cuprins elemente de compatibilitate electromagnetică şi de integritate a semnalelor

MODALITĂŢI DE INVESTIGARE A

STRUCTURILOR DE INTERCONECTARE DIN PUNCT DE VEDERE A

COMPATIBILITĂŢII ELECTROMAGNETICE

MODALITĂŢI DE INVESTIGARE A

STRUCTURILOR DE INTERCONECTARE DIN PUNCT DE VEDERE A

COMPATIBILITĂŢII ELECTROMAGNETICE

CUPRINS1.Elemente de compatibilitate

electromagnetică şi de integritate a semnalelor

2.Introducere în Omega Plus

3.Modulele disponibile

4.Boardscan - Utilizare şi exemplificare

CUPRINS1.Elemente de compatibilitate

electromagnetică şi de integritate a semnalelor

2.Introducere în Omega Plus

3.Modulele disponibile

4.Boardscan - Utilizare şi exemplificare

Se poate afirma că orice modul şi orice echipament electronic emite semnale electromagnetice atunci când este funcţional.

Pentru că orice echipament electronic este sensibil la câmp electromagnetic, funcţionarea sa normală poate fi perturbată de emisiile electromagnetice generate de alte echipamente.

Pentru o bună funcţionare în siguranţă a tuturor aparatelor şi echipamentelor au fost stabilite standarde internaţionale care au ca scop stabilirea şi permiterea funcţionării echipamentelor în diferite situaţii.

Se poate afirma că orice modul şi orice echipament electronic emite semnale electromagnetice atunci când este funcţional.

Pentru că orice echipament electronic este sensibil la câmp electromagnetic, funcţionarea sa normală poate fi perturbată de emisiile electromagnetice generate de alte echipamente.

Pentru o bună funcţionare în siguranţă a tuturor aparatelor şi echipamentelor au fost stabilite standarde internaţionale care au ca scop stabilirea şi permiterea funcţionării echipamentelor în diferite situaţii.

Pentru a fi prudent e bine ca proiectarea cablajului imprimat să se facă cu regulile de compatibilitate electromagnetică în minte, asta pentru a elimina emisia excesivă a platformei de prototip.

O cale preferată este aceea de identifica problemele din stadiul de board şi a le rectifica. Apoi, dacă o frecvenţă particulară este identificată, inginerul poate face faţă situaţiei de a identifica care net sau segment de net este cel care a cauzat emisia particulară.

Pentru a fi prudent e bine ca proiectarea cablajului imprimat să se facă cu regulile de compatibilitate electromagnetică în minte, asta pentru a elimina emisia excesivă a platformei de prototip.

O cale preferată este aceea de identifica problemele din stadiul de board şi a le rectifica. Apoi, dacă o frecvenţă particulară este identificată, inginerul poate face faţă situaţiei de a identifica care net sau segment de net este cel care a cauzat emisia particulară.

Odată ce o emisie deosebit de mare este detectată pe anumite frecvenţe, scopul este de a înăbuşi această emisie. Tehnicile brute şi costisitoare implicate în producţie îngrădesc posibilităţile de remediere şi diversele metode de eliminare sunt venite prea târziu pentru a mai remedia ceva. Alternativa este aceea de a se lua în considerare fenomenul de emisie încă de la nivelul de board.

Odată ce o emisie deosebit de mare este detectată pe anumite frecvenţe, scopul este de a înăbuşi această emisie. Tehnicile brute şi costisitoare implicate în producţie îngrădesc posibilităţile de remediere şi diversele metode de eliminare sunt venite prea târziu pentru a mai remedia ceva. Alternativa este aceea de a se lua în considerare fenomenul de emisie încă de la nivelul de board.

