Ekstrakcja pasożytnicza za pomocą rozwiązującego zagadnienia elektromagnetyczne w trasowaniu PCB

Ekstrakcja pasożytów: społeczność projektantów układów scalonych musi codziennie mierzyć się z tym zadaniem, szczególnie gdy cechy bramek są zmniejszane poniżej ~350 nm, a układy pracują z wysokimi prędkościami przełączania. Społeczność PCB również musi zmagać się z tym zagadnieniem, aby lepiej projektować sieci dostarczania energii, połączenia o precyzyjnej impedancji oraz właściwie kwantyfikować przeploty i mechanizmy sprzężenia. Istnieje wiele aplikacji stron trzecich, które mogą być używane do ekstrakcji pasożytów z układu dla określonych geometrii, ale wyniki z tych narzędzi są niepraktyczne do użycia w większości oprogramowania projektowego.

Dlaczego należy martwić się o pasożyty w PCB i jak możemy sobie z nimi radzić w procesie projektowym? Pasożyty zamierzone i niezamierzone są całkowicie odpowiedzialne za zachowanie sygnałów i mocy w PCB. Kiedy obliczasz impedancję, naprawdę obliczasz dwa ważne pasożyty i używasz ich jako część silnika trasowania. Możesz również użyć tych wartości do takich rzeczy jak prognozowanie przeplotów, symulacje mocy obejmujące transjenty i dzwonienie, czy nawet sprzężenie impulsów ESD do wystawionych ścieżek.

Ekstrakcja pasożytów dla Twoich ścieżek

Układ warstw PCB, który tworzysz, częściowo określa pasożytnicze elementy, które wpływają na Twoje przewodniki. W rzeczywistości nie potrzebujesz skomplikowanego rozwiązania do rozwiązywania pól, aby określić pasożytnictwo, które pojawia się w układzie PCB wokół konkretnych ścieżek. Ścieżki, które umieszczasz w układzie PCB, będą miały pewną naturalną pasożytniczą pojemność i indukcyjność, które określają ich impedancję. Jednakże, jeśli przybliżysz nieco miedź do ścieżki, pojawi się dodatkowa wzajemna pojemność i indukcyjność, które zmodyfikują impedancję ścieżki. W rzeczywistości możliwe jest określenie tych wartości pasożytniczych za pomocą narzędzi do obliczania impedancji, jak również pewnych analitycznych wzorów w literaturze lub narzędzi do rozwiązywania pól (Ansys, COMSOL itp.).

Dla pojedynczej ścieżki na PCB (niezależnie od jej szerokości) można uzyskać pasożytniczą pojemność i indukcyjność na dwa sposoby:

• Obliczenie bezpośrednie, wymagające rozwiązania pola lub pewnych skomplikowanych analitycznych wzorów znalezionych w artykułach naukowych
• Obliczenie poprzez porównanie, które polega na porównywaniu obliczeń impedancji bez pasożytów z obliczeniami impedancji ścieżek sprzężonych

Pierwszy punkt, obliczenie bezpośrednie, jest bardzo potężne i wymaga pewnego drogiego oprogramowania. Można również znaleźć wzory dla konkretnych struktur w literaturze, ale często są to bardzo skomplikowane wzory, które obejmują potencjalnie dziesiątki parametrów. Wzory na sprzężenie wzajemne dla różnych struktur również mają bardzo małą generalizację.

Drugi punkt, określenie poprzez porównanie, jest właściwie stosunkowo proste, jeśli ma się dostępne wzory, polega po prostu na porównywaniu wartości impedancji z różnych kalkulatorów. To właśnie zrobiłem w poprzednim artykule na temat odstępu między wylewką miedzi a mikropaskami/striplinami o impedancji 50 omów; poprzez porównywanie wartości impedancji dla określonej szerokości, można określić, kiedy elementy pasożytnicze tworzą zauważalny efekt na impedancji.

W następnych sekcjach podejmę podobne podejście, ale użyję rozwiązania polowego w Altium Designer do generowania wyników. Korzystając z wyników obliczeń impedancji pojedynczej ścieżki, a następnie porównując te z obliczeniami impedancji innych ścieżek, można szybko wydobyć wartości elementów pasożytniczych za pomocą kilku prostych wzorów.

