Estrazione di parassiti con un risolutore elettromagnetico nel routing PCB

L' estrazione di parassiti è un compito con cui la comunità dei progettisti di circuiti integrati deve confrontarsi quotidianamente, soprattutto quando le caratteristiche dei gate vengono ridotte al di sotto di ~350 nm e i chip funzionano ad alte velocità di commutazione. Anche la comunità dei PCB deve confrontarsi con questa idea per progettare meglio le reti di erogazione energetica, le interconnessioni con un'impedenza precisa e quantificare correttamente la diafonia e i meccanismi di accoppiamento. Esistono molte applicazioni di terze parti che possono essere utilizzate per estrarre parassiti dal layout per geometrie specifiche, ma i risultati di questi strumenti sono poco pratici da utilizzare nella maggior parte dei software di progettazione.

Perché preoccuparsi dei parassiti in un PCB e come possiamo gestirli durante il processo di progettazione? I parassiti intenzionali e non intenzionali sono interamente responsabili del comportamento del segnale e dell'alimentazione in un PCB. Quando calcoli l'impedenza, in realtà stai calcolando due importanti parassiti e li stai usando come parte del motore di routing. Questi valori possono essere utilizzati anche per prevedere la diafonia, per simulazioni di alimentazione con transitori e oscillazioni o per l'accoppiamento di impulsi ESD in tracce esposte.

Estrazione di elementi parassita per le tracce

Lo stack-up PCB creato determinerà parzialmente gli elementi parassiti che colpiscono i tuoi conduttori. In realtà, non è necessario un field solver complesso per determinare gli elementi parassiti che si presentano nel layout PCB attorno a tracce specifiche. Le tracce posizionate nel layout PCB avranno una capacità parassita naturale e un'induttanza che ne determinano l'impedenza. Tuttavia, se avvicini del rame a una traccia, ci saranno ulteriori capacità e induttanze reciproche che modificheranno l'impedenza di quella traccia. In realtà è possibile determinare questi valori parassitari utilizzando strumenti di calcolo dell'impedenza, nonché alcune formule analitiche che compaiono in letteratura o alcune utility di field solver (Ansys, COMSOL, ecc.).

Per una singola traccia su un PCB (indipendentemente dalla sua larghezza), è possibile ottenere la capacità parassita e l'induttanza attraverso due metodi:

• Calcolo diretto, che richiede un field solver o alcune formule analitiche complesse che puoi trovare negli articoli di riviste
• Calcolo mediante confronto, che prevede il confronto di calcoli di impedenza senza elementi parassiti con calcoli di impedenza della traccia di coppia

Il primo punto, il calcolo diretto, è molto potente e richiede un software costoso. In letteratura si possono trovare anche formule per strutture specifiche, ma si tratta spesso di formule molto complesse che coinvolgono potenzialmente decine di parametri. Anche le formule di accoppiamento reciproco per diverse strutture hanno una generalizzazione molto ridotta.

Il secondo punto, la determinazione mediante confronto, è in realtà relativamente semplice se si hanno a disposizione le formule: si tratta semplicemente di confrontare i valori di impedenza di diversi calcolatori. In pratica è quello che ho fatto in un precedente articolo sulla spaziatura tra la colata di rame e le microstrisce/stripline con impedenza di 50 Ohm: confrontando i valori di impedenza per una larghezza specifica, è possibile determinare quando gli elementi parassiti creano un effetto notevole sull'impedenza.

Nelle sezioni successive, adotterò un approccio simile, ma utilizzerò il field solver in Altium Designer per generare risultati. Utilizzando i risultati dei calcoli di impedenza della traccia single-ended e confrontandoli con altri calcoli di impedenza di traccia, è possibile estrarre rapidamente i valori degli elementi parassiti mediante alcune semplici formule.

Il metodo

Il metodo è semplice e si basa sul confronto tra il calcolo dell'impedenza di una traccia isolata e il calcolo dell'impedenza di una traccia con elementi parassiti. In questo modo potrai calcolare i valori degli elementi parassiti, ovvero la capacità e l'induttanza reciproca. Nota che in questo esempio stiamo utilizzando l'impedenza senza perdite poiché questo è il valore restituito in Altium Designer. Tuttavia, fornisce una stima molto accurata degli elementi parassiti fino a frequenze di GHz.

