Der IEEE P370 Standard für Hochgeschwindigkeits-PCB-Verbindungen

Hochgeschwindigkeits-PCB-Verbindungen bleiben weiterhin eine aktive Herausforderung in der Modellierung und Simulation, insbesondere beim Umgang mit Breitbandsignalen. Der IEEE P370-Standard ist ein Schritt zur Bewältigung der Herausforderungen, mit denen viele Designer bei der Bestimmung von Breitband-S-Parametern für Hochgeschwindigkeitsstrukturen bis zu 50 GHz konfrontiert sind. Obwohl dieser Standard seit 2015 in Arbeit ist, wurde er schließlich vom Vorstand genehmigt und erscheint als aktiver Entwurfsstandard.

Welche Herausforderungen werden also durch diesen Standard angesprochen, und wie werden Signalintegritätsingenieure davon profitieren? Wenn Sie so sind wie ich, nähern Sie sich Signalintegritätsproblemen aus einer anderen Richtung als jemand wie Heidi Barnes oder Jason Ellison. Eine Seite der Signalintegrität ist die Vorhersage aus empirischen Modellen oder analytischen Formeln, während die andere Seite die Bewertung und Charakterisierung aus Messungen des Signalverhaltens betrifft. IEEE P370 adressiert Herausforderungen auf der Test- und Messseite, insbesondere für die Sammlung spezifischer Messungen von komplexen Teststrukturen auf PCBs.

Einblick in den IEEE P370-Standard

Der IEEE P370-Standard befasst sich mit Test- und Messverfahren zur Charakterisierung von elektrischen Verbindungen bis zu 50 GHz. Als Teil der Test- und Messaufgaben für ein Prüfobjekt bei hohen Frequenzen muss jedes Instrument eine Schnittstelle mit dem DUT (Device Under Test) herstellen. Instrumente für hohe Frequenzen, wie Zeitbereichsreflektometer (TDRs) und Vektor-Netzwerkanalysatoren (VNAs), verwenden typischerweise einen Koaxialstecker, um genaue Messungen zu sammeln, aber viele reale Strukturen auf einer PCB oder anderen elektronischen Paketen sind nicht koaxial, sobald sie eine Schnittstelle mit dem DUT erstellen.

Als Teil des Standards zielt IEEE P370 darauf ab, Herausforderungen bei der Modellierung und Charakterisierung von Verbindungen in drei Schlüsselbereichen des Hochgeschwindigkeitsdesigns anzugehen:

• Design von Testvorrichtungen. Testvorrichtungen, die zwischen einem Instrument und dem DUT (in diesem Fall eine elektrische Verbindung) vermitteln, führen dazu, dass die gemessenen S-Parameter des DUT von den tatsächlichen S-Parametern abweichen. Das Gleiche gilt für andere Parametersätze, die bei der Gerätecharakterisierung verwendet werden.
• De-Embedding. Der Prozess, um die S-Parameter des DUT zu erhalten, erfolgt durch De-Embedding. Leider haben verschiedene Instrumente und Software-Tools unterschiedliche Algorithmen für das De-Embedding. Ein Teil des Problems ist, dass ein DUT und seine Testvorrichtungen ein kaskadiertes N-Port-Netzwerk bilden und S-Parameter sich nicht so schön kaskadieren lassen wie ABCD-Parameter.
• Sicherstellung der Qualität von S-Parametern. Die drei Hauptprobleme bei der Qualität von S-Parametern sind die Sicherstellung von Reziprozität, Passivität und Kausalität.

Durch die Standardisierung der ersten beiden Punkte kommen wir einer Standardisierung im dritten Punkt näher. Dieser dritte Bereich des Hochgeschwindigkeits-Verbindungsmodellierens bleibt selbst für die erfahrensten Ingenieure aufgrund der inhärent bandbegrenzten Natur von Breitbandmessungen eine Herausforderung. IEEE P370 zielt darauf ab, diese Inkonsistenzen mit den in der folgenden Tabelle dargelegten Lösungen anzugehen.

Lassen Sie uns jeden dieser Bereiche etwas genauer betrachten, um zu sehen, wie sich die Dinge bald für Signalintegritätsingenieure ändern könnten.

