Технология PCB - Исследования по проектированию и анализу моделирования печатных плат на основе теории целостности сигналов

сейчас, этот related Signal integrity (SI) engineering and research at home and abroad is still an immature subject, его аналитические методы и практика еще не совершенны, and it is still in the stage of continuous exploration. в проектирование печатная плата method based on signal integrity computer analysis, самое главное - это создание печатная плата board-level signal integrity model, это главное отличие от традиционного дизайна. The accuracy of the SI model will determine the correctness of the design, возможность построения модели си определяет осуществимость такого проектного подхода.

The problems in high-speed digital проектирование схемы are prominently reflected in the following types: (1) The increase in operating frequency and the reduction of signal rise/fall time will reduce the timing margin of the design system and even cause timing problems; (2) Transmission line effects The resulting signal oscillation, overshoot and undershoot will all pose a great threat to the fault tolerance, noise tolerance and monotonicity of the designed system; (3) After the signal edge time drops to 1 ns, помехи между сигналами стали очень серьезными. An important problem; (4) When the time of the signal edge is close to 0.5нс, the stability problem of the power system and the electromagnetic interference (EMI) problem also become very prominent.

в скоростной системе, возможность совмещения сигналов системы, решение проблемы целостности сигнала является ключом к успеху проектирования системы. At the same time, целостность сигнала также является основой и предпосылкой для решения целостности питания, electromagnetic compatibility and electromagnetic interference (EMC/EMI) issues.

High-frequency effects and transmission line theory

High frequency effect

при скин - эффекте высокой частоты электромагнитные волны резко затухают при входе в хороший проводник. Даже если расстояние между хорошим проводником меньше одной волны, электромагнитные волны значительно затухают, поэтому высокочастотное электромагнитное поле может существовать только на поверхности хорошего проводника. в тонком слое это явление называется кожным эффектом. глубина ослабления поля электромагнитной волны до поверхности 1 / e

Formula (1) explains: the greater the electrical conductivity, проводимость лучше, the higher the working frequency, Чем дальше глубина кожи, Это делает высокочастотное сопротивление гораздо более низким или постоянным. когда эффект близости присутствует в электромагнитных интерференциях между несколькими проводниками, распределение тока в поперечном сечении каждого проводника нагрузки отличается от распределения тока в изолированных проводниках. когда два соседних проводника передают ток в противоположном направлении, плотность тока наибольшая в ближайших точках вблизи двух сторон; когда два проводника тока одинаковы по направлению, минимальная плотность тока на внешней стороне. In general, эффект близости повышает эквивалентное сопротивление, снижает индуктивность.

Transmission line theory

A generalized transmission line is a conductor, средний, or a guiding system composed of them that guides the transmission of electromagnetic waves in a certain direction. обычно обсуждаемая линия передачи относится к линии микроволновой передачи, and its theory is the long-line theory. когда геометрия линии передачи соответствует длине волны электромагнитной волны, the distribution parameters (or parasitic parameters) of the transmission line must be considered. на скоростной цифровой или радиочастоте проектирование схемы and high-speed circuit simulation design, Многие электромагнитные явления необходимо объяснить теорией линии передачи. Transmission line theory is the basis for studying high-speed digital (or radio frequency) circuits.

теория основных линий передачи, когда скорость или частота сигнала достигает определенного уровня, должна учитывать параметры распределения на канале передачи. например, параллельные бифилярные эффекты повышают радиочастотное сопротивление на единицу длины. когда она достигает диапазона радиочастот, магнитное поле вокруг параллельных двухпроводных линий очень сильное, необходимо учитывать паразитную индуктивность, а электрическое поле между параллельными линиями должно быть эквивалентно конденсатору. В то же время, когда частота выше, следует принимать во внимание явление утечки между проводами. Таким образом, эквивалентная схема линии передачи на единицу длины может состоять из элементов R, L, G, C 4, как показано на рисунке 1.

Диаграмма 1 эквивалентная схема линии передачи на единицу длины

Согласно закону Кирхгофа, уравнение линии передачи может быть представлено как

поэтому, общее решение уравнений линии передачи

формула: V +, V -, I +, I - это амплитудные константы напряжения и тока соответственно, + представляющие направление передачи падающей волны (+ Z) и отражённой волны (- Z). постоянная распространения C определяется как

In the formula: A is the attenuation constant; B is the phase constant. напряжение и ток в определенной точке линии передачи - наложение падающих и отражённых волн, по отдельности. The voltage and current at any point on the Z axis are expressed as

The above formula shows that the voltage wave and current wave transmitted on a transmission line are functions of time and transmission distance.

