Revisão de Design de PCB de Alta Velocidade: Perguntas sobre Integridade de Sinal que Você Sempre Deve Fazer

As revisões de design de PCB abrangem muitas partes de um projeto, variando desde circuitos básicos até a fabricabilidade. Para sistemas digitais de alta velocidade, uma revisão de design precisa ser mais específica e focar em áreas que normalmente não são cobertas em revisões de fabricabilidade padrão. As ferramentas e o processo necessários para revisar completamente um design de PCB de alta velocidade para integridade de sinal dependem das interfaces exatas presentes no projeto, mas comparar com algumas regras básicas e alguns cálculos simples pode ajudar a evitar muitos dos problemas mais simples de integridade de sinal.

Podem Construir Seu Empilhamento?

Designs de alta velocidade que requerem controle de impedância só funcionam corretamente quando o empilhamento é totalmente especificado, seja pelo designer ou pelo fabricante. Embora os fabricantes possam fornecer um empilhamento padrão de PCB, nem todos os empilhamentos padrão dos fabricantes serão apropriados para PCBs de alta velocidade. Isso se deve a muitos fatores, sendo os mais comuns a espessura do dielétrico e os valores necessários de largura de trilha em designs que precisam de controle de impedância. Como muitos designs digitais requerem o uso de BGAs, incluindo BGAs de passo fino, empilhamentos padrão também podem não suportar as vias necessárias para rotear para esses componentes.

Isso significa que você, como designer, terá que assumir o controle sobre o design do empilhamento da PCB. E como parte da revisão de design para o seu sistema digital de alta velocidade, você terá que verificar se a casa de fabricação pode construir o empilhamento que você especificar. É por isso que se torna importante familiarizar-se com os materiais disponíveis comercialmente no mercado, pois você pode especificá-los em seu design de empilhamento e obter uma verificação rápida da sua casa de fabricação de que eles podem construir o empilhamento da PCB.

Os Cálculos de Impedância São Precisos?

Como essa questão depende da construção do empilhamento, ela tem que ser respondida após a questão anterior. Para primeiro verificar a construção do empilhamento, produza suas impressões de fabricação com uma tabela de empilhamento primeiro, depois verifique o empilhamento e o layout da PCB para a largura da trilha e os espaçamentos após a verificação do fabricante.

Uma vez que a construção do empilhamento é confirmada, existem vários calculadores que podem ser usados para determinar a impedância da trilha e verificar o design contra os dados no layout da PCB.

• Os designers podem usar os links dos calculadores localizados nestas páginas vinculadas:
  • Calculadora de Impedância de Microstrip
  • Calculadora de Impedância de Stripline
  • Calculadora de Impedância Diferencial de Microstrip
  • Calculadora de Impedância Diferencial de Stripline
• Os usuários do Altium podem utilizar o calculador de impedância no Gerenciador de Pilhas de Camadas
• Utilitários externos como o SI9000 da Polar Instruments podem ser usados
• Simuladores mais avançados e solucionadores de campo podem fornecer parâmetros S
• Se nenhuma dessas opções funcionar, existe uma variedade de calculadoras online disponíveis

Os valores de largura de trilha e o espaçamento para pares diferenciais devem ser usados para obter uma estimativa da impedância com uma dessas opções adicionais de calculadora. Você deve então voltar e verificar isso para todas as redes controladas por impedância no projeto.

Se você está olhando para os arquivos PCB nativos, como no Altium, provavelmente existe uma classe de rede que você pode selecionar e verificar manualmente a largura/espacamento de todas as trilhas na classe de rede. Se você está revisando saídas de fabricação, um visualizador CAM pode fornecer os valores de largura das trilhas, ou você pode solicitar os dados do designer de PCB responsável.