Metoda

Metoda ta jest prosta i polega na porównywaniu obliczeń impedancji dla izolowanej ścieżki z obliczeniem impedancji dla ścieżki z elementami pasożytniczymi. W ten sposób można następnie obliczyć wartości elementów pasożytniczych, które są po prostu wzajemną pojemnością i indukcyjnością. Należy zauważyć, że w tym przykładzie używamy impedancji bezstratnej, ponieważ to wartość zwracana w Altium Designer. Jednakże, daje to bardzo dokładne oszacowanie elementów pasożytniczych do częstotliwości GHz.

Należy pamiętać, że dowolna aplikacja kalkulatora (tak jak te, które stworzyłem w niektórych innych blogach) lub Menedżer Stosu Warstw w Altium Designer zwróci tylko L lub L_p. Ponieważ licznik jest stałą propagacji, mamy teraz 2 równania i 2 niewiadome, więc system można rozwiązać, aby uzyskać wartości pasożytnicze. Ten model został wyprowadzony z równań telegrafistów, zakładając płaszczyznę lub ślad w pobliżu badanej linii, gdzie pobliski przewodnik jest utrzymywany w spokoju.

Wartości L lub L_p można znaleźć na karcie Impedancji, gdy tworzysz profil impedancji w Menedżerze Stosu Warstw. Jest to pokazane poniżej, gdzie porównujemy mikropasek z mikropaskiem koplanarnym; oba mają tę samą szerokość. Dokonując tego porównania, możemy dokładnie określić, ile pasożytniczej pojemności wprowadza obecność pobliskiego uziemienia.

Wynik ten pokazuje, że 14,423 mil szerokości mikropaska na podłożu o grubości 8 mil z Dk = 4.2, umieszczony 8 mil od pobliskiej płaszczyzny, będzie miał 64,5 fF pojemności pasożytniczej i 755 pH indukcyjności pasożytniczej wprowadzonej przez pobliską płaszczyznę. Jest to znacznie szybsze niż używanie czegoś takiego jak wzajemne i własne impedancje (macierz parametrów Z) dla ścieżki i jakiejś innej struktury.

Pojedyncza ścieżka w pobliżu płaszczyzny

To porównanie obejmuje pojedynczą ścieżkę i impedancje linii koplanarnej według następującej procedury:

1. Wybierz grubość podłoża i szerokość ścieżki dla mikropaska lub linii paskowej. Zanotuj wartości indukcyjności i pojemności.
2. Ustaw tę samą ścieżkę z linią koplanarną. Wybierz duży odstęp do początku wylewki masy. Zanotuj wartości indukcyjności i pojemności.
3. Dostosuj odstęp wylewki masy i oblicz impedancję.
4. Użyj danych z punktu 3 i powyższych równań do obliczenia wzajemnej impedancji i pojemności.
5. Wróć do kroku 1 i powtórz dla nowej grubości podłoża/wartości Dk.

Iterując przez serię wartości zgodnie z krokiem 5, możesz zbudować wykres, który pokazuje wzajemne wartości pojemności indukcyjnej, jak zrobiłem poniżej.

Poniższy wykres przedstawia wyniki dla mikropaska na podłożu o grubości 8 mil i 4 mil z Dk = 4,2; odpowiadające im szerokości ścieżek to odpowiednio 14 mil i 7 mil. Celem tutaj było utrzymanie tego samego stosunku W/H, ponieważ ta wartość jest głównie odpowiedzialna za ustawienie impedancji ścieżki. Z poniższego wykresu możemy od razu zauważyć, że cieńsze podłoże zapewnia znacznie niższą pojemność pasożytniczą, więc spodziewamy się znacznie niższego wysokoczęstotliwościowego przeplotu.

Sprawdź, czy możesz kontynuować ten proces zmiany parametrów, aby wydobyć więcej trendów dla różnych wartości grubości podłoża i szerokości ścieżek. Wyniki te mogą być również zastosowane dla linii paskowych, zarówno symetrycznych, jak i asymetrycznych.

