Sterowanie impedancją trasowania dla płyt wykonanych w Altium Designer

Wymagania obliczeniowe i aplikacje wymagają przetwarzania danych z szybkością większą niż kiedykolwiek wcześniej. W miarę jak pasma komunikacyjne zaczynają się zapełniać, a na rynek trafiają nowe komponenty, PCB będą musiały pracować z wyższymi prędkościami transmisji danych i częstotliwościami. Aplikacje sieciowe i centra danych, takie jak Ethernet 100G i szybsze, a także zaawansowane protokoły bezprzewodowe, takie jak 5G i 6G, będą kontynuować działanie w zakresie fal milimetrowych i poza nim.

Te fakty oznaczają, że problemy z integralnością sygnału, takie jak przeplot, EMI, dzwonienie i kontrola impedancji, stają się coraz bardziej krytyczne w zaawansowanych projektach PCB. Narzędzia analizy muszą być w stanie zidentyfikować i dostarczyć pewne wglądy w kompensowanie problemów z integralnością sygnału w PCB już na etapie projektowania. Nikt nie chce otrzymać swojej gotowej płyty od producenta, tylko po to, by przetestować ją i odkryć, że wskaźniki błędów bitowych są bardzo wysokie. To właśnie w tym miejscu narzędzia symulacyjne stają się kluczowe, pozwalając znaleźć źródła problemów z integralnością sygnału, zanim Twój produkt trafi na rynek.

Środowisko projektowe w Altium Designer^® teraz obejmuje zaawansowany solver pola 3D, który integruje się z Twoim Menedżerem Stosu Warstw dla dokładnej kontroli impedancji, ekstrakcji pasożytniczej i obliczeń opóźnienia propagacji. Jeśli nie jesteś zaznajomiony z używaniem wzorów impedancji w zaawansowanych metodach optymalizacji, możesz określić geometrię ścieżki, której potrzebujesz do kontrolowanej impedancji za pomocą tego zintegrowanego narzędzia projektowego. Oto jak to działa w opartym na zasadach przepływie pracy projektowej Altium Designer i jak najlepiej wykorzystać zintegrowane narzędzie solvera pola 3D.

Obliczenia Impedancji: Wzory vs. Solvery Pola

W zaawansowanych projektach z sygnałami szerokopasmowymi, takimi jak kanały o wysokiej prędkości transmisji danych na laminatach o niskich stratach, dyspersja w dielektryku jest jednym z problemów w projektach PCB wysokiej prędkości. Wzory impedancji dla standardowych geometrii mogą stanowić świetny punkt wyjścia do określenia szerokości ścieżki, której potrzebujesz do kontrolowanego trasowania impedancji. Najdokładniejsze równania są wyprowadzane z użyciem mapowania konforemnego i wymagają numerycznej techniki do ekstrakcji szerokości ścieżki dla danej impedancji.

Problem z używaniem tych równań polega na tym, że utrudniają one określenie najlepszej szerokości ścieżki do routingu sygnałów szerokopasmowych. Można uwzględnić dyspersję w równaniu impedancji, ale wtedy wyekstrahowana szerokość ścieżki będzie funkcją częstotliwości, co tworzy skomplikowany problem optymalizacyjny w celu określenia najlepszej ścieżki minimalizującej odchylenia od docelowej impedancji. Z tego powodu większość narzędzi do projektowania PCB zmusza do wybrania reprezentatywnej częstotliwości do obliczania szerokości ścieżki (zazwyczaj jest to częstotliwość Nyquista). Inne narzędzia projektowe i kalkulatory online mogą nie uwzględniać tangensu strat, strat skórkowych i pojemności obciążenia podczas obliczania impedancji.

Do tego dochodzą inne problemy występujące podczas projektowania linii transmisyjnych dla sygnałów wysokiej prędkości, takie jak chropowatość miedzi. Lepszą metodą określenia idealnej szerokości ścieżki, która odpowiada docelowej impedancji, jest użycie zintegrowanego rozwiązywacza pola, który uwzględnia rozpraszanie szerokopasmowe, chropowatość miedzi i straty skórkowe. Twój interaktywny router następnie umieści ścieżki o odpowiedniej szerokości, tak aby twoje ścieżki miały zdefiniowaną wartość impedancji, której potrzebujesz.