Paşii care trebuie să fie luaţi în considerare de un soft de analiză:

Paşii care trebuie să fie luaţi în considerare de un soft de analiză:

• Curentul în domeniul timp este simulat pentru toate neturile, sau la cerere pentru anumite neturi;• O analiză FFT (Fast Fourier Transform) este realizată pentru a obţine armonicele conţinute de formele de undă în domeniul timp;• Fiecărui net i se asociază un număr şi se sparge în subelemente până la un segment de antenă căreia i se specifică localizarea şi direcţia;• Emisia din pin şi vias este de asemenea o linie de transmisiune care ar fi probabil să conteze. Asta însemnă că simulatorul ar trebui să afişeze emisia şi când cablajul imprimat este inclus în folii de cupru (de exemplu, stripline);

• Curentul în domeniul timp este simulat pentru toate neturile, sau la cerere pentru anumite neturi;• O analiză FFT (Fast Fourier Transform) este realizată pentru a obţine armonicele conţinute de formele de undă în domeniul timp;• Fiecărui net i se asociază un număr şi se sparge în subelemente până la un segment de antenă căreia i se specifică localizarea şi direcţia;• Emisia din pin şi vias este de asemenea o linie de transmisiune care ar fi probabil să conteze. Asta însemnă că simulatorul ar trebui să afişeze emisia şi când cablajul imprimat este inclus în folii de cupru (de exemplu, stripline);

Paşii care trebuie să fie luaţi în considerare de un soft de analiză:

Paşii care trebuie să fie luaţi în considerare de un soft de analiză:

• Utilizând legea Biot-Savart, valorile Hx, Hy şi Hz sunt calculate prin integrare peste toate elementele curentului la o înălţime arbitrar aleasă (de exemplu, 5mm) pe toată placa;• Programul trebuie apoi să afişeze maximul radiaţiei pentru fiecare frecvenţă;• Apoi trebuie să fie selectat traseul care este principalul contribuabil la aflarea respectivului punct “hot”.• În final, simulatorul trebuie să permită utilizatorului să aleagă diverse tipuri de terminaţii pentru a determina soluţia cea mai bună a semnalului.

• Utilizând legea Biot-Savart, valorile Hx, Hy şi Hz sunt calculate prin integrare peste toate elementele curentului la o înălţime arbitrar aleasă (de exemplu, 5mm) pe toată placa;• Programul trebuie apoi să afişeze maximul radiaţiei pentru fiecare frecvenţă;• Apoi trebuie să fie selectat traseul care este principalul contribuabil la aflarea respectivului punct “hot”.• În final, simulatorul trebuie să permită utilizatorului să aleagă diverse tipuri de terminaţii pentru a determina soluţia cea mai bună a semnalului.

În cele ce urmează se prezintă cei trei factori ai semnalelor care determină emisia:

• Pulsurile repetate cu o anumită frecvenţă (de exemplu, semnalul de ceas);

• Fronturile semnalelor;

• Reflexiile datorate neadaptării.

În cele ce urmează se prezintă cei trei factori ai semnalelor care determină emisia:

• Pulsurile repetate cu o anumită frecvenţă (de exemplu, semnalul de ceas);

• Fronturile semnalelor;

• Reflexiile datorate neadaptării.

Hardware:

-Pentium, 32MB RAM, Windows 95, NT4.

-Rularea s-a efectuat pe un sistem K6-II/400, 64 MB RAM şi pe alt sistem ATHLON 1,2 cu 512MB RAM.

Quantic OMEGA PLUS:-BoardScan

-EZ Greenfield 2D

-Phidias/IBIS

-Impedance Calculator

-Database Manager

Quantic OMEGA PLUS:-BoardScan

-EZ Greenfield 2D

-Phidias/IBIS

-Impedance Calculator

-Database Manager

BoardScan

- Analiza unui singur traseu

- Analiza a doua trasee pentru crosstalk

- Emisia unui cablaj imprimat (reducerea numărului de pulsuri, vizualizarea spectrului curentului, vizualizarea spectrului câmpului magnetic, vizualizarea traseului ”hot”, vizualizarea formei de undă a curentului)

Analiza unui net (traseu)

-alegerea setarilor dorite

-afisare/zoom

-culori

-analiza curent/tensiune, emisivitate

-vizualizare rezultate

Analiza a două neturi (trasee)

-setarea pentru crosstalk

-rularea analizei

EZ Greenfield 2D

- Este un modul cu care se poate crea şi analiza modelul de circuit echivalent pentru structurile de multiconductor, microstrip şi stripline.