теория комплексных линий передачи

интегральная линия передачи, strip lines, связанные линии и различные коллинеарные волноводы. Microstrip line is currently the most widely used planar transmission line in hybrid microwave integrated circuits and monolithic microwave integrated circuits. Это может быть использовано для производства фотограмм, and is easy to integrate with other passive microwave circuits and active microwave devices to realize the integration of microwave components and systems. линия сигналов на микрополосе, and the ground layer is on the other side of the signal line, Это легко проверить.

полосчатая линия, также известная как трехпанельная линия, состоит из проводов двух прямоугольных поперечных сечений, которые заполняют равномерную среду или воздух между полами. Линия сигнала в полосе между двумя силовыми слоями. Теоретически, лучше всего передать сигнал, потому что он защищен слоем питания с обеих сторон. Но она скрывает сигнальные линии внутри, не облегчая тест.

Signal integrity theory

целостность сигнала (SI) в основном изучается вопрос о качестве и хронологическом порядке сигнала после его передачи по проводам. обычно вопросы целостности сигналов, которые необходимо решить, включают: 1) отражение, вызванное рассогласованием импедансов; 2) помехи, вызванные связью соседних сигналов; 3) чрезмерные и несвоевременные операции; (4) вызов, выражающийся в неоднократном колебании сигнала, который может быть подавлен через соответствующий конец; (5) отскок шума в плоскости земли и шум переключателя, для высокоскоростного оборудования, большое количество данных шины сигнал быстро переворачивается, через изменение тока в наземном контуре приводит к нежелательной плоскости земли; 6) распределение. для высокоскоростных схем, Управление питанием / сопротивлением на уровне земли является ключом к проектированию системы; 7) вопрос о сроках. для скоростного проектирования, задержка распространения сигнала, смещение часов и тряска достаточно, чтобы система не может правильно судить о данных; 8) вопросы EMI включают электромагнитное излучение и помехоустойчивость. Решение проблем EMI при проектировании печатная плата является самым важным звеном в управлении EMI системой, стоимость которого является самой низкой.

Simulation model and modeling method

SPICE метод моделирования и моделирования

SPICE simulation model SPICE (simulation program with integrated circuit emphasis) is a general circuit analysis program that can analyze and simulate various circuit characteristics under general conditions.

Программа SPICE может заменить все функции электронной лаборатории, такие как панели хлеба и осциллографы. Программа SPICE имеет огромный склад оборудования, включая: 1) модели пассивного оборудования, такие, как резисторы, конденсаторы, индукторы, линии передачи и т.д.; 2) модели полупроводниковых приборов, таких, как диоды, транзисторы, транзисторы с полевой связью и МОП - поля. Д. д. (3) различные источники питания, включая линейные и нелинейные регулируемые источники, такие, как независимый источник напряжения, источник тока, управляемый источник напряжения, источник тока и т.д.; 4) A / D, D / A, A / C.2 / 59 / L.1, A / C.2 / 59 / L.1, A / C.2 / 59 / L.1, A / C.2 / 59 / L.1, A / C.2 / 59 / L.1,

метод моделирования моделей SPICE обычно использует два вида оборудования: один - отдельные элементы, а другой - чипы. по типу устройства были использованы два способа моделирования схем.

1) Basic device model. For example: resistors, конденсатор, inductors, простой триод, сорт. These are the most basic units that make up a circuit. физический метод обычно используется для моделирования, То есть, the model of the device is established with the equation describing the physical properties of the device as the starting point. одно и то же оборудование.

2) макет деталей для таблеток. чипы, как правило, состоят из основных элементов, каждый из которых и их связь образуют подсхему в виде таблицы сетки, а другие схемы могут вызывать эти подсхемы для формирования модели микросхемы. обычно используется метод черной коробки (Blackbox) для моделирования устройства, которое рассматривается как черный ящик, с тем чтобы обратить внимание на рабочие характеристики порта и использовать его для формирования модели.

модель и структура модели IBIS

имитационная модель IBIS (информация о буфере ввода / вывода) для ввода / вывода информации о буфере, является стандартной моделью для компонентов. модель IBIS представляет собой метод быстрого и точного моделирования буфера I / O на основе кривой V / I. Это международный стандарт, отражающий драйвер Чипа и принимающий электрические характеристики. Он предлагает стандартный формат файла для регистрации данных, например драйвер. такие параметры, как выходной импеданс, время подъема / спуска и выходная нагрузка, очень подходят для расчёта и моделирования высокочастотного эффекта, такого, как вызов и переходный шум.