Considera che qualsiasi applicazione di calcolo (come i calcolatori che ho creato in altri blog) o il Layer Stack Manager in Altium Designer restituirà solo L o L_p. Poiché il numeratore è la costante di propagazione, ora abbiamo 2 equazioni e 2 incognite, in modo che il sistema possa essere risolto per ottenere gli elementi parassiti. Questo modello è stato ricavato dalle equazioni dei telegrafisti ipotizzando un piano o una traccia vicina alla linea in questione, dove il conduttore vicino è tenuto in silenzio.

Puoi trovare i valori di L o L_p nella scheda Impedenza quando crei un profilo di impedenza nel Layer Stack Manager. Puoi vederlo di seguito, dove confronteremo una microstriscia con una microstriscia coplanare: entrambe hanno la stessa larghezza. Questo confronto ci permette di determinare con esattezza la capacità parassita introdotta dalla presenza di un ground pour nelle vicinanze.

Questo risultato mostra che una microstriscia da 14,423 mm di larghezza, su un substrato a 8 mm con Dk = 4,2, posizionata a 8 mm di distanza da un piano vicino avrà una capacità parassita di 64,5 fF e 755 pH di induttanza parassita introdotta dal piano vicino. Ciò è molto più rapido rispetto all'uso di elementi come le impedenze reciproche e quelle automatiche (Matrice dei parametri Z) per una traccia e un'altra struttura.

Traccia singola vicino a un piano

Si tratta di un confronto tra le impedenze di una traccia singola e di una linea complanare con la seguente procedura:

1. Seleziona lo spessore del substrato e la larghezza della traccia per una microstriscia o una stripline. Annota i valori di induttanza e capacità.
2. Imposta la stessa traccia con una linea coplanare. Seleziona una spaziatura grande per l'inizio del ground pour. Annota i valori di induttanza e capacità.
3. Regola la spaziatura del ground pour e calcola l'impedenza.
4. Usa i dati del passaggio 3 e le equazioni precedenti per calcolare l'impedenza e la capacità reciproca.
5. Vai al passaggio 1 e ripeti l'operazione per un nuovo valore di spessore/Dk del substrato.

Durante l'iterazione di una serie di valori in base al passaggio 5, puoi creare un grafico che mostri i valori di induttanza e capacità reciproca, come ho fatto di seguito.

Il grafico seguente mostra i risultati della microstrip per un substrato di 8 mil e 4 mil di spessore con Dk = 4,2; le larghezze delle tracce corrispondenti sono rispettivamente 14 mil e 7 mil. L'idea era quella di mantenere lo stesso rapporto dimensionale larghezza/altezza, poiché questo valore è il principale responsabile della definizione dell'impedenza di una traccia. Nel grafico sottostante possiamo vedere immediatamente che il substrato più sottile fornisce una capacità parassita molto più bassa, quindi prevediamo una diafonia molto più bassa ad alta frequenza.

Verifica se riesci a proseguire con questo processo di variazione dei parametri per estrarre altre tendenze per diversi valori di spessore del substrato e larghezza delle tracce. I risultati qui potrebbero essere implementati anche per le stripline, sia simmetriche che asimmetriche.

In questo caso c'è una chiara soluzione al problema dell'eccessiva capacità parassita nella regione di rame collegata a terra: utilizzare un dielettrico più sottile. Nota che gli effetti sull'induttanza parassita diventano quasi indipendenti dalla distanza del ground pour quando la distanza si riduce, a dimostrazione del fatto che il ground pour non è così utile per sopprimere la diafonia a bassa velocità, ma potrebbe essere molto più utile per sopprimere il rumore ad alta frequenza.

