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Conception de l'intégrité du signal de la carte PCB de l'équipement Gigabit
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Conception de l'intégrité du signal de la carte PCB de l'équipement Gigabit

2022-04-22
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Author:pcb

Introduction PCB board Concevoir des outils pour résoudre ces problèmes, Par exemple, effets cutanés et pertes diélectriques, Influence des trous de travers et des connecteurs, Signaux différentiels et précautions de câblage, Distribution d'électricité, Et contrôle EMI, Attendez.. Le développement rapide de la technologie des communications et de l'informatique a introduit la conception de PCB à grande vitesse dans le domaine Gigabit. L'application d'un nouvel équipement à grande vitesse permet une transmission à grande vitesse et à longue distance sur le plan arrière et sur les panneaux.. Signal integrity issues (SI), Les problèmes d'intégrité de l'alimentation électrique et de compatibilité électromagnétique sont également plus importants..

PCB board

L'intégrité du signal est la qualité de la transmission du signal sur la ligne de signal.. Les principales questions sont la réflexion, Oscillation, Chronométrage, Rebond au sol et Crosstalk. La mauvaise intégrité du signal n'est pas causée par un seul facteur, Mais la conception au niveau du Conseil tient compte de divers facteurs. Dans la conception de PCB pour les appareils Gigabit, Une bonne conception de l'intégrité du signal exige que l'Ingénieur tienne pleinement compte des composants., Schéma d'interconnexion des lignes de transport, Distribution et Cem. L'outil EDA pour la conception de PCB à grande vitesse est passé de la vérification par simulation pure à la combinaison de la conception et de la vérification., Aider les concepteurs à établir des règles au début de la conception afin d'éviter les erreurs au lieu de trouver des problèmes plus tard dans la conception. À mesure que les taux de données augmentent et que la conception devient plus complexe, Les outils d'analyse des systèmes à PCB à grande vitesse deviennent plus nécessaires. Ces outils comprennent l'analyse du temps, Analyse de l'intégrité du signal, Analyse par balayage des paramètres de l'espace de conception, Conception de la compatibilité électromagnétique, Analyse de la stabilité du système électrique, Et bien plus encore.. . Nous nous concentrerons ici sur certaines questions à prendre en considération lors de l'analyse de l'intégrité du signal dans la conception des PCB pour les appareils Gigabit..

High Speed Devices and Device Models
Although the gigabit transmit and receive component suppliers will provide Conception information about the chip, Le fournisseur d'équipement doit également comprendre l'intégrité du signal du nouvel équipement., Par conséquent, les directives de conception fournies par les fournisseurs d'équipement peuvent ne pas être mûres., Premièrement, les contraintes de conception imposées par les fournisseurs d'équipement sont généralement très strictes., Les ingénieurs concepteurs ont du mal à respecter toutes les règles de conception. Donc,, Les ingénieurs de l'intégrité des signaux doivent utiliser des outils d'analyse analogique pour analyser les règles de contrainte du fournisseur et la conception réelle., Examiner et optimiser la sélection des composants, Topologie, Programme de jumelage, Et les valeurs des composants correspondants, Et finalement élaborer une solution pour assurer l'intégrité du signal. Règles de mise en page et de câblage des PCB. Donc,, L'analyse de simulation du signal Gigabit devient très importante, On accorde de plus en plus d'attention au rôle du modèle de dispositif dans l'analyse de l'intégrité du signal..

Les modèles de composants comprennent généralement les modèles Ibis et spice. Parce que la simulation au niveau du Conseil ne concerne que la réponse du signal de la broche de sortie à la broche d'entrée via le système d'interconnexion, Les fabricants de circuits intégrés ne veulent pas divulguer des renseignements détaillés sur les circuits à l'intérieur de l'équipement., Le temps de simulation du modèle Spice au niveau du transistor est généralement insupportable, Par conséquent, le modèle Ibis est utilisé pour les PCB à grande vitesse. Le domaine de la conception est de plus en plus accepté par les fabricants d'équipements et les ingénieurs de l'intégrité des signaux..

Les ingénieurs remettent souvent en question la robustesse du modèle Ibis lorsqu'il s'agit de simuler des systèmes à PCB pour des appareils Gigabit.. Lorsque le dispositif fonctionne dans la zone de saturation et de coupure du transistor, Le modèle Ibis manque d'informations suffisamment détaillées pour décrire la région non linéaire de la réponse transitoire., Les résultats de la simulation du modèle Ibis ne produisent pas d'information sur la réponse que le modèle au niveau du transistor peut produire.. Cependant,, Pour les appareils de type ECL, Le modèle Ibis peut être obtenu en accord avec les résultats de la simulation du modèle au niveau du transistor.. La raison en est simple.. Le conducteur ECL fonctionne dans la zone linéaire du transistor, La forme d'onde de sortie est plus proche de la forme d'onde idéale. Selon la norme Ibis, Modèle Ibis relatif.

