ПЕЧАТНАЯ PCB - Как обеспечить целостность сигнала при проектировании печатной платы

Чем раньше при проектировании печатной платы будут решены проблемы целостности сигнала (SI), тем более эффективной будет конструкция, что позволит избежать необходимости добавления новых оконечных устройств после завершения проектирования платы. Существует ряд инструментов и ресурсов, доступных для проектирования СИ, но сейчас мы рассмотрим центральную проблему целостности сигнала и несколько способов решения проблемы СИ.

1.Проблема СИ

По мере увеличения скорости переключения выходных сигналов микросхем практически во всех моделях возникают проблемы с целостностью сигнала, независимо от периода действия сигнала. Даже если вы не сталкивались с проблемами SI в прошлом, вы обязательно столкнетесь с проблемами целостности сигнала в будущем по мере увеличения частоты работы схемы.

Проблемы с целостностью сигнала связаны, в первую очередь, с превышением сигнала и затухающими колебаниями, которые зависят от амплитуды возбуждения микросхемы и времени перехода. То есть, даже если топология подключения остается неизменной, если скорость чипа становится достаточно высокой, существующая конструкция становится критичной или перестает работать. Мы используем два примера, чтобы проиллюстрировать, что проектирование целостности сигнала неизбежно.

Пример первый: В сфере связи, где передовые телекоммуникационные компании производят высокоскоростные платы (выше 500 МГц) для передачи голоса и данных, стоимость не имеет особого значения, и многослойные платы можно использовать в максимально возможной степени. Такие платы могут быть полностью заземлены и легко объединены в силовые контуры, а также иметь столько дискретных выводов, сколько требуется, но конструкция должна быть правильной и не критичной.

Специалисты SI и EMC проводят моделирование и расчеты перед прокладкой печатных плат. Затем платы могут быть спроектированы в соответствии с очень строгим набором правил проектирования, а при возникновении сомнений могут быть добавлены новые выводы, чтобы обеспечить максимально возможный запас прочности SI. Проблем с SI можно избежать за счет использования проводов с регулируемым сопротивлением для печатных плат, которые могут вызывать проблемы при реальной эксплуатации. Короче говоря, проблема с SI может быть решена за счет нестандартной конструкции.

Пример второй: Из соображений стоимости монтажные печатной платы обычно состоят из четырех слоев (два внутренних слоя - это слой питания и слой заземления). Это значительно ограничивает полезность управления полным сопротивлением. Кроме того, меньшее количество слоев увеличит перекрестные помехи, а расстояние между сигнальными линиями должно быть минимальным, чтобы разместить больше печатных проводов. С другой стороны, инженеры-проектировщики должны использовать новейшие и наилучшие решения для процессора, памяти и видеошины, и эти решения должны учитывать проблемы SI.

Что касается прокладки кабелей, топологии и оконечных каналов, важно учитывать вопросы SI. Инженеры обычно могут получить множество советов от производителей процессоров по топологии и оконечным каналам, однако эти рекомендации по проектированию также должны быть интегрированы в производственный процесс. В значительной степени работа проектировщика платы сложнее, чем проектировщика телекоммуникационной системы, поскольку в ней мало места для дополнительных устройств контроля импеданса и оконечных устройств. Неполные сигналы должны быть полностью исследованы и устранены, при этом необходимо обеспечить соответствие продукта установленным срокам.

Конструкции печатных плат

В следующем разделе описаны критерии проектирования SI, которые являются общими для процесса проектирования печатных плат.

2.Подготовка перед проектированием платы

Перед началом проектирования важно продумать и определить стратегию проектирования, которая может служить руководством, например, при выборе компонентов. Выбор технологического процесса и контроль затрат на производство платы. В случае с СИ важно заранее провести исследование для разработки критериев планирования или проектирования, чтобы гарантировать, что в результате проектирования не возникнет существенных проблем с СИ. Перекрестные помехи или проблемы с синхронизацией. Некоторые критерии проектирования могут быть предоставлены производителем микросхем, однако существуют ограничения на критерии, предоставляемые поставщиком микросхем (или на ваши собственные критерии проектирования), и может оказаться невозможным спроектировать плату, соответствующую требованиям SI, на основе таких критериев. Если бы правила проектирования были простыми, не было бы необходимости в инженере-проектировщике.

В большинстве случаев эти проблемы затрагивают платы, которые вы проектируете (или планируете проектировать), до того, как будет выполнена фактическая разводка, что целесообразно, если количество плат велико.

3.Слои плат

Некоторые проектные группы обладают достаточной самостоятельностью в определении количества слоев печатной платы, в то время как другие - нет, поэтому важно знать свою позицию. Общение с инженерами по производству и анализу затрат может выявить ошибки в слоях платы, и это также хорошая возможность узнать о допусках при изготовлении платы. Например, если вы задаете уровень с регулируемым сопротивлением 50 Ом, как производитель может измерить и гарантировать это значение?

