NYHL felületén kialakított RF áramköri elemek illesztésének kutatása és oktatása

NYHL felületén kialakított RF áramköri elemek illesztésének kutatása és oktatása

Kutatási beszámoló

Készítette: Dr. Farkas Ferenc, Szűcs Zoltán, Magi Dániel és Szabó Péter

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Elektronikus Eszközök Tanszéke

Az elmúlt évben kutatómunkák a NYHL lemezeken kialakítható huzolások vizsgálatának irányába ment. Számos esetben ugyanis szükséges megvizsgálni az általánosan használt módszereket, hogy vajon milyen másodlagos hatásokat fedezhetünk fel amelyek rontják a jelek integritását.

Éppen ezért egy többrétegű nyomtatott huzalozású lemezen kidolgoztunk olyan tesztstruktúrákat, amelyekkel single-ended és differenciális jelvezetés minősítő mérések végezhetőek el. A tervezés alatt pre- és post-layout szimulációkat végeztünk, melyekkel a tervezési paraméterek meghatározhatók. A tervek elkészítése után a következő lépés a NYÁK gyártása, majd mérések végzése az elkészült struktúrán. A mérési eredmények kiértékelését követően, megtörténtek az összehasonlítások a szimulációs eredményekkel, valamint a következtetések levonása és a szimulációs paraméterek módosítására való javaslatok megfogalmazása.

A NYHL-en az alábbi mérési összeállításokat valósítottuk meg:

·         Viák késleltetése

·         Meanderezés hatása a jel terjedési idejére

·         Áthallás vizsgálata vezetékek között

·         Áthallás vizsgálata rétegek között

·         Fázishiba hatásának mérése differenciális vezető esetén

A vizsgálatokhoz szükség volt single-ended és differenciális jelek adására és vételére alkalmas IC-kre. A single-ended mérésekhez mind adónak, mind vevőnek a Texas Instruments-től az SN74AUC1G02 alkatrészt választottunk, amely egy 0.8 – 2.7V tápfeszültségről működő NOR kapu, 1ns-os felfutó éllel. A kapu B lábát földre kötjük, vagyis logikai 0-ba, ezáltal a kapu inverter-ként fog működni. Az LVDS kommunikációhoz szintén a Texas Instruments-től választottunk adót, az SN65LVDS1-et, amely egy bites jeltovábbításra maximum 630Mbps-os sebességgel képes és a hozzá tartozó vevőt, az SN65LVDS2-t, amely maximum 400Mbps-os vételi sebességre képes.

Minden esetben a jelet egy SMA csatlakozó segítségével juttatjuk el a jelgenerátortól az adóig, ahol közvetlenül az adó kimenete után, illetve a vevő bemenete előtt tesztpontok lesznek találhatóak, a méréseket oszcilloszkóppal itt végezhetjük majd el. Single-ended esetben a tesztcsíkokon lehetőség lesz az adónál soros, a vevőnél pedig Thevenin lezárást alkalmazni, ha szükségünk van rá (19. ábra).

           A mérések elvégzéséhez legkevesebb 6 rétegű NYÁK-ra van szükségünk, melyen 4 réteg jelvezetési feladatot lát el, valamint van egy táp és egy föld síkunk is. A rétegszerkezet kialakításánál a néhány dologra oda kell figyelnünk, amelyek a következőképpen befolyásolják az egyes rétegeken lévő vezetékek hullámimpedanciáját:

·         a referencia síkok távolságával egyenesen arányos

·         a solder mask réteg vastagságával fordítottan arányos

·         a rétegvastagsággal fordítottan arányos

·         a vezetékszélességgel fordítottan arányos

·         a rétegek közti dielektrikum vastagságával fordítottan arányos

50 Ohm körüli hullámimpedancia kialakítására törekedtem, mind a külső, mind a belső rétegeken (21. ábra).

            A pre-layout szimulációkban 40 darab via hatását vizsgáltuk, amelyek 2mm-re helyezkedtek el egymástól, a már korábban definiált rétegszerkezetet használatával. A furatok átmérője 250mm. A top és bottom rétegeket összekötő viák esetében a vevőkhöz a jelek 490ps különbséggel érkeztek (24. ábra). Amiből adódik egy via késleltetése 12,15ps.