Requisitos de Temporização

Sistemas digitais podem incluir uma gama de requisitos de temporização, dependendo dos componentes e circuitos no design. No passado, o roteamento do relógio do sistema era em frequências mais baixas e não era síncrono com todas as interfaces, tornando os requisitos de temporização no nível do sistema bastante difíceis. Hoje, interfaces de alta velocidade usam relógios embutidos ou relógios síncronos à fonte, o que move os requisitos de temporização do nível do sistema para o nível da interface.

Para determinar a funcionalidade da interface, precisamos realizar uma revisão básica de interfaces paralelas, interfaces com relógio síncrono à fonte e interfaces mistas com relógios embutidos:

Como podemos ver acima, os requisitos de temporização precisam ser verificados tanto para interfaces diferenciais quanto de extremidade única, exigindo uma verificação no ajuste de atraso aplicado no design.

Distâncias entre Condutores

As distâncias entre condutores são tanto um item de revisão de fabricabilidade quanto um item de revisão de design de PCB de alta velocidade. Em um PCB de alta velocidade, preocupamo-nos principalmente com duas áreas:

• Espaçamento entre trilhas de sinal único e pares diferenciais
• Distâncias para o cobre coplanar próximo (se estiver presente em uma camada de sinal)

A principal razão é garantir que o acoplamento indesejado seja minimizado, pois um grande espaçamento entre condutores é a maneira mais fácil de controlar o acoplamento indesejado.

Determinar o espaçamento correto entre trilhas para minimizar o acoplamento indesejado envolve o uso de uma simulação, incluindo simulações básicas que podem ser realizadas com um método MoM/BEM no seu software de design de PCB. Por exemplo, a ferramenta de Integridade de Sinal no Altium Designer pode ser usada para obter uma estimativa básica do acoplamento indesejado para um tempo de subida específico. Após comparar o resultado com suas margens de ruído no seu receptor e realizar a simulação em múltiplas camadas, você pode identificar uma boa estimativa inicial para as distâncias entre redes de alta velocidade.

Um exemplo simples com lógica de 3,3V criando diafonia em um traço vítima é mostrado abaixo, o qual foi calculado com a ferramenta de Integridade de Sinal no Altium Designer (agora parte do Altium Develop). O processo para convergir para um valor ideal de espaçamento de traços será discutido em outros artigos.

Se você não sabe como determinar a diafonia entre dois traços ou não possui uma aplicação de calculadora que possa fazer esses cálculos, você pode definir um requisito de espaçamento de 3W entre redes de alta velocidade. Este é um espaçamento suficientemente grande para a maioria dos designs, incluindo até camadas muito finas em PCBs UHDI.

Para Revisão Final, Simulações Podem Ajudar

Uma revisão de fabricabilidade e revisão de BOM são sempre uma boa ideia, mesmo em designs de PCB de alta velocidade. Mas para preocupações com integridade de sinal, essas outras revisões são insuficientes para verificar a integridade de sinal relacionada às áreas acima. Em vez disso, você precisará de uma maneira de transferir rapidamente seu design para uma aplicação de simulação para que as áreas acima possam ser verificadas.

• Ansys CoDesigner para simulação de design em SIwave, HFSS, etc.
• SI Analyzer da Keysight para visualização de tempo e impedância
• Exportações ODB++ para uso no Simbeor para examinar a conformidade do canal

Finalmente, uma simples verificação de DRC identificará problemas padrão de fabricabilidade e violações de restrições que impactam todos os tipos de projetos de PCB, incluindo um layout de PCB de alta velocidade. Se você realizou uma captura completa das capacidades do fabricante e limitações de fabricação, então você pode incorporar estas informações nas regras de design do seu PCB e realizar verificações abrangentes quando o layout do PCB estiver concluído.

Seja para construir eletrônicos de potência confiáveis ou sistemas digitais avançados, Altium Develop une todas as disciplinas em uma força colaborativa. Livre de silos. Livre de limites. É onde engenheiros, designers e inovadores trabalham como um só para criar sem restrições.Experimente Altium Develop hoje!