Mühendisler, modern yüksek hızlı sistemlerde sinyal ve güç bütünlüğü konusunda büyük zorluklarla karşılaşmaya devam ediyor. Bunlar genellikle daha yüksek cihaz entegrasyonu, daha düşük IC (Entegre Devre) besleme gerilimleri, PCB (Baskılı Devre Kartı) üzerinde daha küçük alan ve daha fazlasını içerir.
Gelişmiş tasarım ve simülasyon yazılımları, güç bütünlüğü mühendislerinin simülasyon yoluyla bu sorunların üstesinden gelmelerine yardımcı olabilir. Bu simülasyon çözümleri, PCB tasarımlarında yüksek hızlı bağlantı performansının iyileştirilmesi gibi konularda yardımcı olabilecek çeşitli hizmetler sağlayabilir.
1. Parçalar için S-parametre dosyalarının kullanımını basitleştirin
Bir parça için bir S-parametre dosyası indirdikten sonra dikkate alınması gereken birkaç husus vardır. İlk adım genellikle verilerin kalitesini incelemek ve ardından bir simülasyonda kullanmaktır. Bu, nasıl kablolanacağı ve hangi bağlantı noktalarının eşleştirileceği ile ilgili soruları gündeme getirir.
Geleneksel olarak cevap, verileri bir metin düzenleyicide açmak olabilir. ADS'nin S-Parametre Denetleyicisi gibi programlar süreci basitleştirir ve tasarımcıların bir S-parametre test tezgahı simülasyonu kurmak zorunda kalmadan herhangi bir S-parametre dosyasının içeriğini görüntülemelerine olanak tanır. Bu, görmek istedikleri bireysel ilişkileri doğrudan çizmelerine olanak tanır ve onlara her pime karşı bağlantı noktası adlarını gösterir.
S-Parametre Denetleyicisi ayrıca tasarımcılara dosyanın pasif veya karşılıklı olup olmadığını, dosyadaki veri noktası sayısını ve kapsadığı frekans aralığını da bildirir. Tasarımcılar S-Parameter Checker'ı kullanarak bağlantı noktalarını yeniden adlandırabilir, yeniden sıralayabilir ve sayısını azaltabilir, böylece yeni ve daha kullanışlı bir S-parametre dosyası kaydedebilirler (Şekil 1).
Şekil 1. S-Parametre Denetleyicisi S-Parameter Checker, tasarım mühendislerinin bağlantı noktalarını kolayca yeniden adlandırmasına, yeniden sıralamasına ve sayısını azaltmasına olanak tanır.
2. Teknoloji dalgalarının (PAM-4 gibi) önünde olun
IP yönlendiricileri üzerindeki pazar baskıları, bit başına daha düşük maliyetle daha fazlasını yapma beklentisini ortaya koymaktadır. Ancak, daha hızlı gitmek ve tipik bir backpane mesafesi boyunca tek bir 100 Gbps elektrik şeridi sağlamak günümüz teknolojisinin ötesindedir.
Çözüm, yüksek hızlı seri bağlantılar için Darbeli Genlik Modülasyonunda (PAM) yatmaktadır. PAM, seri kanallardaki bit verimini artırır ve bir bağlantı bant genişliği için veri hızını etkili bir şekilde iki katına çıkarır. Sektörde devrim niteliğinde bir adımı temsil ediyor, ancak kendine özgü bir dizi zorluğu da beraberinde getiriyor. Örneğin, 28 Gbaud'da bir PAM-4 sembolü iletebilir ve diğer uçta 56 Gbps sunabiliriz, ancak IC'ler daha fazla güç kullanır ve sinyalin kendisi daha düşük bir Sinyal-Gürültü oranına (SNR) sahiptir. ADS (Gelişmiş Tasarım Sistemi), üretim maliyetini düşürürken karmaşıklığı yönetmek veya düşük kayıplı malzemeler ve fabrikasyon süreçlerinde nasıl daha ileri ve daha hızlı gidileceğini araştırmak gibi zorluklara yardımcı olur.
Şekil 2. ADS, NRZ'ye uygulanabilir bir alternatif sunan PAM-4 simülasyonlarını desteklemektedir.
3. Düz PDN (Güç Dağıtım Ağı) empedans yanıtlarını etkinleştirin
İlk düzen öncesi tasarım oluşturulduktan sonra, PCB düzeninin ilk geçişi PIPro EM teknolojisi kullanılarak analiz için ADS'ye aktarılabilir. Kullanıcı arayüzü, tasarımcıların simüle etmek istedikleri PDN ağı için güç ve toprak ağlarını seçmelerine, bileşenlerin her biri için simülasyon modellerini seçmelerine (örneğin, dekapanlar, EMI (Elektromanyetik Girişim) filtreleri, indüktörler ve dirençler, vb.) ve PI-AC simülatörünü bileşenleri yerinde olan dağıtılmış düzenin PDN empedansını hesaplayacak şekilde ayarlamalarına olanak tanır.
PI-AC simülatörü bu amaç için özel olarak tasarlanmış EM teknolojisine sahip olduğundan, dakikalar içinde doğru bir sonuç döndürülür. Tasarımcılar daha sonra mevcut PDN tasarımında sorun olup olmadığını belirlemek ve bir kapasitörden diğerine kuplajı kontrol etmek için alan görselleştirmesini, PDN empedansını ve S-parametre çizimini kullanabilir.
EM-karakterize edilmiş modeli bileşenlerin devre modelleriyle birlikte aktarmak için bir şematik gösterim oluşturulur. Bir ADS Şemasına yapılan bu geri açıklama, sorunsuz ve uyumlu bir iş akışı sağlar. Tasarımcılar daha sonra davranışsal VRM modellerini uygulayabilir ve son doğrulama/optimizasyon için dekapları daha da ayarlayabilir.
