Revisione del design di PCB ad alta velocità: domande sull'integrità del segnale che dovresti sempre fare

Le revisioni del design delle PCB comprendono molte parti di un progetto, che vanno dai circuiti di base alla fabbricabilità. Per i sistemi digitali ad alta velocità, una revisione del design deve essere più specifica e concentrarsi su aree che non sono tipicamente coperte nelle revisioni standard di fabbricabilità. Gli strumenti e il processo richiesti per esaminare completamente un design PCB ad alta velocità per l'integrità del segnale dipendono dalle interfacce esatte presenti nel design, ma confrontare alcune regole empiriche e alcuni calcoli di base può aiutarti a evitare molti dei problemi più semplici di integrità del segnale.

Possono Costruire il Tuo Stackup?

I design ad alta velocità che richiedono il controllo dell'impedenza funzionano correttamente solo quando lo stackup è completamente specificato, sia dal progettista che dal produttore. Sebbene i produttori possano fornire uno stackup PCB standard, non tutti gli stackup standard dei produttori saranno appropriati per i PCB ad alta velocità. Ciò è dovuto a molti fattori, i più comuni sono lo spessore del dielettrico e i valori richiesti per la larghezza delle tracce nei design che necessitano di controllo dell'impedenza. Poiché molti design digitali richiedono l'uso di BGA, inclusi BGA a passo fine, gli stackup standard potrebbero anche non supportare le vie necessarie per instradare in questi componenti.

Questo significa che tu, come progettista, dovrai prendere il controllo sulla progettazione dello stackup del PCB. E come parte della revisione del progetto per il tuo sistema digitale ad alta velocità, dovrai verificare che la fabbrica possa costruire lo stackup che specifichi. Ecco perché diventa importante familiarizzare con i materiali disponibili commercialmente sul mercato, perché puoi specificarli nel tuo progetto di stackup e ottenere una rapida verifica dalla tua fabbrica che possono costruire lo stackup del PCB.

Le calcolazioni dell'impedenza sono accurate?

Questa domanda dipende dalla costruzione dello stackup, quindi deve essere risposta dopo la domanda precedente. Per verificare prima la costruzione dello stackup, produci i tuoi disegni di fabbricazione con una tabella dello stackup, poi controlla lo stackup e il layout del PCB per la larghezza delle tracce e le distanze dopo la verifica del produttore.

Una volta confermata la costruzione dello stackup, ci sono diversi calcolatori che possono essere utilizzati per determinare l'impedenza delle tracce e controllare il progetto rispetto ai dati nel layout del PCB.

• I progettisti possono utilizzare i link dei calcolatori situati su queste pagine collegate:
  • Calcolatore dell'Impedenza Microstrip
  • Calcolatore dell'Impedenza Stripline
  • Calcolatore dell'Impedenza Microstrip Differenziale
  • Calcolatore dell'Impedenza Stripline Differenziale
• Gli utenti di Altium possono utilizzare il calcolatore di impedenza nel Layer Stack Manager
• Strumenti esterni come SI9000 di Polar Instruments possono essere utilizzati
• Simulatori più avanzati e risolutori di campo possono fornire parametri S
• Se nessuna di queste opzioni funziona, è disponibile una varietà di calcolatori online

I valori di larghezza delle tracce e lo spazio per le coppie differenziali dovrebbero essere utilizzati per ottenere una stima dell'impedenza con una di queste opzioni di calcolo aggiuntive. Dovresti poi tornare indietro e verificare ciò per tutte le reti a impedenza controllata nel progetto.

Se stai guardando i file PCB nativi, come in Altium, è probabile che ci sia una classe di rete che puoi selezionare e controllare manualmente la larghezza/lo spazio di tutte le tracce nella classe di rete. Se stai esaminando gli output di produzione, un visualizzatore CAM può fornire i valori di larghezza delle tracce, oppure puoi richiedere i dati al progettista PCB responsabile.

