Revisión de Diseño de PCB de Alta Velocidad: Preguntas de Integridad de Señal que Siempre Deberías Hacer

Las revisiones de diseño de PCB abarcan muchas partes de un diseño, desde circuitos básicos hasta la fabricabilidad. Para sistemas digitales de alta velocidad, una revisión de diseño necesita ser más específica y enfocarse en áreas que típicamente no se cubren en revisiones de fabricabilidad estándar. Las herramientas y el proceso requerido para revisar completamente un diseño de PCB de alta velocidad para la integridad de señal dependen de las interfaces exactas presentes en el diseño, pero comparar con algunas reglas básicas y algunos cálculos básicos puede ayudarte a evitar muchos de los problemas más simples de integridad de señal.

¿Pueden Construir Tu Apilado?

Los diseños de alta velocidad que requieren control de impedancia solo funcionan correctamente cuando el apilado está completamente especificado, ya sea por el diseñador o el fabricante. Aunque los fabricantes pueden proporcionar un apilado estándar de PCB, no todos los apilados estándar de los fabricantes serán apropiados para PCBs de alta velocidad. Esto se debe a muchos factores, siendo los más comunes el grosor del dieléctrico y los valores requeridos de ancho de traza en diseños que necesitan control de impedancia. Como muchos diseños digitales requieren el uso de BGAs, incluyendo BGAs de paso fino, los apilados estándar también podrían no soportar las vías requeridas para enrutar hacia estos componentes.

Esto significa que usted, como diseñador, tendrá que tomar control sobre el diseño del apilado de la PCB. Y como parte de la revisión del diseño para su sistema digital de alta velocidad, tendrá que verificar que la casa de fabricación pueda construir el apilado que usted especifica. Es por esto que se vuelve importante familiarizarse con los materiales comercialmente disponibles en el mercado, porque puede especificar estos en su diseño de apilado y obtener una verificación rápida de su casa de fabricación de que pueden construir el apilado de la PCB.

¿Son Precisos los Cálculos de Impedancia?

Debido a que esta pregunta depende de la construcción del apilado, tiene que ser respondida después de la pregunta anterior. Para primero verificar la construcción del apilado, produzca sus impresiones de fabricación con una tabla de apilado primero, luego verifique el apilado y el diseño de la PCB para el ancho de las pistas y las separaciones después de la verificación del fabricante.

Una vez que la construcción del apilado está confirmada, hay varios calculadores que se pueden usar para determinar la impedancia de las pistas y verificar el diseño contra los datos en el diseño de la PCB.

• Los diseñadores pueden usar los enlaces de calculadoras ubicados en estas páginas vinculadas:
  • Calculadora de Impedancia de Microstrip
  • Calculadora de Impedancia de Stripline
  • Calculadora de Impedancia Diferencial de Microstrip
  • Calculadora de Impedancia Diferencial de Stripline
• Los usuarios de Altium pueden utilizar el calculador de impedancia en el Administrador de Capas
• Utilidades externas como SI9000 de Polar Instruments pueden ser utilizadas
• Simuladores más avanzados y solucionadores de campo pueden proporcionar parámetros S
• Si ninguna de estas opciones funciona, hay una variedad de calculadoras en línea disponibles

Los valores de ancho de traza y el espaciado para pares diferenciales, deben ser utilizados para obtener una estimación de la impedancia con una de estas opciones adicionales de calculadora. Luego, deberías volver y verificar esto para todas las redes controladas por impedancia en el diseño.

Si estás mirando los archivos PCB nativos, como en Altium, probablemente haya una clase de red que puedes seleccionar y verificar manualmente el ancho/espaciado de todas las trazas en la clase de red. Si estás revisando salidas de fabricación, un visor CAM puede dar los valores de ancho de traza, o puedes solicitar los datos del diseñador de PCB responsable.

