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Diseño de la integridad de la señal de PCB para equipos gigabit
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Diseño de la integridad de la señal de PCB para equipos gigabit

Diseño de la integridad de la señal de PCB para equipos gigabit

2022-04-22
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Author:pcb

Introducción PCB Board Diseñar herramientas para resolver estos problemas, Por ejemplo, efectos cutáneos y pérdidas dieléctricas, Efectos de los orificios y conectores, Señales diferenciales y consideraciones de cableado, Distribución de energía, Control del IME, Etc.. El rápido desarrollo de la comunicación y la tecnología informática ha llevado el diseño de PCB de alta velocidad al campo gigabit. La aplicación de nuevos equipos de alta velocidad hace posible la transmisión de alta velocidad y larga distancia en backplane y single Board.. Signal integrity issues (SI), Los problemas de integridad de la fuente de alimentación y compatibilidad electromagnética también son más prominentes.

PCB Board

La integridad de la señal se refiere a la calidad de la transmisión de la señal en la línea de señal. Los principales problemas incluyen la reflexión, Oscilación, Cronometraje, Rebote en tierra y comentarios cruzados. La mala integridad de la señal no es causada por un solo factor, Sin embargo, en el diseño a nivel de la Junta se han tenido en cuenta diversos factores.. En el diseño de PCB de equipos gigabit, Un buen diseño de integridad de la señal requiere que el ingeniero tenga plenamente en cuenta los componentes, Esquema de interconexión de líneas de transmisión, Aspectos de distribución y EMC. La herramienta EDA para el diseño de PCB de alta velocidad ha pasado de la simulación pura a la combinación de diseño y verificación, Ayudar a los diseñadores a establecer reglas al principio del diseño para evitar errores en lugar de encontrar problemas al final del diseño. Con el aumento de la tasa de datos y la complejidad del diseño, Herramientas de análisis de sistemas de PCB de alta velocidad cada vez más necesarias. Estas herramientas incluyen análisis de tiempo, Análisis de la integridad de la señal, Análisis de barrido de parámetros espaciales de diseño, Diseño de compatibilidad electromagnética, Análisis de estabilidad del sistema de potencia, Hay más. . Aquí, nos centraremos en algunos problemas que deben tenerse en cuenta al analizar la integridad de la señal en el diseño de PCB de dispositivos Gigabit..

High Speed Devices and Device Models
Although the gigabit transmit and receive component suppliers will provide Diseño information about the chip, Los proveedores de equipos también necesitan entender la integridad de la señal del nuevo equipo, Por consiguiente, las directrices de diseño proporcionadas por los proveedores de equipo pueden no estar maduras., En primer lugar, las limitaciones de diseño dadas por los proveedores de equipos suelen ser muy estrictas., Los ingenieros de diseño tienen dificultades para cumplir todas las reglas de diseño. Por consiguiente,, Es necesario que el ingeniero de integridad de la señal utilice herramientas analógicas para analizar las reglas de restricción del proveedor y el diseño real, Investigar y optimizar la selección de componentes, Estructura topológica, Esquema de emparejamiento, Y los valores de los componentes coincidentes, Y finalmente desarrollar soluciones para garantizar la integridad de la señal. Reglas de diseño y enrutamiento de PCB. Por consiguiente,, El análisis de simulación de la señal Gigabit se vuelve muy importante, Cada vez se presta más atención al papel del modelo de dispositivo en el análisis de la integridad de la señal.

Los modelos de componentes suelen incluir modelos Ibis y Spice. Debido a que la simulación a nivel de tablero sólo se refiere a la respuesta de la señal del pin de salida al pin de entrada a través del sistema de interconexión, Los fabricantes de CI no quieren revelar información detallada del circuito dentro del dispositivo, El tiempo de simulación del modelo Spice a nivel de Transistor es generalmente insoportable, Por lo tanto, el modelo Ibis se utiliza para PCB de alta velocidad. Cada vez más fabricantes de equipos e ingenieros de integridad de señales están aceptando el campo del diseño.

Los ingenieros a menudo cuestionan la robustez del modelo Ibis en la simulación de sistemas de PCB para dispositivos gigabit. Cuando el dispositivo funciona en la región de saturación y corte del Transistor, El modelo Ibis carece de suficiente detalle para describir la región no lineal de la respuesta transitoria, Los resultados de la simulación del modelo Ibis no pueden producir la información de respuesta que el modelo a nivel de Transistor puede producir. Sin embargo,, Para dispositivos de tipo ecl, Se puede obtener un modelo Ibis muy consistente con los resultados de la simulación del modelo de nivel transistor.. La razón es simple.. El controlador ecl funciona en la región lineal del Transistor, La forma de onda de salida está más cerca de la forma de onda ideal. Según la norma Ibis, Modelo Ibis relativo.

