Technologie PCB - Analyse de la technologie de test basée sur la conception d'interconnexion PCB haute vitesse

La technologie de conception pcbinterconnection comprend des tests, des simulations et diverses normes connexes, où les tests sont la méthode et le moyen de valider les résultats de diverses analyses de simulation. D'excellentes méthodes et méthodes de test sont nécessaires pour assurer la conception et l'analyse des interconnexions de PCB. Pour les tests de forme d'onde de signal traditionnels, la principale préoccupation est la longueur des fils de sonde pour éviter que Pigtail n'introduise un bruit inutile. Cet article traite principalement des nouvelles applications et des développements de la technologie de test d'interconnexion.

Au cours des dernières années, les sujets testés ont considérablement changé à mesure que le taux de signal a augmenté. Il n'est plus limité aux formes d'onde de signal de test d'oscilloscope traditionnelles. Le bruit de mise à la terre de l'alimentation, le bruit de commutation synchrone (SSN) et la gigue (Jitter) sont devenus progressivement le Centre d'attention des ingénieurs de conception d'interconnexion de PCB, et certains instruments dans le domaine des RF ont été appliqués à la conception d'interconnexion de PCB. Les instruments de test couramment utilisés dans la conception des interconnexions de PCB comprennent les Analyseurs de spectre, les Analyseurs de réseau, les Oscilloscopes et les diverses sondes et pinces utilisées par ces instruments. L'utilisation de ces instruments de test a considérablement changé pour s'adapter aux taux de signal croissants. Utilisant ces instruments de test comme outils, cet article présente le développement de la conception et des techniques de test d'interconnexion de PCB au cours des dernières années, principalement à partir des aspects suivants.

1. Méthode d'étalonnage d'essai

2. Méthode de modélisation des éléments passifs

3. Test d'intégrité de puissance

4. Méthode d'essai de gigue du signal d'horloge

À la fin de l'article, un bref aperçu de l'évolution future des techniques de test sera présenté en conjonction avec la Conférence designcon2005 qui vient de se terminer.

Méthode d'étalonnage

Parmi les trois instruments de test couramment utilisés, la méthode d'étalonnage de l'analyseur de réseau est la plus rigoureuse, suivie de l'analyseur de spectre, et la méthode d'étalonnage de l'oscilloscope est la plus simple. Nous discutons donc ici principalement des méthodes de calibration des analyseurs de réseau. Il existe trois méthodes d'étalonnage couramment utilisées pour les Analyseurs de réseau, thru, TRL et Solt.

Il existe trois méthodes, thru, TRL et Solt

L'essence de thru est la normalisation. Au cours de l'étalonnage, l'analyseur de réseau enregistre le résultat du test de la pince (s21 - c). Dans le test réel, divisez le résultat du test (s21 - m) directement par s21 - C pour obtenir le résultat du test du dut (s21 - a). L'étalonnage thru ignore les réflexions induites par les discordances dans les pinces de test et le couplage électromagnétique dans l'espace, de sorte qu'il est calibré avec une précision minimale. Cette méthode d'étalonnage peut être utilisée lorsque seul s21 est testé et que la précision du test n'est pas élevée.

Dans les structures non coaxiales telles que les PCB, il est parfois nécessaire de tester les caractéristiques des traces, des trous et des connecteurs. Dans ce cas, les fournisseurs d'instruments de test ne fournissent pas de pièces étalonnées standard et il est difficile pour les testeurs de fabriquer de bonnes pièces d'étalonnage telles que des circuits ouverts, des courts - circuits, des charges adaptées, etc. sur les ports d'étalonnage de test, ce qui rend impossible l'étalonnage Solt traditionnel. L'avantage de l'étalonnage avec TRL est qu'aucun composant étalon n'est nécessaire et que le port d'étalonnage de test peut être étendu à l'emplacement souhaité. À l'heure actuelle, l'étalonnage TRL a été largement utilisé dans les tests de structure de PCB.