Avec l'augmentation du taux de transmission des données, Les dispositifs différentiels basés sur la technologie ECL ont été grandement développés. Norme LVDS et cML, Dans les autres, Rendre possible la transmission de signaux Gigabit. Il ressort de ce qui précède que:, La norme Ibis s'applique encore à la conception des systèmes Gigabit en raison de la structure des circuits et de l'application de la technologie différentielle correspondante.. L'application du modèle Ibis à un certain nombre d'articles publiés sur 2 en témoigne également..Conception LVDS et cML de 5 Gbps. Comme le modèle Ibis ne convient pas à la description des circuits actifs, Il ne s'applique pas à de nombreux équipements Gbps avec des circuits pré - pondérés pour la compensation des pertes. Donc,, Dans la conception du système 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. L'appareil a un circuit de pré - pondération passif, Mais le circuit peut être séparé de la puce de l'appareil. Lorsque le taux de données est de 10 Gbps ou plus, La forme d'onde de sortie ressemble plus à une onde sinusoïdale, Le modèle Spice est plus approprié.

Loss effect
When the signal frequency increases, L'atténuation sur la ligne de transmission ne doit pas être négligée. En ce moment, Il est nécessaire de tenir compte des pertes dues à la résistance équivalente des conducteurs de série et à la conductivité équivalente des milieux parallèles., L'analyse doit être effectuée à l'aide d'un modèle de ligne de transmission Lossy.

Le modèle équivalent de la ligne de transmission avec perte est illustré à la figure 1.. Comme le montre la figure, la r ésistance de série équivalente R et la conductivité de shunt équivalente G sont utilisées pour caractériser la perte. La r ésistance de série équivalente R est la résistance causée par la résistance à courant continu et l'effet cutané. La résistance à courant continu est la résistance du conducteur lui - même, Cela dépend de la structure physique du conducteur et de sa résistivité.. Lorsque la fréquence augmente, Les effets cutanés commencent à fonctionner. L'effet cutané se réfère à la concentration du courant de signal à la surface du conducteur lorsque le signal à haute fréquence passe par le conducteur.. Intérieur du conducteur, La densité du courant de signal diminue exponentiellement le long de la section transversale du conducteur, Profondeur à laquelle la densité actuelle est réduite à 1/L'original e est appelé profondeur épidermique. Plus la fréquence est élevée, Plus la profondeur de la peau est faible, Provoque une augmentation de la résistance du conducteur. La profondeur de la peau est inversement proportionnelle à la racine carrée de la fréquence.

Equivalent parallel conductance G is also called dielectric Perte (Dielectric Loss). Basse fréquence, La conductivité parallèle équivalente dépend de la conductivité volumique et de la capacité équivalente du milieu., Et à mesure que la fréquence augmente,, L'angle de perte diélectrique commence à dominer. En ce moment, La conductivité diélectrique est déterminée par l'angle de perte diélectrique et la fréquence du signal.. En général, Lorsque la fréquence est inférieure à 1 GHz, La perte d'effets cutanés joue un rôle important, Lorsque la fréquence est supérieure à 1 GHz, Les pertes diélectriques prédominent. Constante diélectrique, Angle de perte diélectrique, La conductivité du conducteur et la fréquence de coupure peuvent être réglées dans le logiciel de simulation. Au cours de la simulation, le logiciel tiendra compte des effets cutanés et des pertes diélectriques en fonction de la structure de la ligne de transmission.. Si vous simulez une atténuation, S'assurer que la fréquence de coupure appropriée est réglée en fonction de la largeur de bande du signal. La largeur de bande est déterminée par la vitesse du bord du signal. De nombreux signaux 622mhz ne sont pas très différents de 2.5 GHz signal Edge rate. En outre, L'équivalence peut également être observée dans le modèle de ligne de transmission à perte. Variation de la résistance et de la conductivité en fonction de la fréquence.

Effects of Vias and Connectors
The vias transmit the signal to the other side of the board. La partie métallique verticale entre les circuits imprimés est une impédance non contrôlée, Un point d'inflexion horizontal à vertical est un point d'arrêt, Il y a des reflets., Son apparence doit être réduite au minimum.. Simulation de la conception du système Gigabit, Tenir compte de l'influence des trous de travers, Nécessite un modèle via. La structure du modèle à travers le trou est la résistance en série r, Inductance l et condensateur de dérivation C. Selon l'application spécifique et les exigences de précision, Plusieurs structures RLC peuvent être utilisées en parallèle, Le couplage avec d'autres conducteurs peut être envisagé. En ce moment, Le modèle via est une matrice. Il existe deux façons d'obtenir le modèle via, L'un est obtenu par des essais, par exemple TDR, and the other can be extracted by the 3D field extractor (Field Solver) according to the physical structure of the via. Les paramètres du modèle de perçage sont liés aux matériaux PCB, Empilage, Épaisseur, Doublure/Taille de la charge inversée, Et comment les fils sont connectés. Dans le logiciel de simulation, Différents paramètres peuvent être définis en fonction des exigences de précision, Le logiciel extraira le modèle à travers le trou selon l'algorithme correspondant et tiendra compte de son influence dans le processus de simulation..