Şekil 3. ESR'yi artırırken dekuplaj kapasitansını artırmak empedans yanıtı düzlüğünü iyileştirir.
4. Elektro-termal simülasyonu etkinleştirin
Güç dağıtım ağları daha dar PCB gerçek alanına zorlandıkça, güç düzlemi idealize olmaktan uzaklaşır. Genellikle, bir zamanlar mükemmel olan düzlem, dikiş yollarından kaynaklanan boşluk delikleriyle yoğun bir şekilde delinir ve yerleşim mühendisi için, dar metal izlerinden geçmeden gerekli akımı gerektiren cihazın paketine almak zor olabilir.
Doğru bir IR-Drop hesaplamak PI tasarımcısı için önemlidir, ancak PDN izlerinin, yolların ve çip kalıbının ulaşacağı mutlak sıcaklığı bilmek de çok değerli bir bilgidir. Yüksek sıcaklıklar güvenilirlik sorunlarına yol açabilir; çünkü açma/kapama durumlarından kaynaklanan sıcaklık döngüleri, via varillerinin zamanla zayıflamasına ve çatlamasına neden olabilir.
Tasarımcı için bir via'nın içinden geçen akım için yetersiz boyutta olup olmadığı sezgisel değildir. Sıcaklık artışı, ona bağlı izlerin genişliğine çok bağlıdır. İkinci olarak, bir hattın direnci sıcaklıkla birlikte artar ve nihai kararlı durum koşulunu belirlemek için simülasyon analizleri gerektirir.
Sıcaklıktaki her 10° C'lik değişim için, bir iz direncinde %4'lük bir değişim görüyoruz. Bu gözlemler, PDN tasarımının bir DC IR Drop elektro-termal çözümü ile simüle edilmesi gerektiğine işaret etmektedir.
ADS, tam otomatik entegre bir Elektriksel-Termal-Elektriksel yinelemeli simülasyon sağlar. Kullanıcılar, ısınmadan kaynaklanan yerel direnç değişikliklerini hesaba katarak DC IR Drop sonuçlarının doğru bir temsilini alırlar. Ek olarak sadece Termal simülasyon, kullanıcıya termal zemin planlaması yapma olanağı verir.
ADS ile mevcut DC IR Drop simülasyon kurulumunu yeni Elektro-Termal simülasyona kopyalayabilir ve düzlemlerin, pinlerin ve viaların sıcaklıklarının bir listesini görselleştirebilirsiniz.
Şekil 4. DC IR Damlası DC IR Damlası Elektro-Termal analiz - sıcaklığın görselleştirilmesi.
5. Bir ara bağlantı araç kutusu kullanın
Sinyal bütünlüğü tasarımındaki zorluk sadece alıcıdaki verici sinyalini başarılı bir şekilde kurtarmak değil, aynı zamanda performansı neyin kontrol ettiğini anlamaktır. Önemli marj yiyicileri ve optimize edilebilecek olanları bulmak önemlidir.
Bir verici ve bir alıcı arasındaki tipik bağlantılar, uygulamaya özel özel PCB yönlendirmesinin bazı bölümlerini içerir. ADS, tasarım ödünleşimlerini keşfetmeye ve istifleme, iletim hattı kayıpları ve topoloji arasındaki karmaşık etkileşimle başa çıkmaya yardımcı olacak bir sinyal bütünlüğü araç kutusuna sahiptir.
PCB ara bağlantısının tasarlanması, farklı iletim hattı topolojilerini değerlendirmeye başlamak için bir PCB yığın tanımıyla başlar. İletim hatları empedans ve kayıplar için optimize edildikten sonra, katmanlar arasında geçiş yapmak için performansa bakmak gerekir. Bu adımlardan herhangi biri, diğerini etkileyebilecek maliyet ve performans ödünleşimlerine sahiptir, bu da hangi özelliğin gerçek marj yiyici olduğunu belirlemek için karmaşık bir karşılıklı ilişkiye neden olur: Katman Sayısı, Hat Z, Via Backdrills, Malzeme, Düzen Yoğunluğu, vb.
ADS, yerleşim öncesi PCB ara bağlantı incelemesini basitleştirmek için Substrat Düzenleyici, Kontrollü Empedans Hattı Tasarımcısı ve Via Tasarımcısı içeren bir Ara Bağlantı Araç Kutusu sağlar.
Şekil 5. Bu tür bir tasarım öncesi araştırma, mühendisin tasarım marjlarını neyin kontrol ettiğini anlamasını ve maliyete karşı performans kararlarını bilinçli bir şekilde vermesini sağlar.
Sonuç
Sinyal ve güç yoğunluğuyla ilgili giderek daha karmaşık hale gelen tasarımlarda, mühendisler ve tasarımcılar simülasyon ve tasarım için yazılım araçlarına sahip olmaktan faydalanabilirler.
En iyi gelişmiş simülasyon yazılımı ile tasarımcılar simüle edilmiş dalga formlarını alabilir ve bir tasarımın uyumluluğu konusunda en üst düzeyde güven elde etmek için nihai doğrulama donanımı ile tezgahta kullanılan aynı altın uyumluluk testleri paketine karşı test edebilirler.
Keysight'ın ADS'si gibi bu yazılım çözümleri, müşterilere daha fazla içgörü ve buna bağlı olarak daha fazla başarı devre simülasyonu şansı veriyor. Bu yazılımlar, yerleşim ve yerleşim doğrulama, silikon RFIC, sinyal ve güç bütünlüğü ve daha fazlasına gelişmiş problem çözümü getiriyor.
