Análisis de diseño de PCB de alta velocidad: simulaciones y comprobaciones de integridad de la señal

Cuando llega el final del verano, reúno a mi familia y me dirijo a la feria estatal para disfrutar de una emoción mágica. Durante el año, los recintos feriales están desiertos, pequeños torbellinos de polvo soplan sobre el árido paisaje. Pero cuando la feria está en marcha, los recintos feriales están llenos de actividad. Hay cabinas con orejas de elefante, edificios con animales y demostraciones y también hay atracciones con niños gritando. Es un acto de malabarismo con todas sus partes en movimiento.

La unión de una PCB con señales de alta velocidad implica un acto de malabarismo entre el diseño, los componentes y las señales de alta velocidad. Estas señales de alta velocidad generan líneas de transmisión innecesarias que causan estragos en su tarjeta de circuito. Gran parte del caos ocurre dentro del propio diseño de la PCB.

Saber qué partes del diseño contribuyen a este estrago permite resolverlo durante el diseño de la placa. Saber si las técnicas de diseño que ha aplicado son las mejores prácticas para la integridad de la señal puede descubrirse mediante la realización de largos análisis en lápiz o mediante el uso de herramientas de simulación de la integridad de la señal. Después de leer esto, le dejaré decidir cuál cree que será más efectivo para sus tarjetas.

Herramientas inadecuadas de simulación de integridad de señal

Con herramientas inadecuadas de simulación de la integridad de la señal, la magia se convierte en caos. La calculadora de impedancia devuelve cálculos de impedancia incorrectos. Los cálculos contradicen el apilamiento de capas y la constante dieléctrica del material definido dentro de las reglas de diseño de la PCB. El simulador asume una ruta de retorno para el modelado, por lo que si hay discontinuidades en el plano de tierra, estos no se incluyen en el cálculo. El solucionador de campo 3D devuelve la impedancia calculada para pares diferenciales que están muy equivocados.

La herramienta es simple y no respalda las opciones habituales para el diseño de PCB, teniendo en cuenta las reglas de diseño. Esto incluye reglas y simulaciones para circuitos rígidos-flexibles. Su entorno de simulación produce formas de onda que son difíciles de entender. Para profundizar aún más, se requieren comandos manuales intrincados para evaluar las operaciones ordinarias. Esto es así también para su solucionador de campo 3D. Con una interfaz de usuario que no tiene selecciones comunes para el análisis de pistas eléctricamente largas, no hay seguridad cuando se coloca la tarjeta de circuito para la integridad de la señal de alta velocidad.

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Disipador de tiempo para interpretar los resultados

Se pasan horas clasificando los resultados de la herramienta de simulación para analizar errores evidentes. Moverse por los menús requiere un trabajo meticuloso. El tiempo pasa y cuando se utiliza la calculadora de impedancia revela que se han utilizado los parámetros incorrectos para calcular la impedancia de la pista. Se pierde tiempo para descubrir que los parámetros utilizados por el simulador no coinciden con las reglas de la red establecidas para el diseño de las PCB. ¿Quién lo hubiera imaginado?

Sin los parámetros correctos para la capacitancia intrínseca y la constante dieléctrica del material plano, no hay seguridad de que la impedancia calculada reduzca las reflexiones y la oscilación para señales de alta velocidad.

Las anomalías desconocidas del entorno, como la falta de un archivo de perforación, hacen que el simulador falle. Dada la multitud de editores de PCB y los ajustes necesarios para configurar la simulación, la falta de un archivo de perforación confunde el proceso de configuración. Lleva a cuestionar y a volver a cuestionar los parámetros elegidos que se otorgan a los editores y a los menús de configuración.

Hurgar a través de páginas de ayuda y notas de aplicación derivan en más horas perdidas mientras se analizan herramientas que simulan señales de alta velocidad para la integridad de la señal. Y finalmente , llegar a la forma de onda que ilustra los resultados de la simulación que frecuentemente muestran solo basura. Es frustrante tener herramientas poderosas al alcance de la mano sin interfaces de usuario elegantes que puedan conducirlas adecuadamente hacia mis tarjetas de circuito. A fin de cuentas, la integridad sigue en juego.

Herramientas competentes que identifican y resuelven la integridad

¿No sería genial si la calculadora de impedancia dentro de la herramienta utilizara los parámetros de material establecidos en las reglas de diseño de PCB? Tener información del puerto de la herramienta almacenada en sus reglas generales de diseño para calcular la impedancia genera confianza en que la tarjeta de circuito impreso volverá del fabricante con los componentes y la disposición correctos para complementar el diseño del circuito.

El hecho de que un simulador utilice parámetros de las normas de diseño de la PCB aumenta la confianza en los resultados. Obtener formas de onda que muestren los resultados de la simulación durante la captura esquemática y el diseño de la PCB ayudaría a evolucionar el diseño de forma constructiva, en los días en que los ingenieros y los diseñadores están abordando los problemas de integridad de la señal y las resoluciones. Elimina las conjeturas de la realización del análisis y la aplicación de las mejores prácticas de sus reflexiones en lápiz, esperando a la fabricación de la PCB antes de validar la integridad de la señal.

Altium Designer incorpora análisis preciso de formas de onda

Altium Designer 18 tiene un Editor de fórmula de impedancia dentro del Administrador de apilado de capas de PCB. Se puede acceder fácilmente al Administrador de apilado de capas en el entorno de diseño de la PCB desde el menú desplegable. El Editor de fórmulas de impedancia contiene fórmulas de impedancia de enrutamiento correctas para todas las topologías, desde  microstrip a stripline, incluyendo redes embebidas, dobles y diferenciales. La fórmula por defecto se accede fácilmente dentro del editor para cada topología. Esto permite el acceso directo a la fórmula de cada topología para una fácil modificación dentro de la herramienta. Como alternativa, si es más conveniente, también se puede acceder a la fórmula de impedancia y editarla a través del Query Helper.

^{Editor de fórmulas de impedancia de fácil acceso a través del Administrador de pilas de capas}

Una vez que las impedancias para la reflexión y la oscilación se transmiten a la disposición de la PCB, el simulador de integridad de la señal se puede configurar para analizar el comportamiento de la señal de alta velocidad. El simulador acepta estímulos de señal definidos por el diseñador. El diseñador de PCB también incluye características paramétricas de las redes de señales de alta velocidad, como los valores de sobreimpulso y no subimpulso, los tiempos de vuelo y los límites de la red de suministro.

El simulador utiliza estos valores para mostrar los resultados en la ventana de análisis de forma de onda. La forma de onda resultante muestra problemas de integridad de la señal tales como oscilación, reflexión, interferencia o caída de tensión inducida en las líneas de alta velocidad por características del diseño de la PCB o filtrado discreto. El diseñador de PCB puede ajustar las impedancias a la máxima integridad de la señal y continuar realizando análisis de forma de onda hasta que el diseño esté libre de ruido.

Altium Designer 18 es una herramienta de captura esquemática y diseño de PCB potente y fácil de usar que permite ajustar la impedancia para pistas de alta velocidad mientras trabaja. Su entorno unificado hace que sea fácil de usar, lo que le permite obtener los resultados que necesita para la integridad de la señal dentro de sus diseños antes de que las PCB se envíen a fabricación.

Si está buscando una herramienta EDA que incluya herramientas fáciles de usar para diseñar la disposición de su PCB con el fin de lograr la máxima integridad de la señal, hable con un experto de Altium.