Tutaj jest jasne rozwiązanie problemu nadmiernej pojemności pasożytniczej z powrotem do pobliskiego obszaru miedzi uziemionej: użyj cieńszego dielektryka. Należy zauważyć, że wpływ na indukcyjność pasożytniczą staje się prawie niezależny od odległości do obszaru uziemienia, gdy odległość ta staje się mała, co ilustruje, że obszar uziemienia nie jest tak przydatny do tłumienia przeplotu przy niższych prędkościach, ale może być znacznie bardziej przydatny do tłumienia szumów wysokoczęstotliwościowych.

Pojedyncza ścieżka obok innej ścieżki (te same szerokości)

Dla sprzężonych linii można również uzyskać wartość wzajemnej pojemności i indukcyjności między dwoma ścieżkami. Należy jednak zauważyć, że powyższy model dotyczy ścieżek jednostronnych, podczas gdy my pracujemy z modelem różnicowym, dlatego musimy zmniejszyć zwróconą impedancję różnicową o czynnik 2 przed rozwiązaniem naszych równań równoczesnych, aby uzyskać parametry pasożytnicze. W poniższych wynikach użyłem tych samych dwóch typów podłoży dla ścieżek mikropaskowych (ponownie, Dk = 4.2) i iterowałem przez separację ścieżek, aby określić parametry pasożytnicze. Zauważ, że nie wykonano tego z użyciem odstępu do jakiejkolwiek uziemionej miedzianej warstwy (nie koplanarnej).

Tak jak w przypadku mikropaski jednostronnej, można zastosować ten sam typ modelu i procedury do linii paskowych. Widzimy znacznie wyższe wzajemne indukcyjności, czego można się spodziewać w węższych sekcjach przewodnika.

Jak zmienią się te wartości, gdybyśmy użyli laminatu PCB o niższym Dk, takiego jak materiał PCB Rogers? Na poniższym wykresie ponownie uruchomiłem powyższy zestaw symulacji z użyciem narzędzia do impedancji w Altium Designer i obliczeń impedancji linii transmisyjnej zakładając jedną cichą linię, ale zrobiłem to zakładając laminat Dk = 3. Ponieważ wartość Dk jest niższa, możemy oczekiwać dwóch wyników:

1. Redukcja wzajemnej pojemności ze względu na niższą wartość Dk laminatu
2. Zakładając, że dążymy do uzyskania tej samej impedancji, spodziewalibyśmy się niższej wzajemnej indukcyjności

To właśnie obserwujemy w poniższych wynikach. Poniższy wykres pokazuje wzajemną pojemność i wzajemną indukcyjność między dwoma ścieżkami na materiale laminatu PCB z Dk = 3. Tutaj możemy zrozumieć, dlaczego niektóre zaawansowane systemy wykorzystujące sygnały o bardzo szybkich zboczachczęsto wybierają laminat o niższym Dk. Niższa wartość Dk zapewni niższą wzajemną indukcyjność przy danej impedancji. Poniższe wyniki pokazują tylko mikropaski, ale można oczekiwać podobnych wyników w przypadku linii paskowych.

W przypadku linii paskowych, redukcja pasożytniczej pojemności między dwoma ścieżkami poprzez zmianę Dk i grubości, przy jednoczesnym zachowaniu stałej szerokości ścieżki, da te same wyniki. Jednak w przypadku mikropasków, nie jest to tak prosta i jednoznaczna tendencja. Powodem tego jestklasyczny efektywny wynik Dk, który określa impedancję mikropaska. Tworzy to nieliniową zależność między efektywną wartością Dk, szerokością ścieżki a grubością dielektryka:

Oznacza to, że gdy tylko zmienisz wartość Dk w swojej warstwie mikropaska, a następnie zmienisz grubość substratu, aby utrzymać tę samą szerokość ścieżki, możesz nie zauważyć oczekiwanego zmniejszenia pojemności pasożytniczej lub indukcyjności. Jednakże, gdybyś wykonał to samo na liniach paskowych, nie mielibyśmy tej komplikacji.

