High-Speed-PCB-Design-Überprüfung: Fragen zur Signalintegrität, die Sie immer stellen sollten

PCB-Design-Reviews umfassen viele Teile eines Designs, von grundlegenden Schaltungen bis zur Fertigbarkeit. Für Hochgeschwindigkeits-Digitalsysteme muss eine Designprüfung spezifischer sein und sich auf Bereiche konzentrieren, die in standardmäßigen Fertigbarkeitsprüfungen typischerweise nicht abgedeckt werden. Die Werkzeuge und der Prozess, die erforderlich sind, um ein Hochgeschwindigkeits-PCB-Design vollständig auf Signalintegrität zu überprüfen, hängen von den genauen Schnittstellen im Design ab, aber der Vergleich mit einigen Faustregeln und einigen grundlegenden Berechnungen kann Ihnen helfen, viele der einfacheren Probleme mit der Signalintegrität zu vermeiden.

Können sie Ihren Stackup bauen?

Hochgeschwindigkeitsdesigns, die eine Impedanzkontrolle erfordern, funktionieren nur korrekt, wenn der Stackup vollständig spezifiziert ist, entweder durch den Designer oder den Hersteller. Während Hersteller einen standardmäßigen PCB-Stackup bereitstellen können, werden nicht alle standardmäßigen Stackups der Hersteller für Hochgeschwindigkeits-PCBs geeignet sein. Dies liegt an vielen Faktoren, wobei die häufigsten die Dicke des Dielektrikums und die erforderlichen Leiterbahnbreiten in Designs sind, die eine Impedanzkontrolle benötigen. Da viele digitale Designs die Verwendung von BGAs erfordern, einschließlich feinpoliger BGAs, unterstützen standardmäßige Stackups möglicherweise auch nicht die Vias, die erforderlich sind, um in diese Komponenten zu routen.

Das bedeutet, dass Sie als Designer die Kontrolle über das Design des PCB-Stackups übernehmen müssen. Und als Teil der Designprüfung für Ihr Hochgeschwindigkeits-Digitalsystem müssen Sie verifizieren, dass das Fertigungshaus den von Ihnen spezifizierten Stackup herstellen kann. Deshalb ist es wichtig, sich mit den kommerziell verfügbaren Materialien auf dem Markt vertraut zu machen, denn Sie können diese in Ihrem Stackup-Design angeben und schnell eine Bestätigung von Ihrem Fertigungshaus erhalten, dass sie den PCB-Stackup bauen können.

Sind Impedanzberechnungen genau?

Da diese Frage von der Stackup-Konstruktion abhängt, muss sie nach der vorherigen Frage beantwortet werden. Um zunächst die Stackup-Konstruktion zu verifizieren, erstellen Sie Ihre Fertigungszeichnungen mit einer Stackup-Tabelle zuerst, dann überprüfen Sie den Stackup und das PCB-Layout auf die Leiterbahnbreite und Abstände nach der Verifizierung durch den Hersteller.

Nachdem die Stackup-Konstruktion bestätigt ist, gibt es mehrere Rechner, die verwendet werden können, um die Leiterbahnimpedanz zu bestimmen und das Design mit den Daten im PCB-Layout zu überprüfen.

• Designer können die Rechner-Links auf diesen verlinkten Seiten verwenden:
  • Microstrip-Impedanzrechner
  • Stripline-Impedanzrechner
  • Differenzieller Microstrip-Impedanzrechner
  • Differenzieller Stripline-Impedanzrechner
• Altium-Benutzer können den Impedanzrechner im Layer Stack Manager
• verwenden. Externe Hilfsprogramme wie SI9000 von Polar Instruments können ebenfalls verwendet werden
• . Fortgeschrittenere Simulatoren und Feldlöser können S-Parameter bereitstellen
• . Wenn keine dieser Optionen funktioniert, gibt es eine Vielzahl von Online-Rechnern, die zur Verfügung stehen

. Die Werte für die Leiterbahnbreite und den Abstand für differentielle Paare sollten verwendet werden, um eine Schätzung der Impedanz mit einer dieser zusätzlichen Rechneroptionen zu erhalten. Danach sollten Sie dies für alle impedanzkontrollierten Netze im Design überprüfen

. Wenn Sie sich die nativen PCB-Dateien ansehen, wie in Altium, gibt es wahrscheinlich eine Netzklassifizierung, die Sie auswählen und manuell die Breite/Abstände aller Leiterbahnen in der Netzklassifizierung überprüfen können. Wenn Sie Fertigungsausgaben überprüfen, kann ein CAM-Viewer die Werte für die Leiterbahnbreite liefern, oder Sie können die Daten vom verantwortlichen PCB-Designer anfordern

. Zeitliche Anforderungen

.Digitale Systeme können je nach den Komponenten und Schaltungen im Design eine Reihe von Zeitvorgaben umfassen. In der Vergangenheit erfolgte das Routing der Systemuhr bei niedrigeren Frequenzen und war nicht mit allen Schnittstellen synchron, was die Zeitvorgaben auf Systemebene recht schwierig machte. Heute verwenden Hochgeschwindigkeitsschnittstellen eingebettete Uhren oder quellsynchrone Uhren, wodurch die Zeitvorgaben von der Systemebene auf die Schnittstellenebene verlagert werden.