Requisitos de Tiempo

Los sistemas digitales pueden incluir una gama de requisitos de temporización, dependiendo de los componentes y circuitos en el diseño. En el pasado, el enrutamiento del reloj del sistema era a frecuencias más bajas y no estaba sincronizado con todas las interfaces, lo que hacía que los requisitos de temporización a nivel del sistema fueran bastante difíciles. Hoy en día, las interfaces de alta velocidad utilizan relojes integrados o relojes sincronizados con la fuente, lo que traslada los requisitos de temporización del nivel del sistema al nivel de la interfaz.

Para determinar la funcionalidad de la interfaz, necesitamos realizar una revisión básica de las interfaces paralelas, las interfaces con reloj sincronizado con la fuente y las interfaces mixtas con relojes integrados:

Como podemos ver arriba, los requisitos de temporización necesitan ser verificados tanto para interfaces diferenciales como de extremo único, requiriendo una comprobación del ajuste de retraso aplicado en el diseño.

Distancias de Aislamiento entre Conductores

Las distancias de aislamiento entre conductores son tanto un elemento de revisión de fabricabilidad como un elemento de revisión de diseño de PCB de alta velocidad. En un PCB de alta velocidad, nos preocupamos principalmente por dos áreas:

• Espaciado entre trazas de extremo único y pares diferenciales
• Distancias de aislamiento hacia el cobre coplanar cercano (si está presente en una capa de señal)

La razón principal es asegurar que el acoplamiento cruzado sea minimizado ya que un gran espaciado entre conductores es la manera más fácil de controlar el acoplamiento cruzado.

Determinar el espaciado correcto entre trazas para minimizar el acoplamiento cruzado involucra el uso de una simulación, incluyendo simulaciones básicas que pueden realizarse con un método MoM/BEM en su software de diseño de PCB. Por ejemplo, la herramienta de Integridad de Señal en Altium Designer puede usarse para obtener una estimación básica del acoplamiento cruzado para un tiempo de subida específico. Después de comparar el resultado con sus márgenes de ruido en su receptor y realizar la simulación en múltiples capas, puede identificar una buena estimación inicial para las distancias de aislamiento entre redes de alta velocidad.

Un ejemplo simple con lógica de 3.3V creando diafonía en una pista víctima se muestra a continuación, el cual fue calculado con la herramienta de Integridad de Señal en Altium Designer (ahora parte de Altium Develop). El proceso para converger a un valor ideal de espaciado de pistas se discutirá en otros artículos.

Si no sabe cómo determinar la diafonía entre dos pistas o no tiene una aplicación de calculadora que pueda hacer estos cálculos, puede establecer un requisito de espaciado de 3W entre redes de alta velocidad. Este es un espaciado lo suficientemente grande para la mayoría de los diseños, incluyendo hasta capas muy delgadas en PCBs UHDI.

Para la Revisión Final, las Simulaciones Pueden Ayudar

Una revisión de fabricabilidad y revisión de BOM siempre son una buena idea, incluso en diseños de PCB de alta velocidad. Pero para preocupaciones de integridad de señal, estas otras revisiones son insuficientes para verificar la integridad de señal relacionada con las áreas mencionadas anteriormente. En su lugar, necesitará una manera de trasladar rápidamente su diseño a una aplicación de simulación para que las áreas mencionadas anteriormente puedan ser verificadas.

• Ansys CoDesigner para simulación de diseño en SIwave, HFSS, etc.
• SI Analyzer de Keysight para visualización de tiempo e impedancia
• Exportaciones ODB++ para uso en Simbeor para examinar la conformidad del canal

Finalmente, una simple verificación de DRC identificará problemas estándar de fabricabilidad y violaciones de restricciones que impactan todos los tipos de diseños de PCB, incluyendo un diseño de PCB de alta velocidad. Si has realizado una captura exhaustiva de las capacidades del fabricante y las limitaciones de fabricación, entonces puedes incorporar estas en tus reglas de diseño de PCB y realizar comprobaciones exhaustivas cuando el diseño del PCB esté completado.

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