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Une méthode de conception de PCB numériques à grande vitesse pour l'intégrité du signal
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Une méthode de conception de PCB numériques à grande vitesse pour l'intégrité du signal

Une méthode de conception de PCB numériques à grande vitesse pour l'intégrité du signal

2022-06-23
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Author:pcb

Cet article préArt.ente une méthode de conception du Art.ignal numérique à grande viteArt.Art.e PCB board Analyse informatique basée sur l'intégrité du signal. Dans cette méthode de conception, Tout d'abord,, Modèle de transmission du signal PCB board Le niveau sera établi pour tous les signaux numériques à grande vitesse, Ensuite, en calculant et en analysant l'intégrité du signal, on trouve l'espace de solution de conception., Et PCB board Sera complété sur la base de l'espace de solution. Conception et vérification.

Avec l'augmentation de la vitesse de commutation et de la densité des PCB, l'intégrité du signal est devenue l'un des problèmes les plus importants dans la conception des PCB numériques à grande vitesse. Des facteurs tels que les paramètres des composants et de la carte PCB, la disposition des composants sur la carte PCB et le câblage des signaux à grande vitesse peuvent causer des problèmes d'intégrité des signaux, ce qui peut entraîner un fonctionnement instable du système ou même le rendre inopérant. Comment tenir pleinement compte de l'intégrité du signal et prendre des mesures de contrôle efficaces dans le processus de conception des PCB est devenu un sujet brûlant dans l'industrie de la conception des PCB. La méthode de conception de PCB numériques à grande vitesse basée sur l'analyse informatique de l'intégrité du signal peut efficacement réaliser l'intégrité du signal de conception de PCB.

PCB board

1. Aperçu des problèmes d'intégrité du signal

L'intégrité du signal (si) est la capacité du signal à réagir au bon moment et à la bonne tension dans le circuit. Le circuit a une bonne intégrité du signal si le signal dans le circuit peut atteindre le circuit intégré au moment, à la durée et à l'amplitude de tension souhaités. Inversement, des problèmes d'intégrité du signal peuvent survenir lorsque le signal ne répond pas correctement. En général, le problème de l'intégrité du signal se manifeste principalement sous cinq aspects: retard, réflexion, Crosstalk, bruit de commutation synchrone (SSN) et compatibilité électromagnétique (EMI). Le retard signifie que le signal est transmis à une vitesse limitée sur les fils de la carte PCB. Le signal est envoyé de l'expéditeur au récepteur avec un retard de transmission. Le retard du signal affectera le timing du système. Dans les systèmes numériques à grande vitesse, le retard de propagation est principalement déterminé par la longueur du conducteur et la constante diélectrique du milieu environnant. De plus, lorsque l'impédance caractéristique (appelée ligne de transmission dans le système numérique à grande vitesse) du fil sur le PCB ne correspond pas à l'impédance de charge, une partie de l'énergie est réfléchie le long de la ligne de transmission après que le signal atteigne le récepteur, ce qui provoque une distorsion de la forme d'onde du signal et même un dépassement et un sous - dépassement du signal. Si le signal rebondit d'avant en arrière sur la ligne de transmission, il peut faire sonner continuellement. Étant donné qu'il y a une capacité et une inductance mutuelles entre deux appareils ou fils sur un PCB, lorsque le signal d'un appareil ou d'un fil change, le changement affectera d'autres appareils ou appareils par la capacité et l'inductance mutuelles. C'est une conversation croisée. L'intensité des échanges dépend de la géométrie et de la distance entre l'équipement et les fils.


Lorsque de nombreux signaux numériques sur un PCB sont commutés de façon synchrone (par exemple, bus de données CPU, bus d'adresse, Attendez..), en raison de l'impédance sur le fil d'alimentation et le fil de terre, le bruit de commutation synchrone sera généré et la couche de sol rebondira sur le fil de terre. Bruit (abréviation rebond au sol). L'intensité du SSN et du rebond au sol dépend également des caractéristiques io du circuit intégré, de l'impédance de la couche d'alimentation et de la couche au sol du PCB, ainsi que de la disposition et du câblage de l'équipement à grande vitesse sur le PCB. En outre, comme pour d'autres équipements électroniques, les PCB présentent des problèmes de compatibilité électromagnétique, qui sont principalement liés à la disposition et au câblage des PCB.