Requisiti di Temporizzazione

I sistemi digitali possono includere una gamma di requisiti di temporizzazione, a seconda dei componenti e dei circuiti presenti nel progetto. In passato, il routing dell'orologio di sistema operava a frequenze più basse e non era sincrono con tutte le interfacce, rendendo i requisiti di temporizzazione a livello di sistema piuttosto difficili. Oggi, le interfacce ad alta velocità utilizzano orologi incorporati o orologi sincroni con la sorgente, spostando i requisiti di temporizzazione dal livello di sistema al livello dell'interfaccia.

Per determinare la funzionalità dell'interfaccia, dobbiamo eseguire una revisione di base delle interfacce parallele, delle interfacce con orologio sincrono con la sorgente e delle interfacce miste con orologi incorporati:

Come possiamo vedere sopra, i requisiti di temporizzazione devono essere verificati sia per le interfacce differenziali che per quelle a singolo terminale, richiedendo un controllo sulla regolazione del ritardo applicata nel progetto.

Distanze tra i conduttori

Le distanze tra i conduttori sono sia un elemento di revisione della fabbricabilità che un elemento di revisione del design di PCB ad alta velocità. In un PCB ad alta velocità, ci preoccupiamo principalmente di due aree:

• Spaziatura tra tracce a singolo terminale e coppie differenziali
• Distanze dal vicino rame coplanare versato (se presente su uno strato di segnale)

Il motivo principale è garantire che il diafonia sia minimizzata poiché un grande spazio tra i conduttori è il modo più semplice per controllare la diafonia.

Determinare la giusta spaziatura traccia-a-traccia per minimizzare la diafonia comporta l'uso di una simulazione, inclusa simulazioni di base che possono essere eseguite con un metodo MoM/BEM nel software di progettazione PCB. Ad esempio, lo strumento di Integrità del Segnale in Altium Designer può essere utilizzato per ottenere una stima di base della diafonia per un specifico tempo di salita. Dopo aver confrontato il risultato con i tuoi margini di rumore nel tuo ricevitore e aver eseguito la simulazione su più strati, puoi identificare una buona stima iniziale per le distanze tra le reti ad alta velocità.

Un semplice esempio con logica a 3.3V che crea diafonia in una traccia vittima è mostrato di seguito, calcolato con lo strumento di Integrità del Segnale in Altium Designer (ora parte di Altium Develop). Il processo per convergere verso un valore ideale di spaziatura delle tracce sarà discusso in altri articoli.

Se non sai come determinare la diafonia tra due tracce o non hai un'applicazione calcolatrice che può fare questi calcoli, puoi impostare un requisito di spaziatura di 3W tra le reti ad alta velocità. Questo è uno spazio abbastanza ampio per la maggior parte dei progetti, inclusi fino a strati molto sottili nei PCB UHDI.

Per la Revisione Finale, le Simulazioni Possono Aiutare

Una revisione della fabbricabilità e una revisione del BOM sono sempre una buona idea, anche nei progetti di PCB ad alta velocità. Ma per le preoccupazioni di integrità del segnale, queste altre revisioni non sono sufficienti per verificare l'integrità del segnale relativa alle aree sopra menzionate. Invece, avrai bisogno di un modo per trasferire rapidamente il tuo progetto in un'applicazione di simulazione in modo che le aree sopra menzionate possano essere verificate.

• Ansys CoDesigner per la simulazione di progettazione in SIwave, HFSS, ecc.
• SI Analyzer di Keysight per la visualizzazione di tempistica e impedenza
• Esportazioni ODB++ per l'uso in Simbeor per esaminare la conformità del canale

Infine, un semplice controllo DRC identificherà i problemi standard di fabbricabilità e le violazioni dei vincoli che impattano tutti i tipi di progetti PCB, inclusi i layout PCB ad alta velocità. Se hai effettuato una cattura approfondita delle capacità del produttore e delle limitazioni di fabbricazione, allora puoi incorporare queste nelle tue regole di progettazione PCB ed eseguire controlli completi quando il layout PCB è completato.

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