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Método de diseño de PCB digitales de alta velocidad para la integridad de la señal
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Método de diseño de PCB digitales de alta velocidad para la integridad de la señal

2022-06-23
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Author:pcb

ESte artículo introduce un método de diSeño de SeñaleS digitaleS de alta velocidad PCB Board Análisis informático basado en la integridad de la señal. En este método de diseño, En primer lugar, Modelo de transmisión de señales PCB Board El nivel se establecerá para todas las señales digitales de alta velocidad, A continuación, mediante el cálculo y análisis de la integridad de la señal, se encuentra el espacio de solución de diseño, Y PCB Board Se completará sobre la base del espacio de solución. Diseño y verificación.

Con el aumento de la velocidad de conmutación de salida y la densidad de PCB, la integridad de la señal se ha convertido en uno de los problemas importantes en el diseño de PCB digitales de alta velocidad. Los parámetros de los componentes y PCB, la disposición de los componentes en los PCB y el cableado de las señales de alta velocidad pueden dar lugar a problemas de integridad de las señales, lo que conduce a la inestabilidad del funcionamiento del sistema o incluso a la imposibilidad de funcionar en absoluto. La forma de tener plenamente en cuenta la integridad de la señal y adoptar medidas de control eficaces en el proceso de diseño de PCB se ha convertido en un tema candente en la industria del diseño de PCB. El método de diseño digital de PCB de alta velocidad basado en el análisis informático de la integridad de la señal puede realizar eficazmente la integridad de la señal del diseño de PCB.

PCB Board

1. Visión general de la integridad de la señal

La integridad de la señal (si) es la capacidad de una señal para responder en el tiempo y la tensión correctos en un circuito. Si la señal en el circuito puede llegar al circuito integrado con el tiempo, la duración y la amplitud de tensión necesarios, el circuito tiene una buena integridad de la señal. Por el contrario, cuando la señal no responde correctamente, se produce un problema de integridad de la señal. En términos generales, los problemas de integridad de la señal se manifiestan principalmente en cinco aspectos: retraso, reflexión, conversación cruzada, ruido de conmutación sincrónico (SSN) y compatibilidad electromagnética (EMI). El retraso significa que la señal se transmite a una velocidad limitada en los cables del PCB. La señal se envía desde el remitente al receptor con un retraso de transmisión. El retraso de la señal afectará el tiempo del sistema. En el sistema digital de alta velocidad, el retardo de propagación se determina principalmente por la longitud del cable y la constante dieléctrica del medio circundante. Además, cuando la impedancia característica del cable en el PCB (llamada línea de transmisión en el sistema digital de alta velocidad) no coincide con la Impedancia de carga, una parte de la energía se reflejará a lo largo de la línea de transmisión después de que la señal llegue al extremo receptor, lo que distorsionará la forma de onda de la señal, e incluso causará sobrecorriente y sobrecorriente de la señal. Si la señal rebota de ida y vuelta en la línea de transmisión, puede causar que suene el timbre. Debido a la Capacitancia mutua y la Inductancia mutua entre dos equipos o cables en el PCB, cuando la señal en un equipo o un cable cambia, el cambio afectará a otros equipos u otros equipos a través de la Capacitancia mutua y la Inductancia mutua. Cable, eso es Crosstalk. La fuerza de la conversación cruzada depende de la geometría y la distancia entre el dispositivo y el cable.


Cuando muchas señales digitales en el PCB se cambian sincrónicamente (como el bus de datos de la CPU, el bus de dirección, Etc..), debido a la impedancia en el cable de alimentación y el cable de tierra, se producirá el ruido de conmutación sincrónica, y la capa de tierra rebotará en el cable de tierra. Ruido (Abreviado como rebote en tierra). La fuerza del SSN y del rebote en tierra también depende de las características Io del circuito integrado, la Impedancia de la capa de alimentación y la capa de tierra del PCB, y la disposición y el cableado de los equipos de alta velocidad en el PCB. Además, al igual que otros equipos electrónicos, los PCB también tienen problemas de compatibilidad electromagnética, que se relacionan principalmente con la disposición y el cableado de los PCB.


