Przegląd projektowania PCB wysokiej prędkości: pytania dotyczące integralności sygnału, które zawsze powinieneś zadawać

Przeglądy projektów PCB obejmują wiele aspektów projektu, począwszy od podstawowych obwodów aż po możliwości produkcyjne. W przypadku systemów cyfrowych o wysokiej prędkości przegląd projektu musi być bardziej szczegółowy i skupiać się na obszarach, które zwykle nie są uwzględniane w standardowych przeglądach możliwości produkcyjnych. Narzędzia i proces wymagane do pełnego przeglądu projektu PCB o wysokiej prędkości pod kątem integralności sygnału zależą od dokładnych interfejsów obecnych w projekcie, ale porównanie z pewnymi ogólnymi zasadami i podstawowe obliczenia mogą pomóc uniknąć wielu prostszych problemów z integralnością sygnału.

Czy mogą zbudować Twój układ warstw?

Projekty o wysokiej prędkości, które wymagają kontroli impedancji, funkcjonują poprawnie tylko wtedy, gdy układ warstw jest w pełni określony, zarówno przez projektanta, jak i producenta. Chociaż producenci mogą zapewnić standardowy układ warstw PCB, nie wszystkie standardowe układy warstw producentów będą odpowiednie dla PCB o wysokiej prędkości. Wynika to z wielu czynników, najczęstszymi są grubość dielektryka i wymagane wartości szerokości ścieżek w projektach wymagających kontroli impedancji. Ponieważ wiele cyfrowych projektów wymaga użycia BGA, w tym BGA o małym rozstawie, standardowe układy warstw mogą również nie wspierać via wymaganych do prowadzenia ścieżek do tych komponentów.

Oznacza to, że jako projektant będziesz musiał przejąć kontrolę nad projektowaniem układu warstw PCB. A jako część przeglądu projektu dla twojego systemu cyfrowego wysokiej prędkości, będziesz musiał zweryfikować, czy zakład produkcyjny może zbudować układ warstw, który określisz. Dlatego ważne jest, aby zapoznać się z dostępnymi na rynku materiałami komercyjnymi, ponieważ możesz je określić w swoim projekcie układu warstw i szybko uzyskać weryfikację od zakładu produkcyjnego, że mogą zbudować układ warstw PCB.

Czy obliczenia impedancji są dokładne?

Ponieważ to pytanie zależy od konstrukcji układu warstw, należy na nie odpowiedzieć po poprzednim pytaniu. Aby najpierw zweryfikować konstrukcję układu warstw, wyprodukuj swoje wydruki fabrykacyjne z tabelą układu warstw, a następnie sprawdź układ warstw i układ PCB pod kątem szerokości ścieżek i odstępów po weryfikacji przez producenta.

Po potwierdzeniu konstrukcji układu warstw, istnieje kilka kalkulatorów, które można użyć do określenia impedancji ścieżek i sprawdzenia projektu w stosunku do danych w układzie PCB.

• Projektanci mogą użyć linków do kalkulatorów znajdujących się na tych połączonych stronach:
  • Kalkulator impedancji mikropaska
  • Kalkulator impedancji stripline
  • Kalkulator impedancji różnicowej mikropaska
  • Kalkulator impedancji różnicowej stripline
• Użytkownicy Altium mogą korzystać z kalkulatora impedancji w Layer Stack Manager
• Zewnętrzne narzędzia takie jak SI9000 od Polar Instruments mogą być używane
• Bardziej zaawansowane symulatory i rozwiązania polowe mogą dostarczać parametry S
• Jeśli żadna z tych opcji nie działa, dostępna jest różnorodność kalkulatorów online

Wartości szerokości ścieżek oraz odstępy dla par różnicowych powinny być użyte do oszacowania impedancji za pomocą jednej z tych dodatkowych opcji kalkulatora. Następnie należy wrócić i sprawdzić to dla wszystkich sieci z kontrolowaną impedancją w projekcie.

Jeśli oglądasz natywne pliki PCB, takie jak w Altium, prawdopodobnie istnieje klasa sieci, którą możesz wybrać i ręcznie sprawdzić szerokość/odstępy wszystkich ścieżek w klasie sieci. Jeśli przeglądasz wyjścia produkcyjne, przeglądarka CAM może podać wartości szerokości ścieżek, lub możesz poprosić o te dane odpowiedzialnego projektanta PCB.