     A készülő NYÁK-on 50 via hatását vizsgálom, melyek 3mm távolságban helyezkednek el egymáshoz képest. A post-layout szimulációk hasonló eredményeket adtak (25. ábra) , miszerint 750 ps-ot késik a jel a referenciához képest, ez viánként 15ps-ot jelent. Ez az érték 19 %-kal nagyobb a pre-layout szimuláció eredményénél.

            Összehasonlíthatjuk egy via jelkésleltetését egy ugyanolyan hosszú vezetékével. Mivel a NYÁK-unk 1044 mm vastag, amiből levonhatjuk a forrasztásgátló lakk vastagságát kétszer 18 mm-t, akkor megkapjuk hogy a Top és Bottom rétegek között körülbelül 1 mm a távolság, tehát ennyivel fogunk számolni, mint egy via. A szimulátor szerint a egy ilyen vezetőnek 5.954ps/mm a késleltetése. A post-layout szimulációs eredmények alapján a Top és Bottom rétegeket összekötő viák 15 ps/mm-t.

            A meander alakú vezetőnél azt feltételezzük, hogy a szimulátor a középvonal hosszúságával számol, de a jel valójában a kanyarokban a vezető belső oldalán gyorsabban terjed, ha elég közel vannak egymáshoz a kanyarok, akkor közelhatás is érvényesülhet. Ezt vizsgáltuk meg kétféle elrendezésben single-ended és differenciális esetben is.

A differenciális vezetők 45 cm hosszúak.

            Az elrendezéseket az elérhető SI programok egyikével sem lehet szimulálni, a meanderezett szakaszokat egy darab vezetéknek ábrázolják a programok, így lényegében megegyezik a referencia vezetővel a szimulátor szempontjából. Teljes mértékben a mérési eredményekre kell majd hagyatkoznunk.

            Ebben a mérésben azt vizsgáljuk, hogy a vezetéken keletkező áthallás mennyire rontja el a jel alakját. A victimek az agrosszorral azonos rétegen helyezkednek el, annak két oldalán, többféle távolságra tőle. Az agresszor egyik oldalán ötszörös minimális csíkszélességre lesz egy áldozat, a másik oldalán az egyik áldozat egyszeres, a másik háromszoros csíkszélességre lesz. Ezzel az elrendezéssel vizsgálható lesz az árnyékoló vezeték hatása is, hiszen az áldozatokat be lehet kötni fix föld- avagy táppotenciálra, ha ezt szeretnénk mérni.

A single-ended jelátvitel pre-layout szimulációjában a top rétegen futnak 15cm hosszan egymás mellett a vezetők, szélességük 200mm és 125mm távolságra vannak egymástól. Ez a legkisebb vezetők közti távolság amit az Europrint Eger Kft.-ben 18mm vastagságú rézfólia esetén gyártani tudnak külső rétegen. A következő eredmények adódtak, amikor az agresszorra egy feszültségimpulzust adtam (30. ábra):

w=1     Peak-to-Peak Voltage: 270,2 mV      Max: 155,0 mV          Min: -115,2 mV

w=3     Peak-to-Peak Voltage: 127,6 mV      Max: 57,75 mV          Min: -69,89 mV

w=5     Peak-to-Peak Voltage: 61,27 mV      Max: 19,97 mV          Min: -41,30 mV

– ahol az agresszortól való távolság a w 125 mm-szerese

           Ugyanezt a szimulációt elvégeztük úgy is, hogy az agresszorra oszcilláló feszültséget kapcsoltunk. Rövid kísérletezés után arra az eredményre jutottam, hogy a 310MHz-es, 50%-os kitöltésű négyszögjel okozza a legnagyobb mértékű áthallást jelen esetben (31. ábra).