Con el aumento de la velocidad de transmisión de datos, El desarrollo de dispositivos diferenciales basados en ecl se ha desarrollado en gran medida. Normas LVDS y LMC, En otros, Hacer posible la transmisión de señales gigabit. Del debate anterior se desprende que:, Debido a la estructura del circuito y a la aplicación de la tecnología diferencial correspondiente, el estándar Ibis sigue siendo adecuado para el diseño del sistema Gigabit.. Algunos documentos publicados que aplican el modelo Ibis a 2 también lo demuestran..Diseño de LVDS y LMC de 5 Gbps. El modelo Ibis no es adecuado para describir circuitos activos, No es adecuado para muchos dispositivos Gbps con circuitos de pre - ponderación para la compensación de pérdidas. Por consiguiente,, En el diseño del sistema gigabit, 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. El dispositivo tiene un circuito de pre - ponderación pasiva, Pero el circuito puede separarse del chip del dispositivo. Cuando la tasa de datos es de 10 Gbps o más, La forma de onda de salida es más como una onda sinusoidal, El modelo Spice es más adecuado.

Loss effect
When the signal frequency increases, La atenuación de la línea de transmisión no puede ser ignorada. En este momento, Es necesario considerar la pérdida causada por la resistencia equivalente del conductor de serie y la conductividad equivalente del medio paralelo., Necesidad de utilizar el modelo de línea de transmisión con pérdidas para el análisis.

El modelo equivalente de línea de transmisión con pérdidas se muestra en la figura 1.. Se puede ver en la figura que la resistencia de serie equivalente R y la conductividad de derivación equivalente G se utilizan para caracterizar la pérdida.. La resistencia equivalente en serie R es la resistencia causada por la resistencia DC y el efecto cutáneo.. La resistencia DC es la resistencia del conductor, Esto depende de la estructura física del conductor y de la resistividad del conductor.. Cuando la frecuencia aumenta, El efecto cutáneo comienza a funcionar. El efecto cutáneo se refiere al fenómeno de que la corriente de señal en el conductor se concentra en la superficie del conductor cuando la señal de alta frecuencia pasa a través del conductor.. Interior del conductor, La densidad de corriente de la señal disminuye exponencialmente a lo largo de la sección transversal del conductor, Densidad de corriente reducida a 1 profundidad/La e primitiva se llama profundidad epidérmica.. Mayor frecuencia, Menor profundidad de la piel, Aumento de la resistencia del conductor. La profundidad de la piel es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia.

Equivalent parallel conductance G is also called dielectric Pérdida (Dielectric Loss). Tiempo de baja frecuencia, La conductividad paralela equivalente está relacionada con la conductividad volumétrica y la Capacitancia equivalente del Medio, Y con el aumento de la frecuencia, El ángulo de pérdida dieléctrica comienza a dominar. En este momento, La conductividad dieléctrica está determinada por el ángulo de pérdida dieléctrica y la frecuencia de la señal. En general, Cuando la frecuencia es inferior a 1 GHz, La pérdida del efecto cutáneo juega un papel importante, Cuando la frecuencia es superior a 1 GHz, Pérdida dieléctrica dominante. Constante dieléctrica, Ángulo de pérdida dieléctrica, La conductividad del conductor y la frecuencia de Corte se pueden configurar en el software de simulación. En el proceso de simulación, el software tendrá en cuenta el efecto cutáneo y la pérdida dieléctrica de acuerdo con la estructura de la línea de transmisión.. Si la atenuación simulada, Asegúrese de que la frecuencia de Corte correspondiente se establece de acuerdo con el ancho de banda de la señal. Ancho de banda determinado por la velocidad de borde de la señal. Muchas señales de 622 MHz no difieren mucho de 2.Velocidad de borde de la señal de 5ghz. Además, La equivalencia también se puede ver en el modelo de línea de transmisión con pérdidas. Variación de la resistencia y la conductividad con frecuencia.

Effects of Vias and Connectors
The vias transmit the signal to the other side of the board. La parte metálica vertical entre las placas de circuitos es una impedancia incontrolable, El punto de inflexión de la dirección horizontal a la vertical es un punto de ruptura, Producirá reflejos, Su apariencia debe reducirse al mínimo. Simulación del diseño del sistema gigabit, Considerar el efecto de la perforación, Requiere un modelo via. La estructura del modelo a través del agujero es la forma de resistencia en serie R, Inductancia L y condensador de derivación C. De acuerdo con las aplicaciones específicas y los requisitos de precisión, Múltiples estructuras RLC se pueden utilizar en paralelo, Se puede considerar el acoplamiento con otros conductores. En este momento, El modelo via es una matriz. Hay dos maneras de obtener el modelo via, Uno se obtiene mediante pruebas, como TDR, and the other can be extracted by the 3D field extractor (Field Solver) according to the physical structure of the via. Los parámetros del modelo de orificio están relacionados con el material de PCB, Apilar, Espeso, Junta/Tamaño de la carga inversa, Y cómo se conectan los cables a él. En el software de simulación, Diferentes parámetros se pueden establecer de acuerdo a los requisitos de precisión, El software extraerá el modelo a través del agujero de acuerdo con el algoritmo correspondiente y tendrá en cuenta su influencia en el proceso de simulación..