IBIS model structure IBIS model is a model used to describe the characteristics of I/Информация о буфере. The behavior description of an output and input port can be decomposed into a series of simple functional modules, из этих простых функциональных модулей можно создать полноценную модель IBIS. , That is, элемент буфера, including the parasitic parameters (input, output or enable terminal) brought by the package, the parasitic capacitance of the silicon itself, схема предварительной защиты питания или заземления, the threshold and the enable logic , схема вытягивания и спуска, etc.

печатная плата simulation examples and results analysis

Настройка эмуляции печатная плата

There are two types of печатная схема board simulation: line simulation and board level simulation. моделирование линий может помочь Конструкторам настроить компоновку деталей, plan system clock networks and determine the termination strategy of key line networks before routing according to the requirements for signal integrity and timing during design, проектирование сопровождения в процессе монтажа, and feedback the routing at any time Effect. моделирование уровня плит обычно проводится после завершения испытаний проектирование печатная плата is basically completed. влияние этих факторов на кремний и их взаимодействие, например электричество, EMC, thermal performance and mechanical performance can be comprehensively considered, для проведения реального системного анализа и проверки. When performing simulation, имитационная модель для загрузки компонентов, and then perform the pre-simulation to determine the parameter settings and some constraint conditions required in the wiring process. потом, check the wiring effect through line simulation at any time during the actual wiring process, После завершения основного соединения, board-level simulation is performed to check the performance of the system [6]. The example in this article is the reflection simulation analysis of SFP (small form-factor pluggable optical transceiver) small form-factor pluggable optical transceiver.

Simulation examples and result analysis

The simulation model is established after the schematic design of the SFP optical transceiver module is completed, theпанель печатная плата design should be started. настройка частоты работы модуля светоприемника SFP для% 1.25Gbit/s, очень высокая скорость передачи данных, and the length of the differential trace is very long, Поэтому необходимо использовать согласование сопротивлений линии передачи микрополос для уменьшения отражения в конце источника и терминала, thus Ensure the quality of the signal. данные на основе кристалла MAX3748, выходной импеданс дифференциальной схемы 50 бит), and according to the SFP-MSA protocol, дифференциальное сопротивление RD+/- порт на основной панели 100. According to the theory of differential lines, при отсутствии связи, the differential impedance of two parallel microstrip transmission lines is equal to twice the single-ended impedance. Therefore, a transmission line with a characteristic impedance of 50Ω must be used for matching. извлечение топологии межсоединений между MAX3748 и узлом J1, как показано на рисунке 2. Since J1 is a connector, Нет данных модели IBIS для вызова. Therefore, чтобы сделать возможным моделирование, Загрузить разностный приемник DIN1 в системе J1. And set the corresponding working frequency.

Рисунок 2 топология взаимосвязи между MAX3748 и J1

на основе анализа результатов моделирования получены симуляции и анализ, the signal quality does not meet the design requirements. The main problems are as follows: (1) Non-linearity in the rising and falling edges; (2) Certain overshoot and undershoot in the waveform; (3) ) The edge rate becomes slower. In view of the above problems, дальнейший анализ схемы, исследование показало, что эти явления вызваны двумя факторами. 1) Since the SFP optical transceiver module mainly uses differential lines for signal transmission, according to the SFP-MSA protocol, the differential impedance on the motherboard is 100Ω. Moreover, полное сопротивление конца дифференциала MAX3748 для 100 отключений. В предыдущих моделях, when the system extracted the topology, the default impedance was 60Ω microstrip line, which caused impedance mismatch. 2) Since the differential input terminal of the system is loaded behind J1, when it is in the high impedance state, it is equivalent to the terminal open circuit situation, and there is a large reflection.

Поэтому для обеспечения качества сигналов необходимо согласовывать импеданцы. Установите полное сопротивление дифференциальной линии передачи на 100 отключений. В соответствии с теорией дифференциальных микрополос, с помощью программного обеспечения для вычисления линии передачи можно рассчитать ширину линии командировки в 15 милях, расстояние между линиями в 10 милях, соответственное однополюсное сопротивление около 62,5 отключения). из - за некоторой связи между дифференциальными линиями, перед имитацией в топологической структуре неразрушающие микрополоски были заменены фактическими поврежденными линиями связи для проведения имитационного анализа. В то же время добавьте 50 выключенных © оконечное сопротивление к энергии в топологии 3.3V.

переработанная топология показана на рис. 3.

Диаграмма 3.

It can be known from the simulation waveform and eye diagram analysis that the signal has relatively good signal integrity. The overshoot amplitude of the signal is about 54mV, the rising and falling edges are about 100ps, and the swing amplitude of the differential output signal reaches about 850mV, выполнение требований к выходу сигнала.