Pomimo niewielkiego komplikacji związanych ze ścieżkami mikropaskowymi, ogólnie przyjmuje się następujące wyniki:

• Zmniejszenie odległości do ziemi redukuje pasożytnicze pojemności i indukcyjności między ścieżkami
• Zmniejszenie wartości Dk wokół ścieżek przy jednoczesnym utrzymaniu tej samej impedancji zmniejsza pasożytnicze pojemności i indukcyjności między ścieżkami

Dla zaawansowanych projektów, gdzie wymagamy niskiego przeplotu do wielu pasm GHz, to powinno pokazać, że prosta zmiana układu warstw może pomóc w redukcji przeplotu.

Pasożytnicze pojemności i indukcyjności a integralność sygnału

Przechodząc przez te punkty dotyczące projektowania połączeń i określania akceptowalnych ograniczeń gęstości ścieżek, będę korzystać z tych wyników do analizy przeplotu w niektórych nadchodzących artykułach. Ta metoda porównawcza jest prosta, ale potężna i może pomóc Ci zbadać poziom, na którym pasożytnicze pojemności i indukcyjności zaczną tworzyć efekt ograniczania pasma w ścieżkach wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości.

Oprócz impedancji i przeplotu, innym obszarem, gdzie pasożytnicze elementy mają znaczenie, jest trasowanie, szczególnie w parach różnicowych i sygnałach wysokiej częstotliwości. Pasożyty wpływają na sygnały na dwa sposoby:

• Skos w parach różnicowych: Pasożyty (głównie pojemność) na jednej linii spowodują zmniejszenie prędkości sygnału w stosunku do drugiej linii, powodując nadmierny skos. Może to spowodować, że szybkości narastania sygnałów każdej polarności staną się niewyrównane, jeśli skos jest nadmierny.
• Odpowiedź fazowa w sygnałach RF: Zmiana stałej propagacji spowodowana przez pasożyty może wywołać zmianę w odpowiedzi fazowej połączenia. Jest to ważne w falowodach sprzężonych krawędziowo, emiterach warstwowych, każdym obwodzie, który polega na rezonansie do określenia swojej funkcji przenoszenia, oraz każdym z tych elementów ułożonych w kaskadzie szeregowej. Jest to znacznie bardziej zaawansowany temat, który omawiam na moich zajęciach z projektowania połączeń wysokiej częstotliwości, ale w przyszłości stworzę więcej artykułów na ten temat.

Dla sygnałów cyfrowych przesyłanych na parach różnicowych, rozwiązanie jest proste: utrzymać symetrię ścieżki i wokół niej oraz egzekwować dopasowanie długości. Chociaż dopasowanie długości nie musi być idealne, narzędzia CAD ułatwiają zbliżenie się do perfekcji. Zawsze powinien być egzekwowany pewien poziom dopasowania długości, aby zapewnić, że szybkości zboczy sygnałów pozostają zsynchronizowane na odbiorniku. Zauważysz, że kalkulator impedancji daje również obliczenie opóźnienia propagacji, które uwzględnia elementy pasożytnicze, dzięki czemu można wykonać strojenie opóźnienia. Strojenie opóźnienia oparte na czasie (znane również jako strojenie opóźnienia) zapewnia, że zawsze masz zastosowaną dokładną strukturę dopasowania długości w układzie PCB.

Interaktywne trasowanie i tworzenie stosu warstw w Altium Designer^® umożliwiają wykonanie szeregu zadań związanych z ekstrakcją pasożytów. Wystarczy użyć wbudowanego rozwiązania do rozwiązywania pól elektromagnetycznych w Menadżerze Stosu Warstw dla różnych geometrii ścieżek i postępować zgodnie z powyższymi krokami, aby określić pasożyty względem innych ścieżek lub płaszczyzn. Kiedy będziesz gotowy, aby udostępnić pliki fabrykacyjne i rysunki swojej płytki producentowi, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zapoznaj się dzisiaj z naszymi elastycznymi opcjami licencjonowania dla Altium Designer + Altium 365.