2. Tradicional PCB Board Diseño method


3. Método de diseño de PCB basado en el análisis de la integridad de la señal

El proceso de diseño de PCB basado en el análisis informático de la integridad de la señal se muestra en la figura 2. En comparación con el método tradicional de diseño de PCB, el método de diseño basado en el análisis de la integridad de la señal tiene las siguientes características: antes del diseño de PCB, se establece el modelo de integridad de la señal de transmisión digital de alta velocidad. De acuerdo con el modelo si, se lleva a cabo una serie de análisis previos a la integridad de la señal, y de acuerdo con los resultados de la simulación se seleccionan los tipos de componentes apropiados, los parámetros y la topología del Circuito como base para el diseño del circuito. En el proceso de diseño del Circuito, el esquema de diseño se envía al modelo si para el análisis de la integridad de la señal, y el rango de tolerancia de los parámetros de los componentes y PCB, la posible estructura topológica y el cambio de parámetros en el diseño de la disposición de PCB se combinan para calcular y analizar El diseño. El espacio de solución del esquema. Después del diseño del Circuito, cada señal digital de alta velocidad debe tener un espacio de solución continuo y realizable. Es decir, cuando los parámetros de la placa de PCB y los componentes cambian en un cierto rango, la disposición de los componentes en la placa de PCB y el método de cableado de la línea de señal en la placa de PCB tienen cierta flexibilidad, y todavía pueden garantizar la integridad de la señal. Requisitos Antes de que comience el diseño de PCB, el valor límite de cada espacio de solución de señal se utiliza como restricción para el diseño de PCB y como base para el diseño de PCB. En el proceso de diseño de la disposición de PCB, el diseño parcial o completo se envía al modelo si para el análisis de la integridad de la señal después del diseño, a fin de confirmar si el diseño de la disposición real cumple los requisitos de integridad de la señal esperados. Si los resultados de la simulación no pueden cumplir los requisitos, es necesario modificar el diseño de la disposición o incluso el diseño del Circuito, lo que puede reducir el riesgo de fallo del producto debido al diseño inadecuado. Una vez terminado el diseño de PCB, se puede producir PCB. El rango de tolerancia de los parámetros de fabricación de PCB debe estar en el espacio de solución del análisis de integridad de la señal. Después de la fabricación de PCB, el instrumento se utiliza para la medición y depuración para verificar la corrección del modelo si y el análisis si, y se toma como base para la corrección del modelo. Sobre la base del modelo correcto de si y el método de análisis, la placa de PCB se puede determinar sin o sólo varias modificaciones repetidas en el diseño y la producción, lo que puede acortar el ciclo de desarrollo del producto y reducir el costo de desarrollo.


4. Modelo de análisis de la integridad de la señal

La parte más importante del método de diseño de PCB basado en el análisis informático de la integridad de la señal es establecer un modelo de integridad de la señal a nivel de PCB diferente del método de diseño tradicional. La corrección del modelo si determinará la corrección del diseño, y la construcción del modelo si determinará la viabilidad de este método de diseño.


4.1 modelo si para el diseño de PCB

En el diseño electrónico, hay muchos modelos disponibles para el análisis de la integridad de la señal a nivel de PCB. Entre ellos, hay tres tipos comunes, a saber, especia, IBIS y verilog - A.


Modelo especia

Spice es un potente simulador de circuitos analógicos de uso general. En la actualidad, el modelo Spice se ha utilizado ampliamente en el diseño electrónico y se han derivado dos versiones principales: hspice y pspice, hspice se utiliza principalmente en el diseño de circuitos integrados y pspice se utiliza principalmente en el diseño de PCB y el diseño a nivel de sistema. El modelo especia se compone de dos partes: la ecuación del modelo y los parámetros del modelo. Dado que se proporcionan las ecuaciones del modelo, el modelo Spice y el algoritmo del simulador pueden estar estrechamente relacionados entre sí, y se puede obtener una mejor eficiencia y resultados analíticos. Cuando se utiliza el modelo Especia para realizar análisis si a nivel de PCB, los diseñadores y fabricantes de CI deben proporcionar un modelo especia detallado y preciso que describa los parámetros de fabricación de los subcircuitos y las características de semiconductores de las unidades de entrada / salida de CI. Dado que estos materiales suelen pertenecer a la propiedad intelectual y a la confidencialidad de los diseñadores y fabricantes, sólo unos pocos fabricantes de semiconductores proporcionan los modelos Spice correspondientes junto con los productos de chips. La precisión del análisis del modelo Spice depende principalmente de los parámetros del modelo (es decir, las propiedades de los datos) y del ámbito de aplicación de la ecuación del modelo. Cuando se combina con varios simuladores digitales, las ecuaciones del modelo también pueden afectar la precisión del análisis. Además, el cálculo de simulación del modelo Spice a nivel de PCB es relativamente grande y el análisis consume mucho tiempo.


Modelo Ibis

El modelo Ibis fue desarrollado originalmente por Intel Corporation para el análisis de integridad de señales digitales a nivel de tablero de PCB y sistema. Ahora es administrado por el foro abierto Ibis y es una norma oficial de la industria (EIA / ANSI 656 - a). El modelo Ibis utiliza tablas I / V y V / T para describir las características de las unidades y pines de entrada / salida de circuitos integrados digitales. Dado que el modelo Ibis no necesita describir el diseño interno de las unidades de entrada / salida y los parámetros de fabricación de transistores, es bien recibido y apoyado por los fabricantes de semiconductores. Todos los principales fabricantes de circuitos integrados digitales pueden ahora proporcionar el modelo Ibis correspondiente junto con el chip. La precisión del análisis del modelo Ibis depende principalmente del número de puntos de datos y del grado de datos en las tablas I / V y V / T. Debido a que la tabla de búsqueda se utiliza para la simulación a nivel de tablero de PCB basada en el modelo Ibis, la cantidad de cálculo es pequeña, por lo general sólo 1 / 10 a 1 / 100 del modelo Spice correspondiente.