Wymagania czasowe

Układy cyfrowe mogą obejmować różne wymagania czasowe, w zależności od komponentów i obwodów w projekcie. W przeszłości, trasowanie zegara systemowego odbywało się na niższych częstotliwościach i nie było zsynchronizowane ze wszystkimi interfejsami, co czyniło wymagania czasowe na poziomie systemu dość trudnymi. Dzisiaj, wysokoprędkościowe interfejsy używają zegarów wbudowanych lub zegarów synchronicznych z źródłem, co przenosi wymagania czasowe z poziomu systemu na poziom interfejsu.

Aby określić funkcjonalność interfejsu, musimy przeprowadzić podstawowy przegląd interfejsów równoległych, interfejsów z zegarem synchronicznym ze źródłem oraz mieszanych interfejsów z zegarami wbudowanymi:

Jak widać powyżej, wymagania czasowe muszą być weryfikowane zarówno dla interfejsów różnicowych, jak i jednokierunkowych, wymagając sprawdzenia dostrojenia opóźnienia zastosowanego w projekcie.

Odstępy między przewodnikami

Odstępy między przewodnikami są zarówno elementem przeglądu pod kątem wykonalności produkcyjnej, jak i przeglądu projektu szybkiej płytki PCB. W przypadku szybkich PCB koncentrujemy się przede wszystkim na dwóch obszarach:

• Odstępy między ścieżkami single-ended oraz parami różnicowymi
• Odstępy od pobliskich wylewek miedzi współpłaszczyznowej (jeśli występują na warstwie sygnałowej)

Głównym powodem jest minimalizacja przesłuchów (crosstalk), ponieważ duże odstępy między przewodnikami są najprostszym sposobem kontrolowania tego zjawiska.

Określenie odpowiedniego odstępu między ścieżkami w celu minimalizacji przesłuchów wymaga zastosowania symulacji, w tym podstawowych symulacji możliwych do wykonania metodą MoM/BEM w oprogramowaniu do projektowania PCB. Na przykład narzędzie Signal Integrity w Altium Designer może zostać użyte do uzyskania wstępnego oszacowania przesłuchów dla określonego czasu narastania sygnału. Po porównaniu wyników z marginesami szumowymi w odbiorniku oraz przeprowadzeniu symulacji na wielu warstwach można określić dobre wstępne oszacowanie odstępów między sieciami wysokiej prędkości.

Poniżej przedstawiono prosty przykład logiki 3,3 V powodującej przesłuch w ścieżce „ofiary”, obliczony za pomocą narzędzia Signal Integrity w Altium Designer (obecnie część Altium Develop). Proces dochodzenia do optymalnej wartości odstępu między ścieżkami zostanie omówiony w innych artykułach.

Jeśli nie wiesz, jak określić przesłuch między dwiema ścieżkami lub nie posiadasz kalkulatora umożliwiającego wykonanie takich obliczeń, możesz przyjąć zasadę odstępu 3W między sieciami wysokiej prędkości. Jest to wystarczająco duży odstęp dla większości projektów, w tym także dla bardzo cienkich warstw w płytkach UHDI PCB.

W końcowym przeglądzie pomocne są symulacje

Przegląd pod kątem wykonalności produkcyjnej oraz przegląd BOM to zawsze dobry pomysł, nawet w projektach szybkich PCB. Jednak w przypadku zagadnień związanych z integralnością sygnału takie przeglądy są niewystarczające do weryfikacji aspektów opisanych powyżej. Zamiast tego potrzebne jest narzędzie umożliwiające szybkie przeniesienie projektu do aplikacji symulacyjnej, aby zweryfikować te obszary.

• Ansys CoDesigner do symulacji projektu w SIwave, HFSS itp.
• SI Analyzer by Keysight do wizualizacji czasów propagacji i impedancji
• Eksport ODB++ do wykorzystania w Simbeor w celu analizy zgodności kanału

Na koniec proste sprawdzenie DRC pozwoli zidentyfikować standardowe problemy produkcyjne oraz naruszenia ograniczeń wpływające na wszystkie typy projektów PCB, w tym na układ szybkiej płytki PCB. Jeśli dokładnie zebrano informacje o możliwościach producenta i ograniczeniach technologicznych, można uwzględnić je w regułach projektowych PCB i przeprowadzić kompleksową weryfikację po zakończeniu projektowania układu PCB.

Niezależnie od tego, czy tworzysz niezawodną elektronikę mocy, czy zaawansowane systemy cyfrowe, Altium Develop łączy wszystkie dziedziny w jedną współpracującą całość. Bez silosów. Bez ograniczeń. To miejsce, w którym inżynierowie, projektanci i innowatorzy pracują razem, tworząc bez barier. Wypróbuj Altium Develop już dziś!