2. Traditionnel PCB board Conception method

Dans le processus de conception traditionnel, la conception des PCB comprend la conception des circuits, la conception de la disposition, la Production des PCB, la mesure et le débogage. Au cours de la phase de conception du circuit, en raison de l'absence de méthodes et de moyens efficaces d'analyse des caractéristiques de transmission du signal sur la carte PCB réelle, la conception du circuit ne peut généralement être effectuée que sur la base des recommandations du fabricant de composants et de l'expérience de conception antérieure. Par conséquent, pour les nouveaux projets de conception, il est souvent difficile de sélectionner correctement des facteurs tels que la topologie des signaux et les paramètres des composants. Au stade de la conception de la disposition des PCB, il est également difficile d'analyser et d'évaluer en temps réel les changements de performance des signaux causés par la disposition des composants et le câblage des PCB, de sorte que la qualité de la conception de la disposition dépend davantage de l'expérience du concepteur. Au cours de la phase de production des BPC, les paramètres des BPC et des composants ont généralement une large gamme de tolérances, ce qui rend plus difficile le contrôle des performances des BPC en raison des processus différents de chaque fabricant de BPC et de composants. Dans le processus traditionnel de conception des PCB, la performance des PCB ne peut être évaluée qu'après la production par mesure instrumentale. Les problèmes constatés au cours de la phase de mise en service du PCB doivent être corrigés lors de la prochaine conception du PCB. Mais plus difficile encore, dans la conception de circuits et la mise en page précédentes, certains problèmes étaient souvent difficiles à quantifier en tant que paramètres. Par conséquent, pour les PCB plus complexes, le processus ci - dessus doit généralement être répété plusieurs fois afin de satisfaire aux exigences de conception. On peut voir que l'utilisation de la méthode traditionnelle de conception des PCB, le cycle de développement des produits est long, le coût de la recherche et du développement est relativement élevé.


3. Méthode de conception du PCB basée sur l'analyse de l'intégrité du signal

La figure 2 montre le processus de conception de la carte PCB basé sur l'analyse informatique de l'intégrité du signal. Par rapport à la méthode traditionnelle de conception de la carte PCB, la méthode de conception basée sur l'analyse de l'intégrité du signal présente les caractéristiques suivantes: avant la conception de la carte PCB, le modèle d'intégrité du signal pour la transmission de signaux numériques à grande vitesse est établi. Sur la base du modèle si, une série de pré - analyses ont été effectuées sur l'intégrité du signal, et les types d'éléments appropriés, les paramètres et la topologie du circuit ont été choisis comme base de la conception du circuit. Dans le processus de conception du circuit, le schéma de conception est envoyé au modèle si pour l'analyse de l'intégrité du signal, et la conception est calculée et analysée en fonction de facteurs tels que la plage de tolérance des paramètres des composants et des PCB, la topologie possible et les changements de paramètres dans la conception de la disposition des PCB. L'espace de solution du schéma. Une fois la conception du circuit terminée, chaque signal numérique à grande vitesse doit avoir un espace de solution continu et réalisable. En d'autres termes, lorsque les paramètres de la carte PCB et des composants changent dans une certaine plage, la disposition des composants de la carte PCB et la méthode de câblage de la ligne de signal sur la carte PCB ont une certaine flexibilité et peuvent encore garantir l'intégrité du signal. Exigences Avant le début de la conception de la disposition des BPC, les valeurs limites de chaque espace de solution de signal obtenu sont utilisées comme contraintes pour la conception de la disposition et comme base de conception pour la disposition et le câblage des BPC. Au cours du processus de conception de la disposition des BPC, la conception partiellement ou complètement terminée est renvoyée au modèle si pour analyse de l'intégrité du signal après la conception afin de confirmer si la conception réelle de la disposition satisfait aux exigences prévues en matière d'intégrité du signal. Si les résultats de la simulation ne répondent pas aux exigences, la conception de la disposition et même la conception du circuit doivent être modifiées, ce qui peut réduire le risque de défaillance du produit en raison d'une mauvaise conception. Une fois la conception du PCB terminée, la production du PCB peut être effectuée. Les tolérances pour les paramètres de fabrication des BPC doivent se situer dans l'espace de solution pour l'analyse de l'intégrité du signal. Une fois la fabrication des BPC terminée, l'instrument est utilisé pour mesurer et déboguer afin de vérifier l'exactitude du modèle si et de l'analyse si et de servir de base à la correction du modèle. Sur la base d'un modèle et d'une méthode d'analyse si corrects, les BPC peuvent être finalisés sans ou simplement avec quelques modifications répétées de la conception et de la production, ce qui peut raccourcir le cycle de développement du produit et réduire les coûts de développement.


