Tiêu chuẩn IEEE P370 cho Kết nối PCB Tốc độ Cao

Mạch in PCB tốc độ cao vẫn tiếp tục là một thách thức lớn trong việc mô hình hóa và mô phỏng, đặc biệt khi xử lý với tín hiệu băng thông rộng. Tiêu chuẩn IEEE P370 là một bước tiến nhằm giải quyết những thách thức mà nhiều nhà thiết kế gặp phải trong việc xác định các thông số S băng thông rộng cho các cấu trúc tốc độ cao lên đến 50 GHz. Mặc dù tiêu chuẩn này đã được thực hiện từ năm 2015, cuối cùng nó đã được ban lãnh đạo phê duyệt và xuất hiện như một bản dự thảo tiêu chuẩn hoạt động.

Vậy những thách thức nào được tiêu chuẩn này giải quyết, và các kỹ sư tính toán tín hiệu sẽ được lợi ích như thế nào? Nếu bạn giống tôi, bạn sẽ tiếp cận vấn đề tính toán tín hiệu từ một hướng khác so với ai đó như Heidi Barnes hoặc Jason Ellison. Một mặt của tính toán tín hiệu là dự đoán từ các mô hình thực nghiệm hoặc công thức phân tích, trong khi mặt khác là về đánh giá và đặc tính từ các phép đo hành vi tín hiệu. IEEE P370 giải quyết các thách thức về phía kiểm tra và đo lường, đặc biệt là thu thập các phép đo cụ thể từ các cấu trúc kiểm tra phức tạp trên PCB.

Khám phá Tiêu chuẩn IEEE P370

Tiêu chuẩn IEEE P370 đề cập đến các thủ tục kiểm tra và đo lường cho việc đặc tính hóa các kết nối điện lên đến 50 GHz. Là một phần của các nhiệm vụ kiểm tra và đo lường cho thiết bị đang được kiểm tra ở tần số cao, bất kỳ thiết bị nào cũng cần phải kết nối với DUT. Các thiết bị tần số cao như máy đo phản xạ miền thời gian (TDRs) và máy phân tích mạng vectơ (VNAs) thường sử dụng một đầu nối đồng trục để thu thập các phép đo chính xác, nhưng nhiều cấu trúc thực tế trên một PCB hoặc các gói điện tử khác không phải là đồng trục khi chúng tạo ra một giao diện với DUT.

Là một phần của tiêu chuẩn, IEEE P370 nhằm mục đích giải quyết các thách thức về mô hình hóa và đặc tính hóa kết nối trong ba lĩnh vực chính của thiết kế tốc độ cao:

• Thiết kế bộ chứa kiểm tra. Các bộ chứa kiểm tra tạo giao diện giữa một thiết bị và DUT (trong trường hợp này, là một kết nối điện) khiến cho các S-parameters đo được của DUT khác biệt so với S-parameters thực tế. Điều này cũng áp dụng cho các bộ tham số khác được sử dụng trong việc đặc tính hóa thiết bị.
• Hủy nhúng. Quy trình để lấy các thông số S của DUT là thông qua hủy nhúng. Thật không may, các thiết bị và công cụ phần mềm khác nhau có các thuật toán hủy nhúng khác nhau. Một phần của vấn đề này là DUT và các thiết bị kiểm tra của nó tạo thành một mạng lưới N-cổng nối tiếp, và các thông số S không được nối tiếp một cách đẹp đẽ giống như các thông số ABCD.
• Đảm bảo chất lượng thông số S. Ba vấn đề chính trong chất lượng thông số S là đảm bảo tính đối xứng, tính bị động, và tính nhân quả.

Bằng cách chuẩn hóa hai điểm đầu tiên, chúng ta tiến gần hơn đến một số chuẩn hóa trong điểm thứ ba. Lĩnh vực thứ ba này của mô hình kết nối tốc độ cao vẫn là một thách thức đối với ngay cả những kỹ sư dày dạn kinh nghiệm do bản chất giới hạn băng thông của các phép đo băng thông rộng. IEEE P370 nhằm giải quyết những mâu thuẫn này với các giải pháp được trình bày trong bảng sau.

Hãy cùng xem xét kỹ lưỡng từng lĩnh vực này để thấy rằng mọi thứ sẽ sớm thay đổi như thế nào đối với các kỹ sư tính toán động cơ tín hiệu.