К другим важным вопросам относятся: Каковы ожидаемые производственные допуски? Каковы ожидаемые значения параметров изоляции на плате? Каковы допустимые допуски на ширину линий и расстояние между ними? Каковы допустимые погрешности в толщине и расстоянии между слоями заземления и сигнализации? Вся эта информация может быть использована на этапе подготовки к подключению.

Основываясь на приведенных выше данных, вы можете выбрать слой. Обратите внимание, что почти каждая печатная плата, вставляемая в другие платы или объединительные платы, имеет требования к толщине, и большинство производителей плат устанавливают фиксированные требования к толщине для различных типов слоев, которые они могут изготавливать, что значительно ограничивает количество конечных слоев. Возможно, у вас возникнет соблазн тесно сотрудничать с производителем, чтобы определить количество слоев. Для создания целевых диапазонов полного сопротивления для различных слоев следует использовать инструменты контроля полного сопротивления, принимая во внимание производственные допуски, предусмотренные производителем, и влияние соседних проводов.

В идеале все высокоскоростные узлы должны быть подключены к внутреннему уровню управления импедансом (например, к полосковой линии) для обеспечения целостности сигнала, но на практике инженерам часто приходится использовать внешний уровень для всех или некоторых высокоскоростных узлов. Чтобы оптимизировать SI и сохранить разъединенность платы, пары заземления/питания следует размещать везде, где это возможно. Если имеется только одна пара заземления/питания, вам придется обойтись без нее. Если уровень питания вообще отсутствует, по определению, у вас может возникнуть проблема с SI. Вы также можете столкнуться с ситуациями, когда трудно смоделировать работу платы без определения обратного пути прохождения сигнала.

4.Управление перекрестными помехами и полным сопротивлением

Соединение соседних сигнальных линий вызовет перекрестные помехи и изменит полное сопротивление сигнальных линий. Анализ соединения соседних параллельных сигнальных линий может определить "безопасное" или ожидаемое расстояние (или длину параллельной проводки) между сигнальными линиями или между различными типами сигнальных линий. Например, если вы хотите ограничить перекрестные помехи от синхросигнала к узлу передачи данных до уровня менее 100 мВ, но хотите, чтобы линии сигналов оставались параллельными, вы можете найти минимально допустимый интервал между сигналами при любой заданной компоновке путем расчета или моделирования. Кроме того, если в проекте предусмотрены узлы, для которых важен импеданс (либо тактовые частоты, либо архитектуры выделенной высокоскоростной памяти), вам придется разместить проводку на одном (или нескольких) уровнях, чтобы получить желаемый импеданс.

5. Важные высокоскоростные узлы

Задержка и запаздывание по времени являются критическими факторами, которые необходимо учитывать при тактовой маршрутизации. Из-за жестких требований к синхронизации такие узлы часто приходится отключать для достижения наилучшего качества SI. Важно заранее определить эти узлы и запланировать время, необходимое для корректировки размещения компонентов и маршрутизации, чтобы скорректировать рекомендации по проектированию целостности сигнала.

6. Выбор технологии платы

Различные технологии драйверов подходят для различных задач. Сигнал передается от точки к точке или от точки к нескольким соединениям? Сигнал поступает с платы или остается на той же плате? Каковы допустимые временные задержки и пределы шума? В качестве общего правила при проектировании целостности сигнала, чем ниже скорость преобразования, тем лучше целостность сигнала. Нет смысла использовать время нарастания 500 с для тактовой частоты 50 МГц. Устройство управления частотой колебаний в 2-3 секунды должно быть достаточно быстрым, чтобы гарантировать качество SI и помочь решить такие проблемы, как синхронное переключение выходных сигналов (SSO) и электромагнитная совместимость (EMC).

Преимущество технологии драйверов можно найти в новых методах проектирования, программируемых на ПЛИС, или в ASIC, определяемых пользователем. С помощью этих пользовательских устройств у вас есть большая свобода действий при выборе амплитуды и скорости возбуждения. На ранней стадии проектирования важно соответствовать требованиям, предъявляемым к времени разработки ПЛИС или ASIC, и определить соответствующий выбор выходных сигналов, включая, по возможности, выбор выводов. 

На этом этапе проектирования у поставщика микросхем приобретаются соответствующие имитационные модели. Для эффективного выполнения моделирования СИ вам потребуется программа моделирования СИ и соответствующая имитационная модель (возможно, модель IBIS).

Наконец, на этапе подготовки к прокладке и маршрутизации вы должны установить ряд рекомендаций по проектированию, которые включают в себя: требуемое сопротивление слоя. Расстояние между проводами. Предпочтительная технология устройства. Важная топология узла и планирование выводов.

7. Этап предварительной прокладки печатной платы

Основной процесс предварительного проектирования SI заключается в том, чтобы сначала определить диапазоны входных параметров (амплитуда возбуждения, полное сопротивление и напряжение). Импеданс. Скорость отслеживания) и диапазон возможных топологий (минимальная/максимальная длина, короткие длины и т.д.). Затем запустите каждую возможную комбинацию моделирования, проанализируйте время и результаты моделирования SI и, наконец, найдите приемлемый диапазон значений.