Verilog AMS Model and VHDL AMS Model

Verilog AMS y VHDL - AMS han existido durante menos de cuatro años y son nuevos estándares. Como lenguaje de modelado de nivel de comportamiento de hardware, verilog AMS y VHDL - AMS son hiperconjuntos de verilog y VHDL, respectivamente, y verilog - a es un subconjunto de verilog AMS. A diferencia de los modelos Spice e Ibis, las ecuaciones que describen el comportamiento de los componentes son escritas por el usuario en AMS. Al igual que el modelo Ibis, AMS Modeling Language es un formato de modelo independiente que se puede utilizar en muchos tipos diferentes de herramientas de simulación. Las ecuaciones AMS también se pueden escribir en muchos niveles diferentes: nivel de Transistor, nivel de unidad de entrada / salida, Grupo de unidades de entrada / salida, Etc.. debido a que verilog AMS y VHDL - AMS son un nuevo estándar, hasta ahora sólo unos pocos fabricantes de semiconductores han proporcionado modelos AMS y menos simuladores que Spice e Ibis soportan AMS. Sin embargo, la viabilidad y precisión del modelo AMS en el análisis de la integridad de la señal a nivel de PCB no son inferiores a los modelos Spice e Ibis.


4.2 selección de modelos

Debido a que no hay un modelo unificado para completar el análisis de la integridad de todas las señales de nivel PCB, es necesario mezclar el modelo anterior para establecer el modelo de transmisión de señales clave y señales de sensores en el diseño de PCB digitales de alta velocidad. Para los dispositivos pasivos discretos, se puede buscar el modelo Spice proporcionado por el fabricante, o se puede construir un modelo Spice simplificado, que se puede utilizar directamente mediante mediciones experimentales. Para circuitos integrados digitales críticos, debe buscarse el modelo Ibis proporcionado por el fabricante. En la actualidad, la mayoría de los diseñadores y fabricantes de CI pueden proporcionar los modelos y chips Ibis necesarios a través de sitios web u otros medios. Para circuitos integrados no críticos, si no se puede obtener el modelo Ibis del fabricante, se puede seleccionar un modelo Ibis similar o predeterminado basado en la funcionalidad del pin del chip. Por supuesto, el modelo Ibis simplificado también puede construirse mediante mediciones experimentales. Para la línea de transmisión en PCB, el Modelo simplificado de especia de la línea de transmisión puede ser utilizado para el análisis previo y el análisis espacial de la integridad de la señal. En el análisis post - cableado, el modelo completo de especia de la línea de transmisión debe ser diseñado de acuerdo a la disposición real.


5. Combinar el método de diseño con el software EDA existente

En la actualidad, la industria del diseño de PCB no ha integrado el software EDA para completar los métodos de diseño anteriores, por lo que debe lograrse mediante la combinación de algunas herramientas de software comunes. El software general Spice (como pspice, hspice, Etc..) se utiliza para construir el modelo Spice para dispositivos pasivos discretos y líneas de transmisión en PCB, y se depura y valida. El modelo Spice / Ibis de cada componente y línea de transmisión se añade al software general de análisis de integridad de la señal, como spectraquest, hyperlynx, Cerámica, is Analyzer, Etc.. el modelo de análisis si de la señal en el tablero de PCB se establece y el análisis de integridad de la señal se calcula. Utilice la función de base de datos del software de análisis si u otro software de base de datos común para organizar y analizar los resultados de la simulación para buscar el espacio de solución ideal. Tomando el valor límite del espacio de solución como la base del diseño del Circuito de PCB y la condición de restricción del diseño del diseño del diseño del diseño del diseño del diseño del diseño del Circuito de PCB, el diseño del Circuito de PCB y el diseño del diseño del diseño del diseño del diseño del diseño del diseño del circuito de PCB se completan utilizando el software EDA para el diseño general del PCB, como orcad, protel, Pads, powerpcb, Allegro y mentor. Una vez terminado el diseño de diseño de PCB, los parámetros del Circuito de diseño real (como topología, longitud, espaciamiento, etc.) se pueden extraer automáticamente o manualmente a través del software de diseño de diseño de diseño de diseño anterior, y luego se puede enviar de vuelta al software de análisis de integridad de la señal anterior para el cableado. Análisis si para verificar que el diseño real cumple los requisitos del espacio de solución. En el proceso de fabricación de PCB, la exactitud de cada modelo y simulación puede verificarse mediante la medición de instrumentos experimentales.


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