Le Solt est généralement considéré comme une méthode d'étalonnage standard. Il y a 12 paramètres d'erreur d'étalonnage dans le modèle d'étalonnage. Calibrer les différentes erreurs en utilisant le court - circuit, le circuit ouvert, la charge et la traversée. Étant donné que les fournisseurs d'équipements d'essai ne fournissent généralement que des composants d'étalonnage coaxiaux, la méthode d'étalonnage Solt ne peut pas être utilisée pour des structures non coaxiales.

Les trois méthodes d'étalonnage ci - dessus peuvent toutes être analysées en détail à l'aide d'un diagramme de signal dans lequel chaque paramètre d'erreur a un paramètre correspondant dans le diagramme de signal. Avec le diagramme de flux de signal, vous pouvez avoir une idée claire de la sensibilité à l'erreur des différentes méthodes d'étalonnage et donc de la marge d'erreur du test réel. Un point à soulever ici est que cinq paramètres d'erreur sont ignorés dans le modèle d'étalonnage, même si la méthode d'étalonnage Solt standard est utilisée. Dans des conditions normales, ces cinq paramètres d'erreur n'affectent pas la précision de l'étalonnage. Cependant, si vous ne faites pas attention à la conception de la pince d'étalonnage pendant l'utilisation, vous ne pouvez pas effectuer l'étalonnage.

L'analyseur de spectre fournit une source standard pour l'étalonnage. Lors de l'étalonnage, il suffit de connecter la source standard interne au port d'entrée via la pince de test. Le temps d'étalonnage est d'environ 10 minutes. Le calibrage de l'oscilloscope est encore plus simple. Connectez la sonde à la source standard interne et confirmez. Le calibrage prend environ 1 minute.

Test et modélisation de composants passifs

Le rôle des dispositifs passifs dans la liaison de signal devient de plus en plus important à mesure que le taux de signal augmente. La précision de l'analyse de simulation des performances du système est généralement déterminée par la précision du modèle de dispositif passif. Par conséquent, les tests et la modélisation des éléments passifs deviennent progressivement une partie importante de la conception des interconnexions PCB de divers fournisseurs d'équipements. Les éléments passifs couramment utilisés sont les suivants:

1. Connecteur

2. Traces et trous de PCB

3. Capacité

4. Inductance (billes magnétiques)

Dans la conception de l'intégrité du signal à grande vitesse, les connecteurs ont le plus grand impact sur la liaison de signal. Pour les connecteurs à grande vitesse couramment utilisés, il est courant de fabriquer des pinces d'étalonnage selon la méthode d'étalonnage TRL et d'effectuer une modélisation de test du connecteur pour une analyse de simulation. Les méthodes de modélisation de test pour les traces et les trous de PCB sont similaires aux connecteurs. L'étalonnage TRL est également utilisé pour déplacer le port de test à l'emplacement souhaité, puis pour effectuer la modélisation de test.

Le modèle capacitif a des applications dans l ` analyse de l ` intégrité du signal et, plus important encore, il est utilisé pour l ` analyse de l ` intégrité de la puissance. Les instruments de modélisation Capacitive couramment utilisés dans l'industrie sont les Analyseurs d'impédance et les Analyseurs de réseau, adaptés à différentes bandes de fréquences. L'analyseur d'impédance est adapté à la bande basse et l'analyseur de réseau à la bande haute. Si un analyseur de réseau est utilisé pour les tests d'intégrité de puissance dans des tests réels, il est recommandé d'utiliser un analyseur de réseau dans la bande complète de la modélisation Capacitive pour assurer la cohérence de la modélisation et de l'application. Parce que l'impédance du condensateur est faible, le mode parallèle est souvent utilisé lors de la modélisation avec un analyseur de réseau. Actuellement, le problème non résolu de la modélisation des condensateurs dans l'industrie est de savoir comment supprimer le couplage mutuel entre les pinces et les condensateurs, réduisant ainsi l'impact des pinces sur les résultats de la modélisation.