w=1     Peak-to-Peak Voltage: 355,7 mV      Max: 228 5 mV          Min: -127.2 mV

w=3     Peak-to-Peak Voltage: 162.4 mV      Max: 78.08 mV          Min: -84.33 mV

w=5     Peak-to-Peak Voltage: 86.53 mV      Max: 45.23 mV          Min: -41.30 mV

Az oszcilláló jel láthatólag 30%-kal nagyobb áthallást produkált a szimuláció szerint. Elmondható, hogy a Thevenin lezárás alkalmazásánál egy felfutó él esetén 30%-kal, oszcilláló jel esetén pedig 40%-kal csökken az áthallás mértéke.

A kész NYÁK-on a vezetékek 6.32cm hosszan futnak párhuzamosan egymással (32. ábra).

A post-layout szimuláció eredményei a következők (33. ábra):

w=1 Peak-to-Peak Voltage: 116.0 mV         Max: 67.33 mV          Min: -48.68 mV

w=3 Peak-to-Peak Voltage: 33.13 mV         Max: 14.28 mV          Min: -18.86 mV

w=5 Peak-to-Peak Voltage: 15.18 mV         Max: 5.18 mV                        Min: -10.00 mV

A passzív vezetéken az előre haladó hullámok a vezeték végére érve összegződnek, így nyilvánvaló, hogy minél nagyobb felületen vannak a vezetékek csatolásban egymással, annál nagyobb áthallás lesz tapasztalható. Mivel a pre- és post-layout szimulációknál a vezetékszakaszok nem egyforma hosszúak, hogy összehasonlíthassuk azokat értelmeznünk kell a hosszegységenkénti áthallás fogalmát (mV/cm).

w=1     pre-layout: 18.013 mV/cm                 post-layout: 18.354 mV/cm

w=3     pre-layout:   8.487 mV/cm                 post-layout:   5.242 mV/cm

w=5     pre-layout:   4.085 mV/cm                 post-layout:   2.402 mV/cm

Látható, hogy míg a pre-layout szimuláció legközelebb lévő victim-re megfelelő értéket számolt ki, ahogy távolodunk egyre nagyobb lesz az eltérés.

A differenciális jeleknél feltételezzük, hogy az áthallás mértéke sokkal kisebb lesz, mint single-ended esetben, hiszen a vezetékek valamelyest árnyékolják egymást, illetve távolabb is vannak az agresszortól a vezetőpár egyes vezetékei. A szimulációt elvégezve a következő eredményeket kaptam (34. ábra):

w=1  poz.  Peak-to-Peak Voltage: 23.41 mV   Max: 316.8 mV       Min: 293.4 mV

neg.  Peak-to-Peak Voltage: 15.03 mV   Max: 649.6 mV      Min: 634.6 mV

w=3  poz.  Peak-to-Peak Voltage: 4.84 mV       Max: 305.1 mV     Min: 300.3mV

neg.   Peak-to-Peak Voltage: 5.32 mV                 Max: 643.2 mV    Min: 637.9 mV

w=5  poz.  Peak-to-Peak Voltage: 3.84 mV       Max: 305.2 mV     Min: 301.3 mV

neg.   Peak-to-Peak Voltage: 6.20 mV                 Max: 644.2 mV     Min: 638.0 mV

Az agresszorra 500MHz-es, 50%-os kitöltésű négyszögjelet kapcsolva az áthallás mértéke differenciális esetben is megnövekedett.

w=1  poz.  Peak-to-Peak Voltage: 51.14 mV  Max: 333.7 mV        Min: 282.6 mV

neg.  Peak-to-Peak Voltage: 54.01 mV  Max: 673.1 mV        Min: 619.1 mV

w=3  poz.  Peak-to-Peak Voltage: 13.59 mV   Max: 309.4 mV       Min: 295.8 mV

neg.  Peak-to-Peak Voltage: 13.30 mV   Max: 647.2 mV       Min: 633.9 mV

w=5  poz.  Peak-to-Peak Voltage: 14.06 mV   Max: 310.5 mV       Min: 296.4 mV

neg.  Peak-to-Peak Voltage: 22.56 mV   Max: 652.4 mV       Min: 629.9 mV

Differenciális esetben a vezetékek 6.95cm hosszan futnak teljesen párhuzamosan egymással az elkészült NYÁK-on (35. ábra).