MicrostripMicrostrip

StriplineStripline

Phidias/IBIS

- Este un program simplu cu care se pot crea modele de drivere şi receptoare pentru a fi utilizate în Quantic BoardScan şi Greenfield.

Impedance Calculator

- Este un modul free de calcul al impedanţei unui singur traseu exprimată în ohmi.

Database Manager

- Permite proiectarea şi modelarea rapidă a unui manager de biblioteci şi permite afişarea, adăugarea şi ştergerea modelelor în baza de date pentru componente, translaţii şi subcircuit.

BoardScan

BoardScan

IMPORTUL FIŞIERELOR CAD:

-Cadence Specctra/OrCAD

-VeriBest

-Zuken Redac CADSTAR

-Accel EDA, Accel P-CAD

-Pads PowerPCB

-Protel

IMPORTUL FIŞIERELOR CAD:

-Cadence Specctra/OrCAD

-VeriBest

-Zuken Redac CADSTAR

-Accel EDA, Accel P-CAD

-Pads PowerPCB

-Protel

CADSTARfor

WINDOWS

OMEGAPLUS

PCB CADIF

NIFQSY

CADSTARO

ME

GA

Omega Save

Fluxul de date pentru convertirea unui fişier CADSTAR într-un fişier OMEGA PLUS

Pentru o exemplificare mai detailată a influenţei tehnologiei asupra distribuţiei câmpului magnetic la nivelul cablajului imprimat, se pot observa cele două exemple care urmează.

Pentru o exemplificare mai detailată a influenţei tehnologiei asupra distribuţiei câmpului magnetic la nivelul cablajului imprimat, se pot observa cele două exemple care urmează.

Primul exemplu este cel care se referă la o placă de test care este analizată în două cazuri:

•cu componente din tehnologia TTL

•cu componente din tehnologia CMOS

Primul exemplu este cel care se referă la o placă de test care este analizată în două cazuri:

•cu componente din tehnologia TTL

•cu componente din tehnologia CMOS

TTL

CMOS

CMOSTTL

Generând alt set de simulări pentru un alt modul electronic se obţin reprezentările următoare. În acest caz, alături de tehnologiile TTL şi CMOS mai este analizată şi tehnologia HCT. Chiar dacă în acest caz nu se realizează şi o deplasare a punctului de maxim al câmpului magnetic, se observă variaţia acestuia pe acelaşi loc.

Generând alt set de simulări pentru un alt modul electronic se obţin reprezentările următoare. În acest caz, alături de tehnologiile TTL şi CMOS mai este analizată şi tehnologia HCT. Chiar dacă în acest caz nu se realizează şi o deplasare a punctului de maxim al câmpului magnetic, se observă variaţia acestuia pe acelaşi loc.

Rezultatele obţinute la simularea cu componente din tehnologia TTL

Rezultatele obţinute la simularea cu componente din tehnologia HCT

Rezultatele obţinute la simularea cu componente din tehnologia CMOS

Utilizând un soft dedicat problematicii compatibilităţii electromagnetice şi integrităţii semnalelor se poate realiza o analiză care să determine luarea unei decizii de îmbunătăţire a cablajului imprimat printr-o replasare a componentelor şi o rerutare.

Una din posibilităţile mediului de simulare Quantic Omega Plus este cea legată de eliminarea prin plasarea de terminaţii a oscilaţiilor parazite care apar pe neturi.

Utilizând un soft dedicat problematicii compatibilităţii electromagnetice şi integrităţii semnalelor se poate realiza o analiză care să determine luarea unei decizii de îmbunătăţire a cablajului imprimat printr-o replasare a componentelor şi o rerutare.