Ustawianie obliczeń impedancji

Sterowanie impedancją trasowania w Altium Designer wykorzystuje zintegrowany rozwiązywacz pola od Simberian. Rozpoczyna się to po zakończeniu schematów, ale przed rozpoczęciem układania płytki. Powinieneś skonfigurować tę funkcję podczas projektowania układu warstw PCB. Po utworzeniu pustego pliku PcbDoc, możesz przejść do menu „Projekt” i kliknąć „Menadżer Układu Warstw”. Po zakończeniu tworzenia układu warstw, możesz rozpocząć obliczanie impedancji dla różnych par warstw. Aby uzyskać wartość impedancji potrzebną dla różnych par warstw, musisz kliknąć na zakładkę Impedancja na dole okna Menadżera Układu Warstw.

Tworzenie Profili Impedancji

Stąd możesz tworzyć profile impedancji jednostronnej i różnicowej dla różnych par warstw w swoim układzie. Profil impedancji pozwala ustawić określoną impedancję, a narzędzie zwróci szerokość ścieżki, która ustawi impedancję na pożądaną wartość. Dla sygnałów różnicowych, możesz utworzyć profil różnicowy i określić odstęp między parami różnicowymi, a profilator impedancji zwróci potrzebną szerokość ścieżki. Możesz również dostosować odstęp do wartości, którą chcesz, a profilator impedancji dostosuje szerokość ścieżki w odpowiedzi.

Korzystanie z narzędzia profilatora impedancji dla 10-warstwowej PCB w Altium Designer.

Połączona impedancja jednostronna i różnicowa

W przypadku standardów szybkiego sygnału różnicowego często trzeba ustawić impedancję różnicową na określoną wartość, jednocześnie ustawiając impedancję jednostronną każdego z przewodów w parze na własną wartość (Ethernet jest jednym z przykładów). Aby to zrobić, można utworzyć dwa profile impedancji dla odpowiednich sygnałów; jeden jednostronny i drugi różnicowy. Proces ten przebiega w następujący sposób:

1. Utwórz profil impedancji jednostronnej, aby określić wymaganą szerokość dla kontroli impedancji w sieciach jednostronnych.
2. Utwórz profil impedancji różnicowej i ustaw pożądane wartości impedancji i tolerancji.
3. Skopiuj szerokość, którą ustaliłeś z profilu jednostronnego, do profilu różnicowego na tej samej warstwie.
4. Ręcznie dostosuj odstępy, aż impedancja różnicowa osiągnie pożądaną wartość.

Obraz poniżej pokazuje ten typ kontroli impedancji, gdzie impedancja różnicowa i jednostronna dla profilu różnicowego są dopasowane odpowiednio do 85 omów i 50 omów.

Definiowanie profili trasowania z kontrolowaną impedancją jednostronną i różnicową w Altium Designer.

Teraz, gdy odpowiednie profile impedancji zostały zdefiniowane, nadszedł czas, aby włączyć je jako zasady projektowe dla trasowania z kontrolowaną impedancją.

Używanie zasad projektowych do kontroli impedancji

Pojedyncze sieci

Reguły projektowania, które zdefiniujesz dalej, określą wymaganą szerokość, aby utrzymać żądaną impedancję. Aby rozpocząć konfigurację reguł projektowych, otwórz „Edytor reguł i ograniczeń PCB”. Kliknij w menu „Projekt” a następnie wybierz opcję „Reguły”. Jeśli spojrzysz na listę po lewej stronie edytora, zobaczysz wpis „Routing”. Kliknij w opcję Routing -> Szerokość. Na poniższym obrazie włączony jest profil impedancji pojedynczej sieci (profil o nazwie S50), co zmusi router do umieszczania ścieżek o szerokości zdefiniowanej w profilu impedancji.

Ustawianie sterowania impedancją w Altium Designer.

Istnieją dwa ważne punkty w tym oknie dialogowym. Po pierwsze, możesz zdecydować się na zastosowanie kontroli impedancji do ścieżek na konkretnych warstwach sygnałowych lub z określonymi sieciami sygnałowymi. Tutaj zastosowano to do "NetR_BIAS_1", która jest pojedynczą siecią (wybraną blisko góry okna dialogowego). Po drugie, możesz również zastosować profil impedancji jako ogólną regułę projektową do wszystkich sieci na wszystkich warstwach, wybierając opcję "Wszystkie sieci". Możesz również zastosować tę opcję do klasy sieci, co automatycznie zastosuje regułę do wielu sieci w jednej klasie.

Należy zauważyć, że w tabeli na dole okna dialogowego można zobaczyć, które warstwy są aktywne w profilu impedancji. Tutaj, reguła będzie stosowana tylko do TopLayer i BottomLayer podczas trasowania. Aby aktywować inne warstwy sygnałowe, wróć do Menedżera Stosu Warstw i otwórz zakładkę Impedancji. Stąd możesz aktywować inne warstwy, na których chcesz egzekwować tę regułę projektową.

