Yüksek hızlı baskı devre kartlarında sinyal bütünlüğünün incelenmesi

Abstract

Modern elektronik cihazlarda sinyal hızlarının oldukça artması ile yüksek hızlı iletim hatlarının olduğu PCBlerin tasarımı daha çok dikkat gerektiren hale gelmiştir. Dijital haberleşme sistemlerinde sinyal bütünlüğü ve elektromanyetik uyumluluğun sağlanması daha da önem kazanmıştır. Bu PCBlerin tasarımında farklı tasarım teknikleri ve parametreleri kullanılması gerekmektedir. Yüksek hızlı iletim hatları çizilirken bu tasarım parametrelerine dikkat edilmesi gerekmekte, aksi durumda kartta sinyal kayıpları ve hataları oluşabilmektedir. Aynı zamanda bu PCBlerin doğru bir şekilde analiz edilmesi ve simüle edilmeleri, sinyal bütünlüğünün sağlanması ile oluşabilecek hataların önceden görülebilmesini ve düzeltilebilmesini, ayrıca üretim maliyetinin düşürülmesini sağlar. Sinyal bütünlüğü problemleri, yansıma ve iletim kayıpları kaynaklı sinyal zayıflaması ve sinyaller arasında oluşan çapraz karışma kaynaklıdır. Bu problemleri en aza indirmede değişik tasarım parametreleri ve yaklaşımları etkili olmaktadır. Bu parametreler PCB için stack-up, yerleşim, iletim hattının geometrisi, kullanılan bağlantı ve terminasyon elemanları olarak belirtilebilir. Bu tez kapsamında yukarıda açıklanan tasarım parametreleri ve sinyal bütünlüğü konusu literatür araştırması yapılarak kapsamlı olarak ele alınmıştır. Daha sonra bu parametrelerden bazıları belirlenerek simülasyonlar gerçekleştirilmiş ve bu parametrelerin iletim hattının sinyal bütünlüğü üzerindeki etkileri incelenmiş ve yüksek hızlı iletim hatlarının bulunduğu PCBler için bir tasarım modeli oluşturmak hedeflenmiştir. Kullanılan parametreler stack-up ve malzeme seçimi, seri komponentlerin etkisi, via türü ve yapısıdır. Simülasyonlarda çok katlı PCB'lerde sinyal bütünlüğü için önemli bir tasarım parametresi olan vialar üzerinde yoğunlaşılmıştır. Via geometrisinin sinyal bütünlüğüne etkisi via ped çapı, delik çapı, diferansiyel vialarda vialar arası mesafe, antiped çapı, paylaşımlı via anti-ped yapısı, fonksiyonel olmayan via pedleri, via yüksekliği ve via kalıntıları çerçevesinde incelenmiştir. Bu parametreler ile sinyal bütünlüğü sonuçları karakteristik empedans ölçümü, yansıma ve iletim kayıpları kapsamında karşılaştırılmıştır ve bu parametrelerin sinyal bütünlüğü üzerindeki etkisi gösterilmiştir. Simülasyon sayıları artırılarak bu parametrelerden hangilerinin sinyal bütünlüğüne daha baskın olarak etki ettiği ve via optimizasyonu için nasıl bir yol izlenebileceği araştırılmıştır. Aynı zamanda teorik olarak bilinen etkilerin seviyesi simülasyon ile belirlenerek fayda-zarar analizinin yapılmasının kolaylaştırılması amaçlanmıştır. Karakteristik empedansın hesaplanması ve stack-up oluşturulması için Saturn PCB Design ve Advanced Design System (ADS) programları kullanılmıştır. Hatların şematik ve PCB çizimleri için Altium Designer Programı, simülasyonlar için ise 3 boyutlu tam dalga elektromanyetik alan simülatörü eklentisi bulunan ADS programı kullanılmıştır.