4. Modèle d'analyse de l'intégrité du signal

La partie la plus importante de la méthode de conception des PCB basée sur l'analyse informatique de l'intégrité des signaux est d'établir un modèle d'intégrité des signaux au niveau des PCB qui est différent de la méthode de conception traditionnelle. L'exactitude du modèle si déterminera l'exactitude de la conception et la constructibilité du modèle si déterminera la faisabilité de cette méthode de conception.


4.1 modèle si pour la conception des PCB

Dans la conception électronique, de nombreux modèles sont disponibles pour l'analyse de l'intégrité des signaux au niveau des PCB. Trois d'entre eux sont couramment utilisés, à savoir spice, Ibis et verilog - A.


A. modèle spice

Spice est un puissant simulateur de circuit analogique universel. À l'heure actuelle, le modèle Spice a été largement utilisé dans la conception électronique et deux versions principales ont été dérivées: Hspice et Pspice, Hspice est principalement utilisé dans la conception de circuits intégrés, Pspice est principalement utilisé dans la conception de PCB et de systèmes. Le modèle Spice se compose de deux parties: l'équation du modèle et les paramètres du modèle. Grâce à l'équation du modèle, le modèle Spice et l'algorithme du simulateur peuvent être étroitement liés pour obtenir une meilleure efficacité d'analyse et des résultats d'analyse. Lorsque l'analyse si est effectuée au niveau de la carte PCB à l'aide du modèle spice, les concepteurs et les fabricants de circuits intégrés doivent fournir un modèle Spice détaillé et précis décrivant les paramètres de fabrication des caractéristiques des sous - circuits et des semi - conducteurs des unités d'E / s de circuits intégrés. Étant donné que ces matériaux sont généralement la propriété intellectuelle et la confidentialité des concepteurs et des fabricants, seuls quelques fabricants de semi - conducteurs fournissent les modèles Spice correspondants avec les produits à puce. La précision analytique du modèle Spice dépend principalement des paramètres du modèle (c. - à - D. la nature des données) et de la plage d'application des équations du modèle. Lorsqu'elles sont utilisées en combinaison avec divers simulateurs numériques, les équations du modèle influent également sur la précision de l'analyse. De plus, le calcul de simulation du modèle Spice au niveau des PCB est relativement important et l'analyse prend du temps.


B. modèle Ibis

Le modèle Ibis a été développé à l'origine par Intel Corporation pour l'analyse de l'intégrité des signaux numériques au niveau des cartes et des systèmes. Il est maintenant géré par le Forum ouvert Ibis et est une norme officielle de l'industrie (EIA / ANSI 656 - a). Le modèle Ibis utilise des tableaux I / V et V / t pour décrire les caractéristiques des unités d'E / s et des broches de circuits intégrés numériques. Étant donné que le modèle Ibis n'a pas besoin de décrire la conception interne des unités d'E / s et les paramètres de fabrication des transistors, il est bien accueilli et soutenu par les fabricants de semi - conducteurs. Tous les grands fabricants de circuits intégrés numériques sont maintenant en mesure de fournir le modèle Ibis correspondant avec la puce. La précision analytique du modèle Ibis dépend principalement du nombre et de l'étendue des points de données dans les tableaux I / V et V / t. Étant donné que la simulation au niveau de la carte PCB basée sur le modèle Ibis est calculée à l'aide d'une table de recherche, la quantité de calcul est faible et ne représente généralement que 1 / 10 à 1 / 100 du modèle Spice correspondant.