En el diseño de PCB del sistema gigabit, Debe prestarse especial atención a los efectos de los conectores. En la actualidad, el desarrollo de la tecnología de conectores de alta velocidad puede garantizar la continuidad de la impedancia y el suelo durante la transmisión de la señal.. El análisis de simulación del conector en el diseño se basa principalmente en el modelo multi - cable. El modelo multi - cable del conector se extrae considerando el acoplamiento de Inductancia y Capacitancia entre los pines en el espacio tridimensional.. El modelo de conector multilínea suele utilizar un extractor de campo 3D para extraer la matriz rlgc, En general, se adopta la forma de un sub - Circuito del modelo Spice.. Debido a la complejidad de la estructura del modelo, La extracción y el análisis de simulación requieren mucho tiempo. En el software spectraquest, El modelo Spice del conector se puede editar como el modelo espice, Puede ser asignado a un dispositivo o invocado directamente, También puede editarlo a un modelo de paquete en formato dml y asignarlo al dispositivo para su uso.

Differential Signaling and Routing Considerations
Differential signal has the advantages of strong anti-interference and high transmission rate. Transmisión de señales gigabit, Puede reducir la influencia de la conversación cruzada y la interferencia electromagnética.. Las formas de acoplamiento incluyen acoplamiento de borde y acoplamiento superior e inferior., Acoplamiento suelto y estrecho. En comparación con los acoplamientos superior e inferior, El acoplamiento de borde tiene la ventaja de reducir mejor la conversación cruzada, Cableado conveniente, Manejo simple. El acoplamiento superior e inferior se utiliza más a menudo PCB BoardCon alta densidad lineal. En comparación con el acoplamiento suelto, El acoplamiento estrecho tiene una mejor capacidad anti - interferencia y puede reducir la conversación cruzada, El acoplamiento suelto puede controlar mejor la continuidad de la Impedancia de la trayectoria diferencial. Las reglas de enrutamiento diferencial deben tener en cuenta la influencia de la continuidad de la Impedancia, loss, Crosstalk, Y la diferencia de longitud de seguimiento de acuerdo a diferentes situaciones. Análisis de los resultados de la simulación de la línea diferencial utilizando el oftalmograma. El software de simulación puede establecer códigos de secuencia aleatorios para generar mapas oculares, Los parámetros de nerviosismo y desplazamiento se pueden introducir para analizar el efecto de nerviosismo y desplazamiento en el patrón ocular..

Power Distribution and EMC
The increase in data transfer rates, Con tasas de borde más rápidas, Necesidad de mantener la estabilidad de la fuente de alimentación en una banda de frecuencia más amplia. El sistema de alta velocidad puede pasar a través de una corriente transitoria de 10 a y requiere una onda de alimentación de 50 MV, Esto significa que la Impedancia de la red de distribución debe estar dentro de un rango de frecuencia específico de 5 m. Por ejemplo:, El tiempo de subida de la señal es inferior a 0.5ns, Qué factores deben tenerse en cuenta. Ancho de banda hasta 1.0ghz. En el diseño del sistema gigabit, 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. Normalmente, En el rango de baja frecuencia, Condensadores de desacoplamiento para reducir la Impedancia, En el segmento de alta frecuencia, Se considera principalmente la distribución de la fuente de alimentación y el estrato de puesta a tierra.. La figura 4 muestra un Diagram a de respuesta de frecuencia de los cambios de impedancia con y sin condensadores de desacoplamiento en la capa de potencia y la capa de tierra.

El software spectraquest puede analizar el efecto del ruido de sincronización causado por la estructura de encapsulación. The Power Integrity (PI) software uses the frequency domain to analyze the power distribution system, El número y la posición del condensador de desacoplamiento se pueden analizar eficazmente., Y la influencia de la fuente de alimentación y la formación de la tierra. Selección y colocación de condensadores de desacoplamiento por el ingeniero, Enrutamiento, Análisis de la distribución del plano.

EMC para compatibilidad electromagnética, Los problemas resultantes incluyen la radiación electromagnética excesiva y la sensibilidad a la radiación electromagnética.. La razón principal es que la frecuencia de funcionamiento del circuito es demasiado alta, la disposición y el cableado son irrazonables.. En la actualidad, Herramientas de software para simulación EMC, Pero los problemas de compatibilidad electromagnética pueden ser causados por muchas razones electromagnéticas.. Es difícil establecer parámetros de simulación y condiciones límite, Esto afectará directamente a la precisión y viabilidad de los resultados de la simulación.. La práctica habitual es aplicar las reglas de diseño que controlan EMC a cada paso del diseño, Realización de la conducción y el control de las normas en todos los aspectos del diseño, Después de probar y verificar el diseño, Puede formar nuevas reglas y aplicarlas a nuevas reglas PCB Board design.