Una din posibilităţile mediului de simulare Quantic Omega Plus este cea legată de eliminarea prin plasarea de terminaţii a oscilaţiilor parazite care apar pe neturi.

Ca urare a utilizării acestui program în laboratorul de testare se vor face mici retuşuri şi calibrări fără a mai fi necesară o măsurare a câmpului magnetic şi electric care este emis.

Timpul de remodelare a cablajului imprimat încă din faza de “proiect software” este mult mai mic decât cel care este în faza de testare în laborator.

Ca urare a utilizării acestui program în laboratorul de testare se vor face mici retuşuri şi calibrări fără a mai fi necesară o măsurare a câmpului magnetic şi electric care este emis.

Timpul de remodelare a cablajului imprimat încă din faza de “proiect software” este mult mai mic decât cel care este în faza de testare în laborator.

1. Introduction

2. Preliminary

3. Simulation

4. Conclusions

1. Introduction

2. Preliminary

3. Simulation

4. Conclusions

~ CLOCK CIRCUIT ~~ CLOCK CIRCUIT ~

The clock is the signal with the highest frequency in an electronic system, and in addition it must be available almost everywhere in a system module.

Every digital system has a clock oscillator and different circuits which work at this frequency, resulting the necessity of the clock distribution.

To a significant degree, clock generator, associated components, and distribution lines account for the emissions generated on a PCB.

A clock circuit area is defined as the functional area that physically contains the clock oscillator and/or its buffers, drivers, and associated components, both active and passive.

The clock is the signal with the highest frequency in an electronic system, and in addition it must be available almost everywhere in a system module.

Every digital system has a clock oscillator and different circuits which work at this frequency, resulting the necessity of the clock distribution.

To a significant degree, clock generator, associated components, and distribution lines account for the emissions generated on a PCB.

A clock circuit area is defined as the functional area that physically contains the clock oscillator and/or its buffers, drivers, and associated components, both active and passive.

1. Introduction1. Introduction

Lately the analysis of electromagnetic interference of clock signal and distribution circuit became very important because the clock frequency increases and the time parameters (the delay propagation times, rise and fall times) decrease.

For this reason, the clock distribution has a great significance in a system and particular attention should be paid to the way it is implemented.

In the paper it is presented the analysis of the emission electromagnetic for clock oscillator and distributed circuits using the Omega PLUS program.

This analysis will be realized according to: the technological type of the digital circuits used for clock oscillator and distribution circuit; the clock frequency; the type of printed circuit board, have in view the plane number and the placement of the power, the ground and the signal planes.

Lately the analysis of electromagnetic interference of clock signal and distribution circuit became very important because the clock frequency increases and the time parameters (the delay propagation times, rise and fall times) decrease.

For this reason, the clock distribution has a great significance in a system and particular attention should be paid to the way it is implemented.

In the paper it is presented the analysis of the emission electromagnetic for clock oscillator and distributed circuits using the Omega PLUS program.

This analysis will be realized according to: the technological type of the digital circuits used for clock oscillator and distribution circuit; the clock frequency; the type of printed circuit board, have in view the plane number and the placement of the power, the ground and the signal planes.

1. Introduction1. Introduction

2. Preliminary2. Preliminary

CADSTARfor

WINDOWS

OMEGAPLUS

2. Preliminary2. Preliminary

PCB CADIF

NIFQSY

CADSTARO

ME

GA

OMEGA SAVE

CADSTAR and OMEGA PLUS flowchart

2. Preliminary2. Preliminary

Schematic Capture

2. Preliminary2. Preliminary

A typical clock distribution circuit

2. Preliminary2. Preliminary

For this simulation we use all integrated circuits in SMT.

We choose for simulation the frequency 10, 30, 50 MHz because all circuits support this values.

The emission is calculated from top layer at the 5mm above the board.

We use some typical technologies of integrated circuits: ALS, HCT, ECL, S, FAST, TTL, ACT, FCT, CMOS

For this simulation we use all integrated circuits in SMT.

We choose for simulation the frequency 10, 30, 50 MHz because all circuits support this values.