Далее рабочий диапазон интерпретируется как ограничение на маршрутизацию печатной платы. Для выполнения такого рода подготовки к "очистке" могут использоваться различные программные средства, и программа маршрутизации способна автоматически обрабатывать такие ограничения. Для большинства пользователей информация о времени на самом деле важнее результатов SI, и результаты моделирования межсоединений могут быть использованы для изменения маршрутизации и, таким образом, для настройки времени прохождения сигнала.

В других приложениях этот процесс может быть использован для определения выводов или компоновки устройств, которые несовместимы с рекомендациями по синхронизации системы. В этом случае можно полностью идентифицировать узлы, которые необходимо подключить вручную, или узлы, которые не нужно подключать. Для программируемых устройств и ASIC-микросхем также можно настроить выбор выходных драйверов, чтобы улучшить конструкцию SI или избежать использования устройств с дискретным подключением.

конструкция печатной платы

8.SI Моделирование после компоновки печатной платы

Как правило, очень трудно гарантировать, что после завершения фактического подключения в соответствии с руководящими принципами проектирования SI не возникнут проблемы с SI или синхронизацией.Даже если дизайн разработан в соответствии с рекомендациями, если вы не сможете автоматически проверять дизайн на постоянной основе, нет никакой гарантии, что дизайн будет соответствовать рекомендациям, и проблемы неизбежно возникнут.Послемаршрутные проверки на имитацию SI позволят систематически нарушать или изменять правила проектирования, но это необходимо только из соображений экономии или строгих требований к маршрутизации.

Теперь можно моделировать высокоскоростные цифровые печатные платы и даже многоплатные системы, используя модуль моделирования SI, который автоматически маскирует проблемы с SI и генерирует точные параметры задержки "от контакта к контакту". Если входные сигналы достаточно хороши, результаты моделирования будут такими же хорошими. Это делает точность модели устройства и параметров изготовления платы критически важным фактором при определении результатов моделирования. Многие инженеры-проектировщики моделируют "минимальные" и "максимальные" проектные углы, а затем используют полученную информацию для решения проблем и корректировки производительности.

9.Этап изготовления картона

Несмотря на то, что вышеуказанные меры обеспечивают качество проектирования плат на основе SI, после сборки плат все равно необходимо поместить их на испытательный стенд и сравнить реальные платы с моделируемыми ожидаемыми результатами с помощью измерений осциллографом или TDR (рефлектометром во временной области). Эти измерения помогут вам усовершенствовать вашу модель и производственные параметры, чтобы вы могли принимать более обоснованные (и менее ограниченные) решения в ходе следующего предпроектного исследования.

10.Выбор модели

О выборе модели написано много, и инженеры, выполняющие статическую проверку времени, возможно, заметили, что построить модель сложно, несмотря на все данные, имеющиеся в технических описаниях устройств. Обратное верно для имитационных моделей СИ, где модель легко построить, но данные модели трудно получить. По сути, единственным надежным источником данных модели СИ является поставщик микросхем, который должен работать в тандеме с инженером-проектировщиком. Стандарт IBIS modeling standard обеспечивает постоянный носитель данных, но модели IBIS являются дорогостоящими в изготовлении и обеспечении качества, и поставщикам микросхем по-прежнему необходимо ориентироваться на рыночный спрос на эти инвестиции, а производители печатных плат, возможно, являются единственным рынком, ориентированным на спрос.

11.Будущие тенденции в технологии печатных плат.

Представьте себе систему, в которой все выходы могут быть настроены в соответствии с сопротивлением проводки или нагрузкой приемной цепи. Такую систему легко протестировать, а проблемы с SI могут быть решены путем программирования или настройки платы в соответствии с требованиями к SI в соответствии с конкретным распределением процессов в микросхеме, что позволяет обеспечить большие допуски при проектировании или более широкий диапазон конфигураций оборудования.

В настоящее время промышленность также уделяет особое внимание технологии устройств SI, многие из которых включают в себя разработанные оконечные устройства (например, LVDS) и автоматический программируемый контроль выходной мощности, а также функции динамического автоматического завершения. Конструкции плат, использующие эти технологии, позволяют добиться превосходного качества SI, но большинство из этих технологий слишком отличаются от стандартных логических схем CMOS или TTL и плохо сочетаются с существующими аналоговыми моделями. не подходят для существующих аналоговых моделей.

И здесь компании EDA также присоединяются к разработке печатных плат, где была проделана большая работа по решению проблем СИ на ранних стадиях проектирования, а в будущем проблемы СИ могут быть решены с помощью автоматизированных инструментов без привлечения специалиста по СИ. Несмотря на то, что технология еще не достигла такого уровня, изучаются новые методы проектирования, а технология запуска проектирования плат с помощью "SI и временной маршрутизации" все еще развивается, и ожидается, что в ближайшие несколько лет появятся новые технологии проектирования плат.