Blog de PCB - Diseño de placa PCB de alta velocidad basada en Cadence

1. La introducción La placa de PCB de alta velocidad correspondiente es cada vez más ampliamente utilizada, el diseño es cada vez más complejo. Con la creciente demanda de comunicación, la velocidad de transmisión y procesamiento de señales es cada vez más rápida. El circuito de alta velocidad tiene dos significados: primero, es alta frecuencia. Se cree generalmente que la frecuencia del circuito digital alcanza o excede de 45MHz a 50MHz, y el circuito que trabaja a esta frecuencia ha representado un tercio de todo el sistema, por lo que se llama circuito de alta velocidad. Además, considerando el tiempo de subida y caída de la señal, cuando el tiempo de subida de la señal es inferior a 6 veces el retardo de transmisión de la señal, la señal se considera como señal de alta velocidad, que no tiene nada que ver con la frecuencia específica de la señal.

2. contenido básico de diseño de placa de PCB de alta velocidad Diseño de circuito de alta velocidad en el diseño de circuito moderno de la proporción es cada vez más grande, el diseño es cada vez más difícil, su solución no solo necesita dispositivos de alta velocidad, sino que también necesita la sabiduría del diseñador y el trabajo cuidadoso, debe estudiar y analizar cuidadosamente la situación específica, para resolver los problemas de circuito de alta velocidad existentes. En general, el diseño incluye principalmente tres aspectos: diseño de integridad de señal, diseño de compatibilidad electromagnética, diseño de integridad de potencia.

La integridad de la señal se refiere a la calidad de la señal en la línea de señal. Una señal con buena integridad de señal significa que tiene los valores de nivel de voltaje necesarios para alcanzar cuando se requiera. La mala integridad de la señal no es causada por ningún factor, sino por una combinación de factores en el diseño a nivel de placa. Especialmente en el circuito de alta velocidad, la velocidad de conmutación del chip utilizado es demasiado rápida, la disposición de los componentes terminales no es razonable, la interconexión del circuito no es razonable y así sucesivamente causará el problema de integridad de la señal. Incluye principalmente crosstalk, reflexión, sobresalto y disparo, oscilación, retraso de señal, etc.2.1.1 Crosstalk (crosstalk) Crosstalk es el acoplamiento innecesario entre dos líneas de señal adyacentes. La inductancia y la tolerancia mutuas entre las líneas de señal causan el ruido en la línea. Por lo tanto, se divide en transversalidad inductiva y transversalidad capacitiva, que causan corriente acoplada y voltaje acoplado respectivamente. La conversación cruzada debe considerarse cuando la velocidad de borde de la señal está por debajo de 1ns. Si hay corriente de señal alterna a través de la línea de señal, generará campo magnético alterno, y la línea de señal adyacente en el campo magnético inducirá voltaje de señal. Los parámetros de la capa general de placa de PCB, la distancia entre las líneas de señal, las características eléctricas del extremo de accionamiento y el extremo de recepción, y el modo de conexión de la línea de señal tienen cierta influencia en la conversación cruzada. En la herramienta de simulación de señal de cadencia, se pueden simular 6 líneas de señal de acoplamiento después de la conversación cruzada al mismo tiempo. Los parámetros de escaneo que se pueden establecer son: constante dieléctrica de la placa de PCB, grosor del medio, grosor de cobre sumergido, longitud y anchura de la línea de señal, separación de la línea de señal. En la simulación, es necesario especificar una línea de señal dañada, es decir, investigar la interferencia de otra línea de señal a esta línea, y establecer la excitación como alta constante o baja constante, de modo que se pueda medir la suma del voltaje inducido de otras líneas de señal a esta línea de señal, de modo que el espaciamiento y la longitud paralela puedan cumplir con los requisitos. En este punto, no toda la potencia de la señal se transmite a la carga, algunas se reflejan hacia atrás. En una PCB de alta velocidad, el cable debe ser equivalente a la línea de transmisión. Según la teoría de la línea de transmisión, si la fuente y la carga tienen la misma impedancia, la reflexión no ocurrirá. Un desajuste en la impedancia entre los dos provoca la reflexión, y la carga refleja parte del voltaje de vuelta a la fuente. El voltaje reflejado puede ser positivo o negativo, dependiendo de la magnitud de la relación entre la impedancia de carga y la impedancia de fuente. Si la señal reflejada es fuerte y superpuesta a la señal original, es probable que cambie el estado lógico, dando como resultado la recepción de errores de datos. Si la señal del reloj puede causar el reloj a lo largo del monotónico, y luego causar el disparador equivocado. La geometría general del cableado, las terminaciones del cable incorrectas, la transmisión a través de los conectores y las discontinuidades en el plano de potencia pueden causar tales reflejos. Además, a menudo hay una salida con múltiples receptores, y luego la reflexión generada por diferentes estrategias de cableado tiene diferentes efectos en cada receptor, por lo que la estrategia de cableado también es un factor que no se puede ignorar.