The emission is calculated from top layer at the 5mm above the board.

We use some typical technologies of integrated circuits: ALS, HCT, ECL, S, FAST, TTL, ACT, FCT, CMOS

3. Simulation3. Simulation

Start from this schematics we have generated four type of PCB:

with 2 layers 4 layers TOP-GND-VCC-BOTTOM with track on both layer variant 1 4 layers TOP-GND-VCC-BOTTOM with the majority of track on bottom layer variant 2 (marked with * in table) 4 layers TOP-GND-VCC-BOTTOM with the majority of track on top layer variant 3 (marked with ** in table)

Start from this schematics we have generated four type of PCB:

with 2 layers 4 layers TOP-GND-VCC-BOTTOM with track on both layer variant 1 4 layers TOP-GND-VCC-BOTTOM with the majority of track on bottom layer variant 2 (marked with * in table) 4 layers TOP-GND-VCC-BOTTOM with the majority of track on top layer variant 3 (marked with ** in table)

3. Simulation3. Simulation

2 layers

3. Simulation3. Simulation

4 layers TOP-GND-VCC-BOTTOMwith track on both layer

3. Simulation3. Simulation

4 layers TOP-GND-VCC-BOTTOMwith the majority of track on bottom layer

3. Simulation3. Simulation

4 layers TOP-GND-VCC-BOTTOMwith the majority of track on top layer

3. Simulation3. Simulation

All 4 variant of PCBs

3. Simulation3. Simulation

Tab.1 Maxim magnetic field (A/m)

Freq.

2 layers4 layers

Top-GND-VCC-Bottom Top-GND-VCC-Bottom* Top-GND-VCC-Bottom**

ALS HCT ECL ALS HCT ECL ALS HCT ECL ALS HCT ECL

10 36,559 23,027 8,0809 25,954 39,800 6,4708 13,846 19.295 2,872 60.464 98,67 17,50

30 104,34 52,046 11,623 68,398 82,206 19,360 36,579 40,207 9,713 153,21 207,7 48,16

50 54,03 79,294 7,3008 27,575 91,333 10,565 13,678 45,591 3,806 67,792 224,9 28,19

Tab. 2 Maxim electric field (V107/m)

Freq.

2 layers4 layers

Top-GND-VCC-Bottom Top-GND-VCC-Bottom* Top-GND-VCC-Bottom**

ALS HCT ECL ALS HCT ECL ALS HCT ECL ALS HCT ECL

10 3,2986 2,264 0,962 5,693 8,826 1,388 3,076 4,287 0,638 13,839 22,584 3,9845

30 3,1767 1,684 0,438 5,048 6,183 1,419 2,709 2,977 0,719 11,68 15,85 3,675

50 0,9702 1,546 0,1825 1,235 4,122 0,466 0,607 2,025 0,169 3,103 10,299 1,2906

3. Simulation3. Simulation

The representative of magnetic field for HCT in 2 layers

3. Simulation3. Simulation

The representative of magnetic field for HCT in 4 layers variant 1

3. Simulation3. Simulation

The representative of magnetic field for HCT in 4 layers variant 2

3. Simulation3. Simulation

The representative of magnetic field for HCT in 4 layers variant 3

3. Simulation3. Simulation

3. Simulation3. Simulation

The representative of electric field for HCT in 2 layers

3. Simulation3. Simulation

The representative of electric field for HCT in 4 layers variant 1

3. Simulation3. Simulation

The representative of electric field for HCT in 4 layers variant 2

3. Simulation3. Simulation

The representative of electric field for HCT in 4 layers variant 3

3. Simulation3. Simulation

3. Simulation3. Simulation

The aggressive track for HCT in 2 layers

3. Simulation3. Simulation

CONCLUSIONS

CONCLUSIONS

first and the most interesting conclusion, the map of magnetic and electric field is almost identical for all four variant of PCB with diverse value of maxim;

for all map the maximum value of magnetic and electric field is in oscillator zone;