Teststrukturen

Dieser Bereich des IEEE P370-Standards ist in zwei große Bereiche unterteilt: Teststrukturdesign und Kalibrierung. Durch die Verwendung von standardisierten Teststrukturen und Kalibrierungsstrukturen können wir mit ziemlicher Sicherheit davon ausgehen, dass zwei verschiedene Ingenieure mit zwei verschiedenen (jedoch vergleichbaren) Instrumenten die gleichen S-Parameter-Ergebnisse für ein gegebenes DUT unter Verwendung eines Standardverfahrens erzeugen können. Die 2x-durch Teststruktur wird unter P370 empfohlen; schauen Sie sich diesen Artikel im Signal Integrity Journal an, um mehr über die 2x-durch Struktur zu erfahren und wie sie beim De-Embedding verwendet wird.

Es gibt zwei standardisierte Strukturen in IEEE P370, die für die Kalibrierung und die Überprüfung der Entflechtung von Vorrichtungen verwendet werden können: die Leitungs- und Beatty-Standards. Die Leitungsstruktur ist einfach eine Übertragungsleitung, für die die S-Parameter aus den ABCD-Parametern der Leitung bestimmt werden können. Die Beatty-Struktur ist ein Resonanzhohlraum, der sich entlang der Mitte einer Übertragungsleitung befindet und für eine bestimmte Länge ein spezifisches Rückflussdämpfungs- und Einfügungsdämpfungsspektrum aufweist. Diese Struktur (siehe unten) kann auf einem Testcoupon oder Prototyp für die Instrumentenkalibrierung platziert werden, da ihre S-Parameter wohlbekannt sind.

Entflechtung

Das Entflechtungsverfahren verwendet eine offene Zugangsbibliothek von Goldstandard-S-Parametern für Standardteststrukturen, die im IEEE P370-Standard spezifiziert sind. Da die S-Parameter der Teststruktur bekannt sind oder vom Standard bereitgestellt werden, können die S-Parameter der Teststruktur aus den S-Parametern (DUT + Teststruktur) entfernt werden. Dies ergibt nur die S-Parameter des DUT, wie im Beispiel unten gezeigt.

S-Parameter-Qualität

Die Qualität einer S-Parameter-Matrix wird in den folgenden drei Bereichen definiert:

• Kausalität. Bei der Verwendung zur Konstruktion einer Impulsantwort mit einer standardisierten Methode sollten die S-Parameter keine kausalen Artefakte in der Zeitdomänenantwort erzeugen.
• Reziprozität. Wenn das zu untersuchende DUT tatsächlich reziprok ist, dann müssen die S-Parameter ebenfalls reziprok sein, d.h., die S-Parameter-Matrix ist gleich ihrer eigenen Transponierten.
• Passivität. Dies steht in Zusammenhang mit der Reziprozität, da ein reziprokes Netzwerk auch ein passives Netzwerk sein muss. S-Parameter müssen auf Passivität geprüft werden, was bedeutet, dass sie nicht Funktionen der Stärke des Eingangssignals sind.

Indem Grenzwerte für diese Qualitätsmetriken festgelegt werden, können Entwickler, die S-Parameter-Daten für ihre Komponenten erhalten oder passive Strukturen auf ihren PCBs platzieren, sicher sein, dass ihre Simulationen genau sein werden. Dies löst ein großes Problem inkonsistenter S-Parameter-Daten.

Teststrukturen auf Ihrer PCB platzieren

Die hier dargelegten Standards sind lediglich Design- und Analysestandards als Teil von Test und Messung, die letztendlich die Simulation in Feldlösern unterstützen werden. Wenn Sie bereit sind, Ihre Leiterplatte mit den hier gezeigten Teststrukturen zu erstellen, können die fortschrittlichen PCB-Layout-Tools, die Sie in Altium Designer finden, verwendet werden, um genaue Teststrukturen für Hochgeschwindigkeits-PCBs zu erstellen. Sie werden auch in der Lage sein, Ihre Platinen schnell für die Fertigung und Montage vorzubereiten.

Sobald Sie Ihre Platine oder Ihren Testcoupon mit IEEE P370-konformen Teststrukturen erstellt haben, können Sie Ihre Design-Daten auf der Altium 365-Plattform teilen, was Ihnen eine einfache Möglichkeit bietet, mit einem entfernten Team zu arbeiten und Ihre Design-Daten zu verwalten. Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Sie können die Produktseite für eine detailliertere Funktionsbeschreibung oder eines der On-Demand Webinare überprüfen.