Verilog AMS Model and VHDL AMS Model

Verilog AMS et VHDL - AMS existent depuis moins de 4 ans et sont de nouvelles normes. En tant que langage de modélisation du comportement matériel, verilog AMS et VHDL - AMS sont des superensembles de verilog et VHDL, respectivement, et verilog - A est un sous - ensemble de verilog AMS. Contrairement aux modèles Spice et Ibis, dans le langage AMS, les équations décrivant le comportement des composants sont écrites par l'utilisateur. Comme le modèle Ibis, le langage de modélisation AMS est un format de modèle autonome qui peut être utilisé dans de nombreux types différents d'outils de simulation. Les équations AMS peuvent également être écrites à de nombreux niveaux différents: niveau transistor, niveau d'Unit é d'entrée / sortie, Groupe d'unité d'entrée / sortie, Attendez.. comme verilog AMS et VHDL - AMS sont une nouvelle norme, seuls quelques fabricants de semi - conducteurs ont jusqu'à présent été en mesure de fournir des modèles AMS et moins de simulateurs supportant AMS que Spice et Ibis. Cependant, la faisabilité et la précision de calcul du modèle AMS dans l'analyse de l'intégrité des signaux au niveau des BPC ne sont pas inférieures à celles des modèles Spice et Ibis.


4.2 sélection du modèle

Étant donné qu'il n'existe pas de modèle uniforme pour effectuer l'analyse de l'intégrité de tous les signaux au niveau des PCB, il est nécessaire de combiner les modèles ci - dessus pour établir le modèle de transmission des signaux clés et des signaux des capteurs dans la conception des PCB numériques à grande vitesse. Pour les dispositifs passifs discrets, le modèle Spice fourni par le fabricant peut être recherché ou un modèle Spice simplifié peut être établi et utilisé directement par des mesures expérimentales. Pour les circuits intégrés numériques critiques, le modèle Ibis fourni par le fabricant doit être recherché. À l'heure actuelle, la plupart des concepteurs et des fabricants de circuits intégrés sont en mesure de fournir les modèles et les puces Ibis requis sur le site Web ou par d'autres moyens. Pour les circuits intégrés non critiques, si le modèle Ibis du fabricant n'est pas disponible, un modèle Ibis similaire ou par défaut peut également être sélectionné en fonction de la fonction de la broche de la puce. Bien entendu, un modèle Ibis simplifié peut également être établi par des mesures expérimentales. Pour la ligne de transmission sur PCB, le modèle Spice simplifié de la ligne de transmission peut être utilisé pour la pré - analyse et l'analyse spatiale de l'intégrité du signal. Dans l'analyse post - câblage, le modèle Spice complet de la ligne de transmission doit être utilisé selon la conception de la disposition réelle.


5. Combiner la méthode de conception avec le logiciel EDA existant

À l'heure actuelle, l'industrie de la conception de PCB n'a pas de logiciel EDA intégré pour compléter la méthode de conception ci - dessus, de sorte qu'elle doit être réalisée par une combinaison d'outils logiciels généraux. Utiliser le logiciel Spice général (comme Pspice, Hspice, Attendez..) pour construire le modèle Spice pour les dispositifs passifs discrets et les lignes de transmission sur les PCB, et effectuer le débogage et la vérification. Ajouter le modèle Spice / Ibis obtenu pour chaque élément et ligne de transmission au logiciel général d'analyse de l'intégrité du signal, comme spectraquest, hyperlynx, Tao., is Analyzer, Attendez.., établir le modèle d'analyse si du signal sur la carte PCB et effectuer l'analyse et le calcul de l'intégrité du signal. Utilisez les fonctions de base de données du logiciel d'analyse si ou d'autres logiciels de base de données génériques pour organiser et analyser davantage les résultats des opérations de simulation afin de rechercher l'espace de solution idéal. En prenant la valeur limite de l'espace de solution comme base de la conception du circuit PCB et la contrainte de la conception de la disposition, le logiciel EDA pour la conception générale du circuit PCB, comme Orcad, Protel, Pads, powerpcb, Allegro et mentor, est utilisé pour compléter la conception du circuit PCB et la disposition. Une fois la conception de la disposition de la carte PCB terminée, les paramètres du circuit de conception réel (tels que la topologie, la longueur, l'espacement, etc.) peuvent être extraits automatiquement ou manuellement par le logiciel de conception de la disposition ci - dessus et envoyés au logiciel d'analyse de l'intégrité du signal précédent pour Le câblage. Analyse si pour vérifier que la conception réelle répond aux exigences de l'espace de solution. L'exactitude de chaque modèle et de chaque calcul de simulation peut également être vérifiée au moyen d'instruments expérimentaux dans le processus de fabrication des PCB.


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