Standard IEEE P370 dla szybkich połączeń międzypłytowych PCB

Wysokoprędkościowe połączenia PCB nadal stanowią aktywne wyzwanie w modelowaniu i symulacji, szczególnie przy pracy z sygnałami szerokopasmowymi. Standard IEEE P370 jest krokiem w kierunku rozwiązania problemów, z którymi wielu projektantów mierzy się przy określaniu szerokopasmowych parametrów S dla szybkich struktur do 50 GHz. Chociaż nad tym standardem pracuje się od 2015 roku, ostatecznie został on zatwierdzony przez zarząd i pojawia się jako aktywny projekt standardu.

Więc jakie wyzwania rozwiązuje ten standard i jak skorzystają na nim inżynierowie integralności sygnału? Jeśli jesteś jak ja, podchodzisz do problemów z integralnością sygnału z innej perspektywy niż ktoś taki jak Heidi Barnes czy Jason Ellison. Jedna strona integralności sygnału to przewidywanie na podstawie empirycznych modeli lub analitycznych wzorów, podczas gdy druga strona dotyczy oceny i charakteryzacji na podstawie pomiarów zachowania sygnałów. IEEE P370 adresuje wyzwania po stronie testów i pomiarów, szczególnie w zakresie gromadzenia konkretnych pomiarów z złożonych struktur testowych na PCB.

Zagłębiając się w standard IEEE P370

Standard IEEE P370 dotyczy procedur testowych i pomiarowych służących do charakteryzacji elektrycznych połączeń międzykomponentowych do 50 GHz. Jako część zadań testowych i pomiarowych dla urządzenia poddawanego testom przy wysokich częstotliwościach, każdy instrument musi być połączony z DUT. Instrumenty pracujące na wysokich częstotliwościach, takie jak reflektometry czasowe (TDR) i analizatory sieci wektorowych (VNA), zwykle używają złącza koncentrycznego do uzyskania dokładnych pomiarów, ale wiele rzeczywistych struktur na PCB lub innych pakietach elektronicznych nie jest koncentrycznych, gdy tworzą interfejs z DUT.

Jako część standardu, IEEE P370 ma na celu rozwiązanie wyzwań związanych z modelowaniem i charakteryzacją połączeń w trzech kluczowych obszarach projektowania wysokich prędkości:

• Projektowanie oprzyrządowania testowego. Oprzyrządowanie testowe łączące instrument z DUT (w tym przypadku, elektryczne połączenie międzykomponentowe) powoduje, że zmierzone parametry S DUT różnią się od rzeczywistych parametrów S. To samo dotyczy innych zestawów parametrów używanych w charakteryzacji urządzenia.
• De-embedding. Proces pozyskiwania parametrów S urządzenia poddawanego testom (DUT) odbywa się poprzez de-embedding. Niestety, różne instrumenty i narzędzia programowe mają różne algorytmy do de-embeddingu. Część tego problemu wynika z faktu, że DUT i jego oprzyrządowanie testowe tworzą kaskadową sieć N-portową, a parametry S nie łączą się w taki sam sposób jak parametry ABCD.
• Zapewnienie jakości parametrów S. Trzy główne problemy z jakością parametrów S to zapewnienie wzajemności, pasywności i przyczynowości.

Standardyzując pierwsze dwa punkty, zbliżamy się do pewnej standardyzacji w trzecim punkcie. Ta trzecia dziedzina modelowania szybkich połączeń międzykomponentowych jest obszarem, który pozostaje wyzwaniem nawet dla najbardziej doświadczonych inżynierów ze względu na inherentnie ograniczone pasmo pomiarów szerokopasmowych. IEEE P370 ma na celu rozwiązanie tych niekonsekwencji poprzez rozwiązania przedstawione w poniższej tabeli.

Przyjrzyjmy się bliżej każdemu z tych obszarów, aby zobaczyć, jak wkrótce mogą się zmienić rzeczy dla inżynierów integralności sygnału.

