziehen sich auf das Leiterplattenmaterial, Stapeln, Dicke, Pad/Antipad Größe, und wie die Drähte, die damit verbunden sind, verbunden sind. In der Simulationssoftware, Verschiedene Parameter können entsprechend den Genauigkeitsanforderungen eingestellt werden, Die Software extrahiert das Modell des Durchgangslochs nach dem entsprechenden Algorithmus und berücksichtigt dessen Einfluss während der Simulation.

Bei der Gestaltung des Gigabit-Systems PCB, Der Einfluss des Steckers sollte insbesondere berücksichtigt werden. Jetzt kann die Entwicklung der Hochgeschwindigkeitssteckverbindertechnologie die Kontinuität der Impedanz und der Masseebene während der Signalübertragung gut sicherstellen. Die Simulationsanalyse des Steckverbinders in der Konstruktion ist hauptsächlich ein Mehrlinienmodell verwendet. Das Steckverbinder-Mehrlinienmodell ist ein Modell, das extrahiert wird, indem die induktive und kapazitive Kopplung zwischen Stiften im dreidimensionalen Raum betrachtet wird.. Das Verbindungsmehrlinienmodell verwendet im Allgemeinen einen dreidimensionalen Feldextraktor, um die RLGC-Matrix zu extrahieren, die in der Regel in Form einer Spice-Modell-Unterschaltung ist. Aufgrund der komplexen Struktur des Modells, Es dauert lange für Extraktion und Simulationsanalyse. In SpecctraQuest Software, Das Spice-Modell des Steckers kann in ein Espice-Modell bearbeitet werden, die dem Gerät zugewiesen oder direkt aufgerufen werden können, oder es kann in ein Paketmodell im DML-Format bearbeitet und dem Gerät zur Verwendung zugewiesen werden.

Differential Signaling and Routing Considerations
Differential signal has the advantages of strong anti-interference and high transmission rate. In Gigabit-Signalübertragung, Es kann den Einfluss von Übersprechen und EMI besser reduzieren. Seine Kupplungsformen umfassen Kantenkupplung und Up-Down Kupplung, lose Kupplung und feste Kupplung. Verglichen mit oberer und unterer Kupplung, Kantenkupplung hat die Vorteile einer besseren Reduzierung des Übersprechens, bequeme Verkabelung, und einfache Verarbeitung. Die obere und untere Kupplung wird häufiger auf Leiterplattes mit hoher Verdrahtungsdichte. Verglichen mit loser Kupplung, Die enge Kupplung hat eine bessere Störfestigkeit und kann Übersprechen reduzieren, und lose Kupplung kann die Kontinuität der Differenzspurimpedanz besser steuern. Die spezifischen Differential Routing Regeln sollten die Auswirkungen der Impedanzkontinuität berücksichtigen, loss, Übersprechen, und Spurlängenunterschiede je nach Situation. Differenzlinien verwenden Augendiagramme, um Simulationsergebnisse zu analysieren. Die Simulationssoftware kann den zufälligen Sequenzcode einstellen, um das Augendiagramm zu generieren, und kann die Jitter- und Offsetparameter eingeben, um seinen Einfluss auf das Augendiagramm zu analysieren.

Power Distribution and EMC
The increase in data transfer rates, begleitet von schnelleren Kantenraten, erfordert Stabilität der Stromversorgung über ein breiteres Frequenzband. Ein Hochgeschwindigkeitssystem kann einen transienten Strom von 10A passieren und eine Spannungswelligkeit von 50mV erfordern, Das bedeutet, dass die Impedanz des Stromverteilungsnetzes innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs innerhalb von 5mΩ liegen muss. Zum Beispiel, Die Anstiegszeit des Signals ist kleiner als 0.5ns, die berücksichtigt werden sollten. Der Bandbreitenbereich beträgt bis zu 1.0GHz. Bei der Gestaltung von Gigabit-Systemen, it is necessary to avoid the interference of synchronization noise (SSN) and ensure that the power distribution system has a low impedance in the bandwidth range. Allgemein, im Niederfrequenzband, Entkopplungskondensatoren werden verwendet, um die Impedanz zu reduzieren, und im Hochfrequenzband, Die Verteilung der Stromversorgung und der Erdungsebene wird hauptsächlich berücksichtigt. Abbildung 4 zeigt das Frequenzgangdiagramm der Impedanzänderung mit und ohne Entkopplungskondensatoren in der Leistungs- und Masseebene.

SpecctraQuest Software kann den Einfluss von synchronen Rauschen analysieren, die durch die Paketstruktur verursacht werden. The Power Integrity (PI) software uses the frequency domain to analyze the power distribution system, die Anzahl und Lage der Entkopplungskondensatoren effektiv analysieren kann, sowie der Einfluss von Kraft- und Bodenflugzeugen. Ingenieure führen Entkopplungskondensator Auswahl und Platzierung durch, Routing, Analyse der planaren Verteilung.

EMV steht für Elektromagnetische Verträglichkeit, und die daraus resultierenden Probleme umfassen übermäßige elektromagnetische Strahlung und Anfälligkeit für elektromagnetische Strahlung. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Schaltungs-Betriebsfrequenz zu hoch ist und das Layout und die Verkabelung unzumutbar sind. Zur Zeit, Es gibt Software-Tools für die EMV-Simulation, EMV-Probleme können jedoch durch viele elektromagnetische Gründe verursacht werden. Es ist schwierig, Simulationsparameter und Randbedingungen einzustellen, die Genauigkeit und Praktikabilität der Simulationsergebnisse direkt beeinflussen. Die übliche Praxis ist es, die Entwurfsregeln, die EMV steuern, auf jede Verbindung des Entwurfs anzuwenden, Regelgetrieben und kontrolliert in jedem Glied des Designs zu erreichen, und nachdem das Design getestet und verifiziert wurde, neue Regeln können gebildet und auf die neuen angewendet werden Leiterplatte design.