Dans la conception du système Gigabit PCB, Une attention particulière doit être accordée aux effets des connecteurs.. Aujourd'hui, le développement de la technologie des connecteurs à grande vitesse assure la continuité de l'impédance et de la formation au sol pendant la transmission du signal.. L'analyse de simulation du connecteur dans la conception utilise principalement le modèle multiligne. Le modèle multiligne du connecteur est extrait en considérant le couplage inductance - capacité entre les broches dans l'espace 3D. Le modèle multiligne du connecteur utilise habituellement un extracteur de champ 3D pour extraire la matrice rlgc, Généralement sous la forme d'un sous - circuit modèle spice. En raison de la structure complexe du modèle, L'extraction et l'analyse de simulation prennent beaucoup de temps. Dans le logiciel specctraquest, Le modèle Spice du connecteur peut être édité en tant que modèle d'évasion, Peut être assigné à un appareil ou appelé directement, Vous pouvez également l'éditer en tant que modèle de paquet au format DML et l'assigner à l'appareil pour utilisation.

Differential Signaling and Routing Considerations
Differential signal has the advantages of strong anti-interference and high transmission rate. Transmission du signal Gigabit, Il réduit les effets des échanges et des interférences électromagnétiques. Les formes de couplage comprennent le couplage de bord et le couplage supérieur et inférieur., Couplage lâche et couplage serré. Par rapport aux Accouplements supérieurs et inférieurs, Le couplage de bord a l'avantage de réduire les échanges, Câblage pratique, Facile à gérer. Le couplage haut et bas est plus souvent utilisé PCB boardAyant une densité linéaire élevée. Comparé au couplage lâche, Couplage serré avec une meilleure capacité anti - interférence pour réduire les échanges, Le couplage lâche peut mieux contrôler la continuité de l'impédance différentielle de la trajectoire. L'influence de la continuité de l'impédance doit être prise en compte dans les règles de routage différentiel spécifiques., loss, Crosstalk, Et suivre la différence de longueur en fonction des différentes conditions. Analyse des résultats de la simulation à l'aide d'un ophtalmogramme différentiel. Le logiciel de simulation peut définir un code de séquence aléatoire pour générer un diagramme oculaire, Et les paramètres de Jitter et de décalage peuvent être entrés pour analyser l'effet sur l'oculaire.

Power Distribution and EMC
The increase in data transfer rates, Avec un taux de bordure plus rapide, Nécessité de maintenir la stabilité de la puissance sur une bande de fréquences plus large. Le système à grande vitesse peut passer un courant transitoire de 10a et nécessite une ondulation de puissance de 50mv, Cela signifie que l'impédance du réseau de distribution doit se situer à moins de 5 m © dans une gamme de fréquences donnée.. Par exemple:, Le temps de montée du signal est inférieur à 0.5 NS, Quels facteurs devraient être pris en considération?. Largeur de bande jusqu'à 1.0 GHz. Dans la conception du système 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. En général, Dans la bande basse, Condensateur de découplage pour réduire l'impédance, Dans la bande haute fréquence, La distribution de l'alimentation électrique et de la couche de mise à la terre est principalement prise en considération.. La figure 4 montre un diagramme de réponse en fréquence des variations d'impédance avec et sans condensateurs de découplage dans les couches de puissance et de sol..

Le logiciel specctraquest peut analyser l'effet du bruit synchrone causé par la structure de l'emballage. The Power Integrity (PI) software uses the frequency domain to analyze the power distribution system, Le nombre et l'emplacement des condensateurs de découplage peuvent être analysés efficacement, Et l'impact de l'alimentation électrique et de la mise à la terre. L'ingénieur sélectionne et place les condensateurs de découplage, Routage, Analyse de la distribution plane.

EMC pour la compatibilité électromagnétique, Les problèmes qui en résultent comprennent le rayonnement électromagnétique excessif et la sensibilité aux rayonnements électromagnétiques.. La raison principale est que le circuit fonctionne à haute fréquence et que la disposition et le câblage sont déraisonnables.. Actuellement, Outils logiciels disponibles pour la simulation EMC, Mais les problèmes de compatibilité électromagnétique peuvent être causés par de nombreuses causes électromagnétiques. Il est difficile de définir les paramètres de simulation et les conditions limites, Cela aura une incidence directe sur l'exactitude et la faisabilité des résultats de la simulation.. Il est courant d'appliquer les règles de conception qui contrôlent EMC à chaque étape de la conception., Mise en œuvre de la conduite et du contrôle des règles dans tous les aspects de la conception, Après l'essai et la vérification de la conception, Peut former de nouvelles règles et les appliquer à de nouvelles PCB board design.