Dans les conceptions d'alimentation traditionnelles, des inducteurs (billes magnétiques) sont souvent utilisés pour isoler l'alimentation afin de réduire les interférences sonores. Dans la conception réelle, l'inductance d'isolement (billes magnétiques) est généralement supprimée et le bruit de l'alimentation est réduit. C'est parce que l'inducteur (bille magnétique) résonne avec les autres composants du filtre. Pour éviter cela, il est nécessaire de modéliser et de simuler l'inductance (billes magnétiques) pour éviter la résonance. Les méthodes de modélisation inductive (billes magnétiques) couramment utilisées dans l'industrie utilisent également des analyseurs de réseau. L'approche spécifique est similaire à la modélisation Capacitive. La différence est que les inductances (billes magnétiques) sont modélisées en série et les condensateurs en parallèle.

La modélisation de plusieurs éléments passifs décrite ci - dessus est principalement utilisée pour l'intégrité du signal et l'intégrité de la puissance. Au cours des dernières années, l'analyse de simulation EMI s'est progressivement développée et la modélisation de test des composants passifs EMI est devenue progressivement la conception des interconnexions de PCB. Concentration La figure 1 montre la courbe d'impédance du condensateur.

Test d'intégrité de puissance

Avec l'augmentation continue de la puissance de la puce et la diminution continue de la tension de fonctionnement, le bruit d'alimentation devient progressivement un objet d'attention dans la conception de l'interconnexion PCB. Du point de vue de l'objet de test, le test d'intégrité électrique peut être divisé en deux étapes, le test des caractéristiques du système d'alimentation et le test du bruit de mise à la terre électrique. La première consiste à tester les performances de la partie alimentation du système (Test passif), la seconde consiste à tester directement le bruit de mise à la terre de l'alimentation lorsque le système fonctionne (Test actif). Le bruit de commutation synchrone peut également être classé comme bruit de mise à la terre de l'alimentation.

Lors du test des performances d'un système d'alimentation, un analyseur de réseau est généralement utilisé et les sujets de test sont l'auto - Impédance et l'impédance de transmission du système d'alimentation. En règle générale, l'impédance d'un système d'alimentation est beaucoup plus faible que celle d'un système d'analyse de réseau (50 ohms), de sorte que vous n'avez qu'à calibrer pendant le test. L'impédance du système électrique peut être obtenue en utilisant la formule s21 = Z / 25. La figure 2 montre les caractéristiques d'impédance d'alimentation du placage.

Vous pouvez utiliser un analyseur de spectre et un oscilloscope pour tester le bruit de votre alimentation. Le port d'entrée de l'analyseur de spectre ne peut pas être connecté au composant DC. Par conséquent, lors du test du bruit d'alimentation, DC Blocking doit être connecté en série dans la pince de test. L'impédance d'entrée de l'analyseur de spectre est de 50 ohms et l'impédance du réseau d'alimentation à la terre est généralement au niveau du milliohm, de sorte que les pinces de test n'affectent pas le système testé. L'impédance d'entrée de l'oscilloscope varie en fonction du réglage. Prenons l'exemple du Tektronix tds784 dont la fréquence de coupure basse fréquence varie en fonction du mode de couplage et de l'impédance du système.

Les méthodes ci - dessus sont toutes de tester le bruit de la terre de puissance sur une carte unique, et ce qui affecte vraiment le fonctionnement de la puce est le bruit de la terre de puissance dans la puce. À ce stade, il est nécessaire d'utiliser un test de bruit de commutation synchrone pour déterminer le bruit de mise à la terre de l'alimentation dans la puce. Supposons que la puce ait n ports io, de sorte que l'un d'eux reste statique et l'autre n - 1 bascule simultanément pour tester la forme d'onde du signal sur le réseau statique, c'est - à - dire le bruit de commutation synchrone. Le bruit de commutation synchrone comprend les bruits d'alimentation et de terre ainsi que la diaphonie entre les différents signaux du boîtier. Il n'y a actuellement aucun moyen de distinguer complètement les deux.

