Стандарт IEEE P370 для высокоскоростных соединений на печатных платах

Высокоскоростные соединения на печатных платах продолжают оставаться активной задачей в моделировании и симуляции, особенно при работе с широкополосными сигналами. Стандарт IEEE P370 является шагом к решению проблем, с которыми сталкиваются многие дизайнеры при определении широкополосных S-параметров для высокоскоростных структур до 50 ГГц. Хотя над этим стандартом работали с 2015 года, он наконец получил одобрение совета и появился как активный проект стандарта.

Так с какими проблемами сталкивается этот стандарт и как от этого выиграют инженеры по целостности сигнала? Если вы похожи на меня, то подходите к проблемам целостности сигнала с другой стороны, чем кто-то вроде Хайди Барнс или Джейсона Эллисона. Одна сторона целостности сигнала - это прогнозирование на основе эмпирических моделей или аналитических формул, в то время как другая сторона связана с оценкой и характеристикой на основе измерений поведения сигнала. IEEE P370 решает проблемы на стороне испытаний и измерений, в частности для сбора конкретных измерений с комплексных тестовых структур на печатных платах.

Погружение в стандарт IEEE P370

Стандарт IEEE P370 касается процедур испытаний и измерений для характеристики электрических соединений до 50 ГГц. В рамках задач по испытаниям и измерениям устройства, подлежащего испытанию на высоких частотах, любой прибор должен быть подключен к испытуемому устройству. Приборы для работы на высоких частотах, такие как рефлектометры во временной области (TDR) и векторные анализаторы цепей (VNA), обычно используют коаксиальный разъем для получения точных измерений, но многие реальные структуры на печатной плате или других электронных упаковках не являются коаксиальными, когда они создают интерфейс с испытуемым устройством.

В рамках стандарта IEEE P370 ставится задача решить проблемы моделирования и характеристики соединений в трех ключевых областях высокоскоростного проектирования:

• Дизайн испытательного оборудования. Испытательные приспособления, обеспечивающие соединение между прибором и испытуемым устройством (в данном случае, электрическим соединением), приводят к тому, что измеренные S-параметры испытуемого устройства отличаются от реальных S-параметров. То же самое относится и к другим наборам параметров, используемым при характеристике устройств.
• Деэмбеддинг. Процесс извлечения S-параметров испытуемого устройства (DUT) осуществляется с помощью деэмбеддинга. К сожалению, разные приборы и программные инструменты используют различные алгоритмы для деэмбеддинга. Часть этой проблемы заключается в том, что DUT и его испытательные приспособления формируют каскадную N-портовую сеть, и S-параметры не каскадируются так же хорошо, как параметры ABCD.
• Обеспечение качества S-параметров. Три основные проблемы качества S-параметров заключаются в обеспечении взаимности, пассивности и причинности.

Стандартизируя первые два пункта, мы приближаемся к некоторой стандартизации в третьем пункте. Эта третья область высокоскоростного моделирования межсоединений остается сложной даже для самых опытных инженеров из-за принципиально ограниченной полосы пропускания широкополосных измерений. IEEE P370 стремится устранить эти несоответствия с помощью решений, изложенных в следующей таблице.

Давайте поближе рассмотрим каждую из этих областей, чтобы увидеть, как скоро могут измениться условия работы для инженеров по целостности сигналов.

Тестовые структуры

Эта область стандарта IEEE P370 делится на две основные области: дизайн тестовых структур и калибровка. Используя стандартизированные тестовые и калибровочные структуры, мы можем быть довольно уверены, что два разных инженера с двумя разными (но сопоставимыми) приборами могут получить одинаковые результаты S-параметров для данного изделия (DUT) с использованием стандартной процедуры. Для P370 рекомендуется использовать тестовую структуру 2x-thru; ознакомьтесь с этой статьей в журнале Signal Integrity Journal, чтобы узнать больше о структуре 2x-thru и её использовании в процессе деэмбеддинга.

В стандарте IEEE P370 предусмотрены две стандартизированные структуры, которые могут быть использованы для калибровки и проверки деэмбеддинга приспособлений: линейные и стандарты Битти. Линейная структура представляет собой просто передающую линию, для которой параметры S могут быть определены из параметров ABCD линии. Структура Битти - это резонансная полость, расположенная в центре передающей линии, которая имеет определенный спектр потерь на возврат и вставки для данной длины. Эта структура (см. ниже) может быть размещена на тестовом образце или прототипе для калибровки прибора, поскольку ее параметры S хорошо известны.

Деэмбеддинг

Процедура деэмбеддинга использует открытую библиотеку эталонных параметров S для стандартных тестовых структур, указанных в стандарте IEEE P370. Поскольку параметры S тестовой структуры известны или предоставлены стандартом, то параметры S тестовой структуры могут быть исключены из параметров S (ИУТ + тестовая структура). Это дает только параметры S ИУТ, как показано в примере ниже.

Качество параметров S

Качество матрицы параметров S определяется в следующих трех областях:

• Причинность. При использовании для построения импульсной характеристики стандартизированным методом, S-параметры не должны создавать причинно-следственные артефакты во временном отклике.
• Взаимность. Если испытуемый объект действительно взаимный, то S-параметры также должны быть взаимными, т.е. матрица S-параметров равна своей собственной транспонированной матрице.
• Пассивность. Это связано с взаимностью тем, что взаимная сеть также должна быть пассивной сетью. S-параметры необходимо оценивать на предмет пассивности, что означает, что они не являются функциями силы входного сигнала.

Установив пределы для этих качественных метрик, дизайнеры, получающие данные S-параметров для своих компонентов или размещающие пассивные структуры на своих печатных платах, могут быть уверены, что их симуляции будут точными. Это решает большую проблему несоответствия данных S-параметров.

Размещение тестовых структур на вашей печатной плате

Стандарты, описанные здесь, являются лишь стандартами проектирования и анализа в рамках испытаний и измерений, которые в конечном итоге помогут в симуляции с использованием полевых решателей. Когда вы будете готовы создать свою печатную плату с тестовыми структурами, показанными здесь, вы можете использовать продвинутые утилиты размещения PCB, которые найдете в Altium Designer, для создания точных тестовых структур для высокоскоростных печатных плат. Вы также сможете быстро подготовить ваши платы к производству и сборке.

После того, как вы создадите свою плату или тестовый образец с тестовыми структурами, соответствующими стандарту IEEE P370, вы можете поделиться данными своего проекта на платформе Altium 365, что даст вам простой способ работать с удаленной командой и управлять данными вашего проекта. Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете посмотреть страницу продукта для более подробного описания функций или один из Вебинаров по запросу.