Высокоскоростные печатные платы. Примеры применения правил сохранения целостности электрических сигналов и электропитания

Андрей Васильевич Трундов

В книге представлены результаты моделирования линий передачи с различными типами неоднородностей. Отдельный раздел посвящен анализу целостности электропитания. Большое количество иллюстраций позволит читателю лучше увидеть и понять, как именно «работают» правила сохранения целостности электрических сигналов и электропитания в реальных конструкциях.

Определение параметров линий передачи в среде моделирования/анализа HyperLynx SI/PI Mentor (A Siemens Business)

Выбор IBIS моделей передатчика и приемника сигнала

Точность моделирования определяется достоверностью IBIS модели драйвера и приемника тракта передачи данных.

Выбор IBIS модели передатчика и приемника для анализа характеристик тракта передачи должен определяться конкретными микросхемами, используемыми в электрической схеме. Часто запросить и получить у производителя нужную IBIS модель достаточно сложно, а иногда — невозможно.

Можно разработать собственную IBIS модель для отдельного драйвера, источника или целой микросхемы, используя справочные характеристики. Такой подход потребует времени и наличия опыта.

Достаточно быстрым практическим решением для качественной оценки параметров линии передачи может быть использование готовых IBIS моделей, имеющихся в библиотеке среды моделирования/анализа, учитывая возможное влияние их свойств на результат анализа.

При работе в среде HyperLynx будут использоваться IBIS модели КМОП драйвера и передатчика микросхемы FPGA Virtex-4 с наименованиями LVCMOS33_S_4.IBS, LVCMOS33_S_12.IBS, LVCMOS33_S_24.IBS (отличия в цифрах означают различный ток драйвера от 4 до 24 мА соответственно) если не указаны другие модели.

Рис. 9 IBIS модель входа/выхода КМОП Virtex-4

На следующем рисунке представлена переходная характеристика однородной прямой микрополосковой линии передачи.

Рис. 10 Переходная характеристика однородной микрополосковой линии передачи при использовании IBIS модели входа/выхода КМОП Virtex-4

При использовании IBIS модели отечественного процессора 1892ВМ15, переходная характеристика будет иметь другой вид.

Рис. 11 Переходная характеристика однородной микрополосковой линии передачи при использовании IBIS модели входа/выхода отечественного процессора 1892ВМ15

При использовании IBIS модели ПЛИС Virtex-4 переходная характеристика без колебательного процесса свойственна апериодическому RC звену первого порядка, не склонного к возбуждению.

Колебательный процесс в переходной характеристике при использовании IBIS модели процессора 1892ВМ15 говорит о наличии в линии распределенной емкости и распределенной индуктивности, которые формируют RLC звено второго порядка.

В IBIS модели Virtex-4 значение емкости не превышает 10 пФ. Значение выходного сопротивления источника в режиме ограничения выходного тока значением 4 мА может составлять десятки Ом. Именно наличие ограничивающего ток выходного последовательного сопротивления, как и в случае последовательного согласования, приводит к устранению «звона», получению более пологого монотонного фронта, но также является причиной ограничения полосы частот.

Анализ параметра S12 однородной микрополосковой линии передачи

Переходная характеристика позволяет провести быструю оценку амплитудно-частотной характеристики линии передачи (переход из временной области в частотную область) в совокупности со всеми элементами тракта передачи, включая источник и приемник сигнала.

Передаточная характеристика [6] (или анализ параметров S12, S21 в частотной области) определяет поведение только линии передачи, представленной в виде четырехполюсника, без учета характеристик источника и приемника сигнала (то есть, без учета влияния выбранной IBIS модели).

Анализ параметров S11, S22 во временной области позволяет определить наличие неоднородности, расстояние до неоднородности и характеристики неоднородности в линии передачи.

Далее в книге будут рассматриваться только параметры S12, определяющие передаточную характеристику линии в прямом направлении в частотной области (зависимость коэффициента передачи от частоты).

На следующем рисунке представлен параметр S12 однородной прямой линии передачи.

Рис. 12 Параметр S12 микрополосковой однородной прямой линии передачи

Из рисунка видно, что однородная прямая микрополосковая линия передачи является апериодическим звеном первого порядка, АЧХ которой имеет практически линейный спад с частоты среза примерно 7,4 ГГц по уровню — 3дБ.

Определение частоты собственного резонанса линии передачи по переходной характеристике

Если обеспечить рассогласование линии передачи на стороне приемника, созданная на дальнем конце линии неоднородность приведет к 100% отражению сигнала и возникновению «звона» на частоте собственного резонанса линии передачи.

Ранее аналитическим путем было рассчитано ее значение, равное 430 МГц. Проверим правильность вычислений в среде HyperLynx с использованием IBIS модели LVCMOS33_S_12.IBS с максимальным выходным током 12 мА.

Рис. 13 Переходная характеристика микрополосковой линии передачи, разомкнутой на стороне приемника

По периоду между двумя соседними «горбами» колебательного процесса, равному T = 2,34 нс, определим частоту собственного резонанса линии передачи

f = 1/T = 427 МГц

Можно отметить хорошую сходимость результата анализа 427 МГц, полученного расчетным путем, и результата 430 МГц, полученного в среде моделирования/анализа HyperLynx.

Анализ линий передачи с индуктивными неоднородностями L-типа

Увеличение концентрации силовых линий магнитного поля в месте изгиба проводника приводит к увеличению локальной индуктивности. Изгиб сигнального проводника можно назвать чисто индуктивной неоднородностью, поскольку распределенная емкость (которая зависит от площади сигнального проводника и толщины слоя диэлектрика, или — от геометрии сечения линии передачи) не меняется на всем протяжении линии.

Последовательно рассмотрим представленные ниже линии передачи и проведем анализ их характеристик в среде моделирования/анализа HyperLynx.

Рис. 14 Индуктивные неоднородности L-типа

Ниже показан набор переходных характеристик для всех представленных выше линий передачи.

Рис. 15 Переходные характеристики для микрополосковых линий передачи с индуктивными неоднородностями

Конец ознакомительного фрагмента.