Cấu trúc Kiểm tra

Lĩnh vực này của tiêu chuẩn IEEE P370 được chia thành hai khu vực rộng lớn: thiết kế cấu trúc kiểm tra và hiệu chuẩn. Bằng cách sử dụng các cấu trúc kiểm tra và cấu trúc hiệu chuẩn tiêu chuẩn, chúng ta có thể tin tưởng rằng hai kỹ sư khác nhau với hai thiết bị (tuy tương đương nhưng) khác nhau có thể sản xuất ra cùng một kết quả tham số S cho một DUT nhất định sử dụng một quy trình tiêu chuẩn. Cấu trúc kiểm tra 2x-thru được khuyến nghị dưới P370; hãy xem bài viết này trên Tạp chí Tính toán Động cơ Tín hiệu để tìm hiểu thêm về cấu trúc 2x-thru và cách nó được sử dụng trong việc loại bỏ nhúng.

Có hai cấu trúc tiêu chuẩn trong IEEE P370 có thể được sử dụng cho việc hiệu chuẩn và xác minh loại bỏ thiết bị đo: cấu trúc dây và tiêu chuẩn Beatty. Cấu trúc dây chỉ đơn giản là một đường truyền, mà các tham số S có thể được xác định từ các tham số ABCD của dây. Cấu trúc Beatty là một khoang cộng hưởng nằm ở trung tâm của một đường truyền, có một phổ tổn hao trở lại và tổn hao chèn cụ thể cho một chiều dài nhất định. Cấu trúc này (xem bên dưới) có thể được đặt trên một phiếu kiểm tra hoặc nguyên mẫu để hiệu chuẩn thiết bị vì các tham số S của nó được biết đến rõ ràng.

Loại bỏ

Quy trình loại bỏ sử dụng một thư viện truy cập mở của các tham số S tiêu chuẩn vàng cho các cấu trúc kiểm tra tiêu chuẩn được quy định trong tiêu chuẩn IEEE P370. Bởi vì các tham số S của cấu trúc kiểm tra được biết hoặc được cung cấp bởi tiêu chuẩn, sau đó các tham số S của cấu trúc kiểm tra có thể được loại bỏ khỏi các tham số S của (DUT + cấu trúc kiểm tra). Điều này chỉ cung cấp các tham số S của DUT, như được hiển thị trong ví dụ bên dưới.

Chất lượng tham số S

Chất lượng của một ma trận tham số S được định nghĩa trong ba lĩnh vực sau:

• Nguyên nhân. Khi sử dụng để xây dựng phản hồi xung với một phương pháp tiêu chuẩn, các thông số S không nên tạo ra hiện tượng không nhân quả trong phản hồi miền thời gian.
• Tính chất đối xứng. Nếu DUT được nghiên cứu thực sự có tính chất đối xứng, thì các thông số S cũng phải có tính chất đối xứng, tức là, ma trận thông số S bằng với chính ma trận chuyển vị của nó.
• Tính bị động. Điều này liên quan đến tính chất đối xứng ở chỗ một mạng lưới đối xứng cũng phải là một mạng lưới bị động. Các thông số S cần được đánh giá về tính bị động, nghĩa là chúng không phải là các hàm của cường độ tín hiệu đầu vào.

Bằng cách thiết lập giới hạn cho các chỉ số chất lượng này, các nhà thiết kế nhận dữ liệu thông số S cho các thành phần của họ hoặc những người đặt cấu trúc bị động trên PCB của họ có thể yên tâm rằng các mô phỏng của họ sẽ chính xác. Điều này giải quyết một vấn đề lớn về dữ liệu thông số S không nhất quán.

Đặt Cấu Trúc Kiểm Tra trên PCB của Bạn

Các tiêu chuẩn được trình bày ở đây chỉ là các tiêu chuẩn thiết kế và phân tích như một phần của kiểm tra và đo lường, sẽ cuối cùng hỗ trợ mô phỏng trong các trình giải quyết lĩnh vực. Khi bạn sẵn sàng tạo PCB của mình với các cấu trúc kiểm tra được hiển thị ở đây, các tiện ích bố trí PCB tiên tiến bạn sẽ tìm thấy trong Altium Designer® có thể được sử dụng để tạo các cấu trúc kiểm tra chính xác cho PCB tốc độ cao. Bạn cũng sẽ có thể nhanh chóng chuẩn bị bảng mạch của mình cho việc sản xuất và lắp ráp.

Sau khi bạn đã tạo bảng mạch hoặc phiếu kiểm tra với các cấu trúc kiểm tra tuân thủ IEEE P370, bạn có thể chia sẻ dữ liệu thiết kế của mình trên nền tảng Altium 365®, cung cấp cho bạn một cách dễ dàng để làm việc với một đội ngũ từ xa và quản lý dữ liệu thiết kế của bạn. Chúng tôi chỉ mới khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.