Test de gigue du signal d'horloge

Dans certains produits haut de gamme, la gigue devient progressivement un indicateur important qui affecte les performances du produit. Voici juste une brève introduction à l'utilisation d'un analyseur de spectre pour tester la gigue du signal d'horloge et la position du problème. Le test de gigue du signal de données n'est pas impliqué pour le moment.

Dans la plupart des systèmes, l'horloge est produite par un oscillateur à cristal ou une boucle à verrouillage de phase. Le test de gigue du signal d'horloge est relativement simple, ne nécessite pas d'équipement de test haut de gamme et un analyseur de spectre ordinaire peut être utilisé pour localiser le problème. Le spectre d'un signal d'horloge idéal est un spectre propre et discret avec seulement des composantes multiples de la fréquence d'horloge. Si le signal d'horloge tremble, les lobes secondaires apparaîtront à proximité de ces multiplieurs et la gigue est proportionnelle à la puissance de ces lobes secondaires.

Une façon spécifique de tester la gigue d'horloge avec un analyseur de spectre consiste à trouver un point testable sur la liaison du signal d'horloge, à connecter le signal à l'analyseur de spectre via DC Blocking et à observer les résultats du test. Étant donné que la pince de test est un système linéaire, il n'y a pas lieu de s'inquiéter de la génération de nouvelles composantes spectrales. Comme indiqué précédemment, les horloges sont toutes générées par un oscillateur à cristal ou une boucle à verrouillage de phase. Dans ce cas, la raison importante de l'introduction de la gigue d'horloge est le bruit d'alimentation de l'oscillateur à cristal ou de la boucle à verrouillage de phase. La comparaison du bruit d'alimentation de l'oscillateur à cristal ou de la boucle à verrouillage de phase obtenu par le procédé décrit ci - dessus avec les lobes secondaires du spectre d'horloge permet essentiellement de déterminer la cause du gigue d'horloge. La solution à ce problème consiste à redessiner le circuit de filtrage de l'oscillateur à cristal ou de la boucle à verrouillage de phase en fonction des lobes secondaires du spectre d'horloge. D'une manière générale, ces problèmes peuvent être résolus par un choix rationnel des condensateurs de filtrage.

Designcon2005 conseils techniques

Designcon est la première Conférence annuelle dans le domaine des technologies d'interconnexion. Au cours de la designcon2005 de cette année, la Conférence annuelle a été marquée par les tendances technologiques suivantes:

La simulation et les tests d'intégrité de puissance pure ont déjà de nombreuses applications dans l'industrie et ne sont plus difficiles à analyser.

2. La modélisation de la capacité et de l'inductance (billes magnétiques) a été popularisée dans l'industrie et son approche est relativement complète.

3. L'accent sur la conception de l'interconnexion PCB est passé à l'encapsulation et l'analyse au niveau de la carte est devenue plus mature. La simulation et le test simultanés du bruit de commutation sont devenus progressivement une préoccupation de l'industrie.

4. Les méthodes et les normes de test de gigue sont progressivement devenues une préoccupation de l'industrie. Lors du Congrès, de nombreux fournisseurs d'équipements de test ont lancé leurs propres Analyseurs de gigue.

Résumé

Cet article décrit brièvement les objets de test et les méthodes de test dans le domaine actuel de la conception de pcbinterconnection. Au fur et à mesure que le taux de signal augmente, un certain nombre de nouveaux contenus de test émergent, notamment l'alimentation et le bruit de terre, la modélisation de dispositifs passifs, la gigue, etc. les auteurs proposent une approche de test pour ces nouveaux contenus de test, basée sur leur propre expérience de travail. Dans les tests traditionnels de forme d'onde de signal, la principale considération devrait être de réduire la longueur de la ligne de masse pour éviter le couplage de la queue dans le bruit, réduisant la précision du test. Dans la conception future de l'interconnexion PCB, l'accent sera mis sur l'encapsulation de la puce en raison de l'augmentation de la fréquence de fonctionnement du signal, et les techniques de test et de modélisation connexes seront au Centre des travaux.