in generally the internal ground and power plane decrease the emission of magnetic and electric field;

from the magnetic and electric field point of view the top of technologies from the best to the fool is: ECL, FAST, TTL, S, ACT, CMOS, HCT, ALS, FCT (10 MHz);

technologies S and TTL have the same amplitude of electromagnetic field;

for variant 3 from 4 layers category, where the majority of tracks are in top layer, the internal planes don’t have effect at electromagnetic emission;

first and the most interesting conclusion, the map of magnetic and electric field is almost identical for all four variant of PCB with diverse value of maxim;

for all map the maximum value of magnetic and electric field is in oscillator zone;

in generally the internal ground and power plane decrease the emission of magnetic and electric field;

from the magnetic and electric field point of view the top of technologies from the best to the fool is: ECL, FAST, TTL, S, ACT, CMOS, HCT, ALS, FCT (10 MHz);

technologies S and TTL have the same amplitude of electromagnetic field;

for variant 3 from 4 layers category, where the majority of tracks are in top layer, the internal planes don’t have effect at electromagnetic emission;

4. Conclusions4. Conclusions

fig. 6

the different effect is in case of PCB with majority tracks in bottom layer, where the emission in top layer have the minimum value;

in 2 layers PCB the magnetic field have two lobes centre on aggressive track;

in 2 layers PCB observe the multiple point of electrical field with different value;

some of integrated circuits technologies determine in 4 layers (variant 1) a smaller value of magnetic field relative of 2 layers PCB (ALS, HCT, ECL, FCT);

another technologies of integrated circuits determine bigger value of magnetic field in 4 layers (variant 1) relative to 2 layers PCB (S, FAST, TTL, ACT, CMOS);

in electric field case the situation is incline in 4 layers (variant 1) with bigger value in all frequency.

the different effect is in case of PCB with majority tracks in bottom layer, where the emission in top layer have the minimum value;

in 2 layers PCB the magnetic field have two lobes centre on aggressive track;

in 2 layers PCB observe the multiple point of electrical field with different value;

some of integrated circuits technologies determine in 4 layers (variant 1) a smaller value of magnetic field relative of 2 layers PCB (ALS, HCT, ECL, FCT);

another technologies of integrated circuits determine bigger value of magnetic field in 4 layers (variant 1) relative to 2 layers PCB (S, FAST, TTL, ACT, CMOS);

in electric field case the situation is incline in 4 layers (variant 1) with bigger value in all frequency.

fig. 6

4. Conclusions4. Conclusions

4. Conclusions4. Conclusions

Some of the general rules for decreasing the electromagnetical interference o clock circuits which are presented in subcapitol 2 of this paper are checked through this simulation with Omega Plus:

place clocks and oscillator in a separate zone;

do not route traces in vicinity of the oscillator output pin or directly under the oscillator;

all clock interconnection should be made as short as possible and with minimum area;

minimize number of vias in clock interconnection;

be careful in selection of technologies of clock system integrated circuits.

Some of the general rules for decreasing the electromagnetical interference o clock circuits which are presented in subcapitol 2 of this paper are checked through this simulation with Omega Plus:

place clocks and oscillator in a separate zone;

do not route traces in vicinity of the oscillator output pin or directly under the oscillator;

all clock interconnection should be made as short as possible and with minimum area;

minimize number of vias in clock interconnection;

be careful in selection of technologies of clock system integrated circuits.

Start from this simulation with Quantic Omega Plus results that the clock circuit is very important because he have the bigger electromagnetic emission from all schematic.

For this reason, the clock distribution has a great significance in a system and particular attention should be paid to the way it is implemented.

Start from this simulation with Quantic Omega Plus results that the clock circuit is very important because he have the bigger electromagnetic emission from all schematic.

For this reason, the clock distribution has a great significance in a system and particular attention should be paid to the way it is implemented.

4. Conclusions4. Conclusions

THANK YOU

FOR YOUR ATTENTION !

THANK YOU

FOR YOUR ATTENTION !

Design: Ciszkowski Willi