El exceso es un salto de señal causado por una conmutación de circuito demasiado rápida y la reflexión mencionada anteriormente, es decir, el pico de señal supera el valor de pico o valle de la tensión fijada. Un descenso es el siguiente nivel o pico. El exceso excesivo puede hacer que el diodo de protección funcione, lo que conduce a fallas prematuras y daños graves al dispositivo. Las caídas excesivas pueden causar errores de reloj o datos espurosos, que se pueden reducir o eliminar añadiendo puntos finales apropiados.2.1.4 Oscilaciones y PewnchessEl fenómeno de la oscilación es la ocurrencia repetida de sobredisparos y caídas, la oscilación de la señal y la oscilación circundante es causada por la incompatibilidad de impedancia entre el extremo receptor y la línea de transmisión y el extremo fuente causada por la inductancia y la capacitancia excesivas en la línea, generalmente ocurre cerca del umbral de nivel lógico, cruzar el umbral de nivel lógico durante muchas veces conducirá a una disfunción lógica. Las oscilaciones y las oscilaciones circunferenciales son causadas por tantos factores como las reflexiones, y las oscilaciones pueden reducirse mediante la terminación apropiada o el cambio de parámetros de PCB, pero no pueden eliminarse completamente. En el software de simulación de señal de Cadence, los problemas de integridad de señal anteriores se miden en parámetros de reflexión. En el dispositivo de accionamiento del modelo IBIS y el repositorio de recepción, solo necesitamos configurar diferentes parámetros de impedancia de la línea de transmisión, resistencia, velocidad de transmisión de señal o línea de tiras y línea de microtiras, se pueden calcular directamente utilizando la forma de onda de señal de la herramienta de simulación y los datos correspondientes, para que pueda encontrar el valor de impedancia de la línea de transmisión, resistencia, velocidad de transmisión de señal correspondientes. En el software de placa de PCB correspondiente Allegro, la anchura de la línea de señal correspondiente en cada capa se puede obtener de acuerdo con el valor de impedancia de la línea de transmisión correspondiente y la velocidad de transmisión de señal (el orden y los parámetros de laminación Hay muchas maneras de elegir la coincidencia de resistencia, incluyendo la fuente de extremo a extremo y paralelo de extremo a extremo, etc. En la estrategia de cableado también puede elegir diferentes maneras: crisantemo, estrella, personalizado, cada manera tiene sus ventajas y desventajas, de acuerdo con diferentes resultados de simulación de circuito para determinar la selección específica.