Pary Różnicowe

Aby zastosować profil impedancji różnicowej, przejdź do opcji Trasowanie -> Trasowanie Par Różnicowych w edytorze Reguł i Ograniczeń PCB. Stąd możesz aktywować profil impedancji różnicowej, który skonfigurowałeś w menedżerze stosu warstw. W tym przypadku, gdy używasz interaktywnego trasowania dla par różnicowych, trasownik będzie wymuszał wymaganą szerokość ścieżki i odstępy, które zdefiniowałeś w profilu impedancji.

Na poniższym obrazie przedstawiono Edytor Reguł i Ograniczeń PCB, gdzie zastosowano profil impedancji różnicowej, aby ustawić impedancję wszystkich par w Klasie Par Różnicowych na 90 omów.

Tak jak reguła może być egzekwowana na konkretnych pojedynczych sieciach lub klasach sieci, kontrola impedancji różnicowej może być egzekwowana na konkretnych parach różnicowych lub klasach par różnicowych, jak pokazano powyżej. Możesz wybrać konkretne sieci lub klasy, na które będzie miała zastosowanie ta reguła, na górze okna dialogowego Zasady i Ograniczenia PCB. Możesz również włączyć konkretne warstwy, na których będzie egzekwowana reguła kontroli impedancji różnicowej, tak jak to zostało zrobione dla pojedynczych sieci.

Czas Rozpocząć Trasowanie

Teraz, gdy stos warstw jest zakończony, a kontrola impedancji jest włączona przez twoje zasady projektowe, możesz rozpocząć trasowanie w układzie PCB. Korzystając z interaktywnego trasowania, zauważysz, że na pasku statusu na dole ekranu pojawia się "[Szerokość Od: Preferowana Zasada]", gdy trasujesz. Twoje ścieżki pojawią się na płytce z predefiniowaną szerokością (i zdefiniowanym odstępem dla par różnicowych).

Kontrola impedancji automatycznie definiuje szerokość twojej ścieżki podczas trasowania

Podczas korzystania z narzędzi trasowania na sieciach z kontrolowaną impedancją (zarówno jedno-, jak i różnicowych), narzędzie trasowania będzie automatycznie priorytetowo traktować szerokość ustawioną w zasadach projektowania. Nie ma potrzeby ręcznej regulacji szerokości. Jednakże, jeśli chcesz zastosować inną szerokość, istnieje kilka opcji, takich jak definiowanie alternatywnych ograniczeń priorytetowych według warstwy lub definiowanie ograniczeń opartych na pomieszczeniach dla określonych sieci. Pozwoliłoby to na zmianę ograniczenia szerokości w różnych regionach PCB, które byłoby automatycznie stosowane przez interaktywny router.

Ostatecznie, trasowanie z kontrolowaną impedancją na twojej płytce PCB nie jest dokładne, dopóki nie przeprowadzisz symulacji integralności sygnału, aby określić odpowiednią szerokość dla twoich ścieżek. Niektóre z tych aspektów można zbadać w Altium Designer, podczas gdy inne wymagają zewnętrznej aplikacji oprogramowania. Niektóre z ważnych metryk integralności sygnału, które możesz rozważyć, to:

• Forma fali odbicia TDR
• Forma fali odpowiedzi pojedynczego bitu
• Parametry S (S11 i S21)
• Diagramy oka dla wysokich szybkości danych szeregowych
• Konwersja trybu (dla par różnicowych)

W Altium Designer można zbadać duże niedopasowania impedancji na końcu odbiornika połączenia międzyukładowego, analizując przebieg odbicia. Będzie to pojedynczy przebieg odpowiedzi wspomniany powyżej. Pozwala to na identyfikację dzwonienia i potencjalnego ryzyka przekroczenia górnych/dolnych granic zakresów napięciowych dla stanu logicznego WYSOKIEGO. Prawidłowe wykonanie tego zadania wymaga dokładnego opisania interfejsu dla twoich pinów sygnałowych, co z kolei wymaga znajomości rodziny logicznej pina lub użycia modelu IBIS. Niektórzy producenci udostępniają modele IBIS do pobrania i wykorzystania w analizatorach integralności sygnału w dziedzinie czasu, takich jak funkcja Analizy Integralności Sygnału w Altium Designer.

Reguły napędzające silnik projektowy w Altium Designer ułatwiają implementację schematu trasowania z kontrolowaną impedancją. Jeśli masz istniejący projekt, który ma problemy z integralnością sygnału, symulator integralności sygnału może iterować przez możliwe schematy zakończeń i pokazać wyniki, pozwalając wybrać odpowiedni schemat zakończenia ścieżek.

Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej o narzędziach do trasowania i integralności sygnału w Altium Designer.