Um die Funktionalität der Schnittstelle zu bestimmen, müssen wir eine grundlegende Überprüfung von parallelen Schnittstellen, quellsynchron getakteten Schnittstellen und gemischten Schnittstellen mit eingebetteten Uhren durchführen:

Wie wir oben sehen können, müssen die Zeitvorgaben sowohl für differentielle als auch für einzelendige Schnittstellen überprüft werden, was eine Überprüfung der im Design angewendeten Verzögerungsabstimmung erfordert.

Leiterabstände

Abstände zwischen Leitern sind sowohl ein Punkt der Fertigungsprüfung als auch ein Prüfpunkt für das Design von Hochgeschwindigkeits-PCBs. Bei einem Hochgeschwindigkeits-PCB konzentrieren wir uns hauptsächlich auf zwei Bereiche:

• Abstand zwischen einseitigen Leiterbahnen und differentiellen Paaren
• Abstände zu nahegelegenen koplanaren Kupferflächen (falls diese auf einer Signallage vorhanden sind)

Der Hauptgrund ist, das Übersprechen zu minimieren, da ein großer Abstand zwischen den Leitern der einfachste Weg ist, das Übersprechen zu kontrollieren.

Die Bestimmung des richtigen Leiterbahn-zu-Leiterbahn-Abstands zur Minimierung des Übersprechens erfordert den Einsatz einer Simulation, einschließlich grundlegender Simulationen, die mit einer MoM/BEM-Methode in Ihrer PCB-Designsoftware durchgeführt werden können. Zum Beispiel kann das Signal Integrity-Tool in Altium Designer verwendet werden, um eine grundlegende Schätzung des Übersprechens für eine spezifische Anstiegszeit zu erhalten. Nachdem Sie das Ergebnis mit Ihren Rauschabständen in Ihrem Empfänger verglichen und die Simulation auf mehreren Lagen durchgeführt haben, können Sie eine gute erste Schätzung für die Abstände zwischen Hochgeschwindigkeitsnetzen ermitteln.

Ein einfaches Beispiel mit 3,3V Logik, die in einer Opferleitung Übersprechen erzeugt, wird unten gezeigt. Dies wurde mit dem Signal Integrity Tool in Altium Designer (jetzt Teil von Altium Develop) berechnet. Der Prozess, um einen idealen Leiterbahnabstandswert zu ermitteln, wird in anderen Artikeln besprochen.

Wenn Sie nicht wissen, wie Sie das Übersprechen zwischen zwei Leiterbahnen bestimmen können oder keine Rechneranwendung dafür haben, können Sie eine 3W Abstandsregelung zwischen Hochgeschwindigkeitsnetzen festlegen. Dies ist ein ausreichend großer Abstand für die meisten Entwürfe, einschließlich bis hin zu sehr dünnen Schichten in UHDI-PCBs.

Für die finale Überprüfung können Simulationen helfen

Eine Fertigbarkeitsprüfung und eine BOM-Überprüfung sind immer eine gute Idee, auch bei Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs. Aber für Bedenken bezüglich der Signalintegrität sind diese anderen Überprüfungen nicht ausreichend, um die Signalintegrität in Bezug auf die oben genannten Bereiche zu verifizieren. Stattdessen benötigen Sie eine Möglichkeit, Ihr Design schnell in eine Simulationsanwendung zu übertragen, damit die oben genannten Bereiche verifiziert werden können.

• Ansys CoDesigner für Designsimulation in SIwave, HFSS usw.
• SI Analyzer von Keysight für die Visualisierung von Timing und Impedanz
• ODB++-Exporte zur Verwendung in Simbeor zur Untersuchung der Kanalkonformität

Schließlich wird eine einfache DRC-Prüfung Standardfertigungsprobleme und Verletzungen von Beschränkungen identifizieren, die alle Arten von PCB-Designs beeinflussen, einschließlich eines Layouts für Hochgeschwindigkeits-PCBs. Wenn Sie die Fähigkeiten des Herstellers und die Fertigungsgrenzen gründlich erfasst haben, dann können Sie diese in Ihre PCB-Designregeln einbeziehen und umfassende Prüfungen durchführen, wenn das PCB-Layout abgeschlossen ist.

Ob Sie zuverlässige Leistungselektronik oder fortschrittliche digitale Systeme bauen müssen, Altium Develop vereint jede Disziplin zu einer kollaborativen Kraft. Frei von Silos. Frei von Grenzen. Hier arbeiten Ingenieure, Designer und Innovatoren als Einheit zusammen, um ohne Einschränkungen zu erschaffen. Erleben Sie Altium Develop noch heute!