Struktury testowe

Ten obszar standardu IEEE P370 jest podzielony na dwa szerokie obszary: projektowanie struktur testowych i kalibrację. Korzystając ze standaryzowanych struktur testowych i kalibracyjnych, możemy być dość pewni, że dwóch różnych inżynierów z dwoma różnymi (lecz porównywalnymi) instrumentami może uzyskać te same wyniki parametrów S dla danego DUT, używając standardowej procedury. Struktura testowa 2x-thru jest rekomendowana w ramach P370; zapoznaj się z tym artykułem z Signal Integrity Journal, aby dowiedzieć się więcej o strukturze 2x-thru i jej zastosowaniu w de-embedding.

W IEEE P370 znormalizowano dwie struktury, które mogą być używane do kalibracji i weryfikacji de-osadzania układów: struktura liniowa i standardy Beatty'ego. Struktura liniowa to po prostu linia transmisyjna, dla której parametry S mogą być określone na podstawie parametrów ABCD linii. Struktura Beatty'ego to rezonansowa wnęka umieszczona wzdłuż środka linii transmisyjnej, która ma określone spektrum strat zwrotnych i wstawiania dla danej długości. Ta struktura (patrz poniżej) może być umieszczona na kuponie testowym lub prototypie do kalibracji instrumentów, ponieważ jej parametry S są dobrze znane.

De-osadzanie

Procedura de-osadzania wykorzystuje otwartą bibliotekę złotych standardów parametrów S dla standardowych struktur testowych określonych w standardzie IEEE P370. Ponieważ parametry S struktury testowej są znane lub dostarczane przez standard, parametry S struktury testowej mogą być usunięte z parametrów S (DUT + struktura testowa). Daje to tylko parametry S DUT, jak pokazano w poniższym przykładzie.

Jakość parametru S

Jakość macierzy parametrów S jest określona w następujących trzech obszarach:

• Przyczynowość. Przy użyciu do konstrukcji odpowiedzi impulsowej standaryzowanej metody, parametry S nie powinny produkować przyczynowych artefaktów w odpowiedzi czasowej.
• Wzajemność. Jeśli badany DUT jest rzeczywiście wzajemny, wówczas parametry S również muszą być wzajemne, tzn. macierz parametrów S jest równa własnej transpozycji.
• Pasywność. Jest to związane z wzajemnością, ponieważ sieć wzajemna musi być również siecią pasywną. Parametry S muszą być oceniane pod kątem pasywności, co oznacza, że nie są funkcjami siły sygnału wejściowego.

Ustalając limity dla tych metryk jakości, projektanci, którzy otrzymują dane parametrów S dla swoich komponentów lub którzy umieszczają pasywne struktury na swoich PCB, mogą być pewni, że ich symulacje będą dokładne. Rozwiązuje to główny problem niespójnych danych parametrów S.

Umieszczanie Struktur Testowych na Twojej PCB

Standardy opisane tutaj dotyczą jedynie standardów projektowania i analizy jako części testów i pomiarów, które ostatecznie wspomogą symulację w solverach polowych. Gdy będziesz gotowy, aby stworzyć swoją płytkę PCB z pokazanymi tutaj strukturami testowymi, zaawansowane narzędzia do układania PCB, które znajdziesz w Altium Designer®, mogą być użyte do tworzenia dokładnych struktur testowych dla szybkich PCB. Będziesz również mógł szybko przygotować swoje płytki do produkcji i montażu.

Po stworzeniu swojej płytki lub kuponu testowego ze strukturami testowymi zgodnymi z IEEE P370, możesz udostępnić swoje dane projektowe na platformie Altium 365®, co daje Ci łatwy sposób na współpracę z zespołem zdalnym i zarządzanie danymi projektowymi. To tylko wierzchołek góry lodowej tego, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu dla bardziej szczegółowego opisu funkcji lub jednego z Webinarów na Żądanie.