Lo standard IEEE P370 per gli interconnettori ad alta velocità su PCB

Le interconnessioni PCB ad alta velocità continuano a rappresentare una sfida attiva nella modellazione e simulazione, in particolare quando si trattano segnali a banda larga. Lo standard IEEE P370 rappresenta un passo avanti nell'affrontare le sfide incontrate da molti progettisti nel determinare i parametri S a banda larga per strutture ad alta velocità fino a 50 GHz. Sebbene questo standard sia in lavorazione dal 2015, ha finalmente ottenuto l'approvazione del consiglio ed è apparso come uno standard attivo in bozza.

Quindi, quali sono le sfide affrontate da questo standard e come ne beneficeranno gli ingegneri dell'integrità del segnale? Se sei come me, affronti i problemi di integrità del segnale da una prospettiva diversa rispetto a qualcuno come Heidi Barnes o Jason Ellison. Un aspetto dell'integrità del segnale riguarda la previsione da modelli empirici o formule analitiche, mentre l'altro aspetto riguarda la valutazione e la caratterizzazione a partire dalle misurazioni del comportamento del segnale. Lo standard IEEE P370 affronta le sfide sul lato dei test e delle misurazioni, in particolare per quanto riguarda la raccolta di misurazioni specifiche da strutture di test complesse su PCB.

Approfondimento dello Standard IEEE P370

Lo standard IEEE P370 riguarda le procedure di test e misurazione per la caratterizzazione degli interconnettori elettrici fino a 50 GHz. Come parte dei compiti di test e misurazione per un dispositivo in prova a frequenze elevate, qualsiasi strumento deve interfacciarsi con il DUT. Strumenti ad alta frequenza come i riflettometri nel dominio del tempo (TDR) e gli analizzatori di reti vettoriali (VNA) utilizzano tipicamente un connettore coassiale per raccogliere misurazioni accurate, ma molte strutture reali su un PCB o altri pacchetti elettronici non sono coassiali una volta che creano un'interfaccia con il DUT.

Nell'ambito dello standard, IEEE P370 mira ad affrontare le sfide di modellazione e caratterizzazione degli interconnettori in tre aree chiave della progettazione ad alta velocità:

• Progettazione del dispositivo di test. I dispositivi di test che si interfacciano tra uno strumento e il DUT (in questo caso, un interconnettore elettrico) causano che i parametri S misurati del DUT siano diversi dai veri parametri S. Lo stesso vale per altri insiemi di parametri utilizzati nella caratterizzazione del dispositivo.
• De-embedding. Il processo per recuperare gli S-parametri del DUT avviene tramite il de-embedding. Sfortunatamente, diversi strumenti e software utilizzano algoritmi differenti per il de-embedding. Parte del problema è che un DUT e i suoi dispositivi di test formano una rete a N porte in cascata, e gli S-parametri non si concatenano in modo così semplice come i parametri ABCD.
• Garantire la qualità degli S-parametri. I tre principali problemi nella qualità degli S-parametri sono garantire la reciprocità, la passività e la causalità.

Standardizzando i primi due punti, ci avviciniamo a una certa standardizzazione anche nel terzo punto. Questo terzo ambito di modellazione di interconnessioni ad alta velocità rimane una sfida anche per gli ingegneri più esperti a causa della natura intrinsecamente limitata in banda delle misurazioni in banda larga. IEEE P370 mira ad affrontare queste incongruenze con le soluzioni riportate nella seguente tabella.

Esaminiamo da vicino ciascuna di queste aree per vedere come le cose potrebbero presto cambiare per gli ingegneri dell'integrità del segnale.

Strutture di Test

Questa area dello standard IEEE P370 è divisa in due ampie aree: progettazione della struttura di test e calibrazione. Utilizzando strutture di test e di calibrazione standardizzate, possiamo essere ragionevolmente sicuri che due ingegneri diversi con due strumenti diversi (ma comparabili) possano produrre gli stessi risultati dei parametri S per un dato DUT utilizzando una procedura standard. La struttura di test 2x-thru è raccomandata sotto P370; dai un'occhiata a questo articolo del Signal Integrity Journal per saperne di più sulla struttura 2x-thru e su come viene utilizzata nel de-embedding.

Ci sono due strutture standardizzate nell'IEEE P370 che possono essere utilizzate per la calibrazione e la verifica del de-embedding delle fixture: le strutture line e Beatty. La struttura line è semplicemente una linea di trasmissione, per cui gli S-parametri possono essere determinati dai parametri ABCD della linea. La struttura Beatty è una cavità risonante situata al centro di una linea di trasmissione, che presenta uno specifico spettro di perdita di ritorno e di inserzione per una data lunghezza. Questa struttura (vedi sotto) può essere posizionata su un coupon di test o un prototipo per la calibrazione degli strumenti poiché i suoi S-parametri sono ben noti.

De-embedding

La procedura di de-embedding utilizza una libreria ad accesso aperto di S-parametri standard d'oro per strutture di test standard specificate nello standard IEEE P370. Poiché gli S-parametri delle strutture di test sono noti o forniti dallo standard, gli S-parametri della struttura di test possono essere rimossi dagli S-parametri (DUT + struttura di test). Ciò fornisce solo gli S-parametri del DUT, come mostrato nell'esempio sottostante.

Qualità degli S-parametri

La qualità di una matrice di S-parametri è definita nelle seguenti tre aree:

• Causalità. Quando utilizzata per costruire una risposta impulsiva con un metodo standardizzato, i parametri S non dovrebbero produrre artefatti causali nella risposta nel dominio del tempo.
• Reciprocità. Se il DUT in questione è effettivamente reciproco, allora i parametri S devono essere anch'essi reciproci, ovvero la matrice dei parametri S è uguale alla sua trasposta.
• Passività. Questo è correlato alla reciprocità nel senso che una rete reciproca deve essere anche una rete passiva. I parametri S devono essere valutati per la passività, il che significa che non sono funzioni della forza del segnale di ingresso.

Impostando limiti su queste metriche di qualità, i progettisti che ricevono dati dei parametri S per i loro componenti o che collocano strutture passive sui loro PCB possono essere sicuri che le loro simulazioni saranno accurate. Questo risolve un grosso problema di dati dei parametri S inconsistenti.

Posizionamento di Strutture di Test sul Tuo PCB

Gli standard qui delineati sono soltanto standard di progettazione e analisi come parte dei test e delle misurazioni, che alla fine aiuteranno la simulazione nei risolutori di campo. Quando sei pronto per creare il tuo PCB con le strutture di test mostrate qui, le avanzate utility di layout PCB che troverai in Altium Designer possono essere utilizzate per creare strutture di test accurate per PCB ad alta velocità. Sarai anche in grado di preparare rapidamente le tue schede per la produzione e l'assemblaggio.

Una volta che hai creato la tua scheda o coupon di test con strutture di test conformi a IEEE P370, puoi condividere i tuoi dati di progettazione sulla piattaforma Altium 365, offrendoti un modo semplice per lavorare con un team remoto e gestire i tuoi dati di progettazione. Abbiamo appena sfiorato la superficie di ciò che è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Puoi controllare la pagina del prodotto per una descrizione delle funzionalità più approfondita o uno dei Webinar On-Demand.