El circuito solo puede recibir datos de acuerdo con la secuencia temporal especificada, el retraso de señal demasiado largo puede llevar a la confusión de la temporización y la función, en un sistema de baja velocidad no será un problema, pero la velocidad de borde de la señal aumenta, la velocidad de reloj aumenta, el tiempo de transmisión entre dispositivos y el tiempo de sincronización se acortará. La sobrecarga de la unidad y el cableado largo causarán retrasos. Todos los retrasos de la puerta deben satisfacerse en presupuestos de tiempo cada vez más cortos, incluyendo el tiempo de configuración, el tiempo de espera, el retraso de la línea y la desviación. Debido a que la capacitancia e inductancia equivalentes en la línea de transmisión retrasarán la conmutación digital de la señal, acoplada con el bobinado de oscilación causado por la reflexión, la señal de datos no puede cumplir con el tiempo requerido por el dispositivo de recepción para recibir correctamente, lo que resulta en errores de recepción. En el software de simulación de señal de cadencia, el retardo de señal también se mide en los subparámetros de reflexión, Settledelay, Switchdelay y Propdelay. Los dos primeros parámetros están relacionados con la carga de prueba en la biblioteca de modelos IBIS. Estos dos parámetros pueden determinarse mediante parámetros manuales del usuario de dispositivos controladores y receptores. Se pueden comparar con Settledelay y Switchdelay simulados. Si los valores de Switchdelay obtenidos en modo lento son todos menores que el valor calculado, y los valores de Switchdelay obtenidos en modo rápido son todos mayores que el valor calculado, entonces se puede obtener el rango de Propdelay entre los dos dispositivos que realmente necesitamos. Durante la colocación de un dispositivo específico, si el dispositivo no está en una posición adecuada, la parte de la tabla de retardo correspondiente mostrará rojo, que se volverá azul cuando la posición se ajuste correctamente, lo que indica que el retardo entre los dispositivos ha cumplido con el rango de Propdelay especificado.2.2 Diseño para compatibilidad electromagnética La compatibilidad electromagnética incluye interferencia electromagnética y tolerancia electromagnética, es decir, radiación electromagnética excesiva y sensibilidad a la radiación electromagnética. Existen dos tipos de interferencia electromagnética: interferencia de conducción e interferencia de radiación. La interferencia conducida se refiere a la conducción de señales de una red eléctrica a otra red eléctrica a través del medio conductor en forma de corriente. En la placa de PCB, se manifiesta principalmente como ruido de tierra y ruido de potencia. La interferencia radiada es cuando una señal irradia en forma de ondas electromagnéticas que afectan a otra red eléctrica. En el diseño de la placa y el sistema de PCB de alta velocidad, la línea de señal de alta frecuencia, los pines de chip, los conectores y así sucesivamente pueden convertirse en la fuente de interferencia de radiación con características de antena. Según la importancia del diseño EMC, se puede dividir en cuatro niveles: diseño de nivel de dispositivo y PCB, diseño de sistema de puesta a tierra, diseño de sistema de blindaje y diseño de filtrado. Entre ellos, los primeros dos son importantes, el diseño de nivel del dispositivo y la placa de PCB incluye principalmente la selección de dispositivos activos, apilamiento de placas de circuito, diseño y cableado, etc. El diseño del sistema de puesta a tierra incluye principalmente el modo de puesta a tierra, el control de la impedancia a tierra, el bucle a tierra y la puesta a tierra de la capa de blindaje. En la herramienta de simulación de cadencia, los parámetros de simulación de interferencia electromagnética se pueden establecer en la dirección X, Y, Z de la distancia, el rango de frecuencia, la concesión de diseño, el cumplimiento de las normas, etc. Esta simulación pertenece a la post-simulación, principalmente para comprobar si cumple con los requisitos de diseño, por lo tanto, en el trabajo preliminar, también necesitamos diseñar de acuerdo con la teoría de la interferencia electromagnética, la práctica habitual es controlar las reglas de diseño de interferencia electromagnética aplicadas a cada enlace del diseño, para lograr la regla de accionamiento y control en cada enlace. En la mayoría de los casos, la causa principal de la distorsión de la señal es el sistema de alimentación. Por ejemplo: el ruido de rebote de tierra es demasiado grande, el diseño del condensador de desacoplamiento es inapropiado, la fuente de alimentación múltiple o la segmentación del plano de tierra no es buena, el diseño del estrato no es razonable, la distribución de corriente no es igual traerá problemas de integridad de la fuente de alimentación, lo que resultará en la distorsión de la señal y afectará la integridad de la señal. Las principales ideas para resolver el problema son determinar el sistema de distribución de energía, dividir la placa de circuito de gran tamaño en varias placas de tamaño pequeño, determinar la capacitancia de desacoplamiento basada en el ruido de rebote de tierra y considerar toda la placa de PCB. Cuando tienen una gran corriente que fluye en el circuito para jugar, como una gran cantidad de salida del chip al mismo tiempo abierto, habrá un mayor flujo de corriente transitoria en el chip desde la fuente de energía del plano de placa, los paquetes de chip y la resistencia y la inductancia del plano de energía causarán el ruido de la fuente de alimentación, no producirá fluctuaciones y cambios de tensión en el plano real de tierra, el ruido afectará a los otros componentes de la acción. En el diseño, la reducción de la capacitancia de carga, el aumento de la resistencia a la carga, la disminución de la inductancia de tierra y la reducción del número de interruptores al mismo tiempo pueden reducir la elástica de tierra. Debido a la segmentación del plano geoeléctrico, por ejemplo, el estrato se divide en tierra digital, tierra analógica, tierra blindada, etc., cuando la señal digital va a la región de línea de tierra analógica, se generará el ruido de retroflujo del plano de tierra. Al mismo tiempo, dependiendo del dispositivo seleccionado, la capa de fuente de alimentación puede dividirse en varias capas de voltaje diferentes, por lo que el ruido de conexión a tierra y retroflujo necesitan atención especial. La elección del sistema de distribución de energía y el condensador de desacoplamiento es muy importante en el diseño de la integridad de la fuente de alimentación. En general, mantenga la impedancia entre el sistema de alimentación (fuente de alimentación y plano de tierra) lo más baja posible. Podemos determinar la impedancia objetivo que queremos lograr a través del rango especificado de cambios de voltaje y corriente, y luego ajustar los factores relevantes en el circuito para hacer la impedancia de cada parte del sistema de alimentación y la impedancia objetivo. Para el condensador de desacoplamiento, es necesario considerar los parámetros parásitos del condensador, calcular cuantitativamente el número del condensador de desacoplamiento y la capacitancia de cada condensador y la ubicación específica, en la medida de lo posible para no hacer más de un condensador, no menos de uno. En las herramientas de simulación de cadencia, el rebote de puesta a tierra se llama ruido de interruptor simultáneo. En la simulación, se tienen en cuenta la inductancia, la capacitancia y la resistencia parásitas entre la fuente de alimentación y la inductancia, la capacitancia y la resistencia parásitas del paquete del dispositivo, y los resultados son más consistentes con la situación real. Además, de acuerdo con el tipo de circuito y la frecuencia de trabajo utilizada por el sistema, después de establecer los parámetros deseados, se puede calcular el tamaño de capacitancia apropiado y la posición de colocación, y se puede diseñar un bucle de puesta a tierra con baja impedancia para resolver el problema de la integridad de la fuente de alimentación en la placa de PCB.