A post-layout szimulációk a következő eredményeket szolgáltatták (36. ábra):

w=1  poz.  Peak-to-Peak Voltage:   6.90 mV   Max: 303.5 mV       Min: 296.5 mV

neg.  Peak-to-Peak Voltage: 17.31 mV  Max: 643.6 mV       Min: 626.3 mV

w=3  poz.  Peak-to-Peak Voltage:    0.8 mV   Max: 301.2 mV        Min: 300.4 mV

neg.  Peak-to-Peak Voltage:  1.79 mV   Max: 639.1 mV        Min: 637.3 mV

w=5  poz.  Peak-to-Peak Voltage: 1.11 mV   Max: 301.7 mV         Min: 300.6 mV

neg.  Peak-to-Peak Voltage: 1.03 mV    Max: 639.6 mV       Min: 638.5 mV

A pre- és post-layout szimulációk eredményeinek összehasonlítása:

w=1     pre-layout poz.: 1.561 mV/cm           post-layout poz.: 0.993 mV/cm

neg.: 1.002 mV/cm                              neg.: 2.491 mV/cm

w=3     pre-layout poz.: 0.323 mV/cm           post-layout poz.: 0.115 mV/cm

neg.: 0.355 mV/cm                              neg.: 0.258 mV/cm

w=5     pre-layout poz.: 0.256 mV/cm           post-layout poz.: 0.160 mV/cm

neg.: 0.413 mV/cm                              neg.: 0.148 mV/cm

A pre- és post-layout szimuláció eredményei eltérnek egymástól és nem mutatnak állandóságot. Ez következhet abból, hogy az áthallás mértéke nagyon kicsi, ezért a két szimuláció közti apró eltérés is nagy mértékben befolyásolhatja az eredményt. Pontos következtetéseket a mérések elvégzése után vonhatunk le.

[1]       LVDS Group. (2004). LVDS Owner’s Manual. National Semiconductor.

[2]       Jim Dietz. (2002). Introduction to M-LVDS (TIA/EIA-899). Dallas, Texas.

[3]       Farkas Ferenc. (2009). Bevezetés a jelintegritásba.

[4]       Szabó Péter es Szűcs Zoltán. (2009). PCB tervezés nagyfrekvenciás digitális áramkörökhöz.

[5]       Alvin Hudson, Rex Nelson. (1994) University Physics. Orlando, Florida.

[6]       Fodor György. (2008). Elektromágneses terek. Budapest: Műegyetemi Kiadó.

[7]       Actel. IBIS Models: Background and Usage.

[8]       Hász Zoltán. (2010). Electrical Verification.

[9]       Franco DiPaolo, Ph.D. (2000). Networks and Devices Using Planar          Transmission Lines. Boca Raton: CRC Press LLC.

1. Bevezetés. 1

2. Az élmeredekség és a jelintegritás kapcsolatának vizsgálata. 1

2.1. Áthallás vizsgálat 1

2.2. Egyszerű Post-Layout szimuláció. 3

2.3. Post layout áthallás analízis. 5

2.4. Post layout EMC problémák. 6

3. TMS320c6455 és Micron DDR2-es modulok illesztése. 8

3.1. Adatlapok feldolgozása. 8

3.2. Kapcsolási rajz előállítása. 8

3.3. Huzalozás. 9

Irodalomjegyzék. 10

Tartalomjegyzék. 10