Traccia singola vicina a un'altra traccia (stesse larghezze)

Per le linee accoppiate, è possibile ottenere anche un valore di capacità e induttanza reciproca tra due tracce. Tuttavia, nota che il modello precedente si riferisce a tracce single-ended, mentre noi stiamo lavorando con un modello differenziale, quindi dobbiamo ridurre l'impedenza differenziale restituita di un fattore 2 prima di risolvere le nostre equazioni simultanee per ottenere gli elementi parassiti. Nei risultati riportati di seguito, ho utilizzato gli stessi due tipi di substrato per le tracce microstrip (ancora una volta, Dk = 4,2) e ho iterato la separazione delle tracce per determinare gli elementi parassiti. Considera che ciò non è stato eseguito utilizzando la spaziatura rispetto a qualsiasi getto di rame collegato a terra (non coplanare).

Come nel caso di una microstriscia single-ended, puoi applicare lo stesso tipo di modello e procedura alle stripline. Vediamo induttanze reciproche molto più elevate, come ci aspetteremmo per sezioni del conduttore più strette.

Elementi parassiti e integrità del segnale

Mentre procediamo con questi punti sulla progettazione dell'interconnessione e sulla determinazione dei limiti di densità di traccia accettabili, utilizzerò alcuni di questi risultati per analizzare la diafonia in alcuni prossimi articoli. Questo metodo di confronto è semplice ma potente, e può aiutarti a esaminare il livello al quale gli elementi parassiti inizieranno a creare un effetto di limitazione della banda nelle tracce ad alta velocità/alta frequenza.

Oltre all'impedenza e alla diafonia, l'altra area in cui gli elementi parassiti sono importanti è il routing, in particolare per le coppie differenziali e i segnali ad alta frequenza. Gli elementi parassiti influenzano i segnali in due modi:

• Distorsione delle coppie differenziali: gli elementi parassiti (soprattutto la capacità) su una linea ridurranno la velocità del segnale rispetto all'altra linea, causando una distorsione eccessiva. Ciò potrebbe causare un disallineamento delle frequenze dei margini di ciascun segnale di polarità se la distorsione è eccessiva.
• Risposta di fase nei segnali RF: una variazione della costante di propagazione dovuta agli elementi parassiti può creare una variazione nella risposta di fase di un'interconnessione. Ciò è importante nelle guide d'onda accoppiate ai margini, negli emettitori a layer superficiale, in qualsiasi circuito che si basa sulla risonanza per definire la sua funzione di trasferimento e in tutti questi elementi disposti a cascata. Questo è un argomento molto più avanzato, che insegno nel mio corso di progettazione di interconnessione ad alta frequenza, ma in futuro creerò altri articoli al riguardo.

Per i segnali digitali trasportati su coppie differenziali, la soluzione è semplice: mantenere la simmetria della traccia e intorno alla traccia e imporre la corrispondenza della lunghezza. Sebbene la corrispondenza della lunghezza non debba essere perfetta, gli strumenti CAD rendono molto facile avvicinarsi alla perfezione. È sempre necessario mantenere un certo livello di corrispondenza della lunghezza per garantire che le frequenze dei margini del segnale rimangano sincronizzate con il ricevitore. Noterai che il calcolatore di impedenza fornisce anche un calcolo del ritardo di propagazione che include gli elementi parassiti in modo da poter eseguire la regolazione del ritardo. La regolazione della lunghezza basata sul tempo (nota anche come ritardo di sincronizzazione) ti assicura di avere sempre una struttura di corrispondenza della lunghezza accurata applicata nel layout PCB.

Le funzioni di routing interattivo e creazione di layer stack-up in Altium Designer^® consentono di eseguire una serie di attività di estrazione degli elementi parassiti. È sufficiente utilizzare il field solver di campi elettromagnetici integrato nel Layer Stack Manager per varie geometrie di tracce e seguire i passaggi descritti in precedenza per determinare i parassiti su altre tracce o piani. Una volta che i file e i disegni di fabbricazione della scheda sono pronti per essere inviati al produttore, la piattaforma Altium 365^™ semplifica la collaborazione e la condivisione dei progetti.

Questo è solo un assaggio di tutto ciò che è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Dai un'occhiata alle nostre opzioni di licenza flessibili per Altium Designer + Altium 365 oggi stesso.