Elektronisches Design - Was sind die Vorsichtsmaßnahmen für High-Speed PCB Design

(1) Determination of high-speed signals

The delay per unit inch on the PCB ist 0.167ns. Allerdings, wenn es viele Vias gibt, viele Gerätestifte, und viele Einschränkungen auf dem Netzwerkkabel, wird sich die Verzögerung erhöhen. Allgemein, Die Signalanstiegszeit von Hochgeschwindigkeits-Logikgeräten beträgt etwa 0.2ns. Wenn es GaAs Chips auf dem Board gibt, die maximale Verdrahtungslänge beträgt 7.62mm.

Lassen Sie Tr die Signalanstiegszeit und Tpd die Signalleitung Ausbreitungsverzögerung sein. Bei Trâ฀ 4Tpd fällt das Signal in einen sicheren Bereich. Bei 2Tpd fällt das Signal in den Unsicherheitsbereich. Bei Trâ­2Tpd fällt das Signal in den Problembereich. Für Signale, die in unsichere Bereiche und Problembereiche fallen, sollten Hochgeschwindigkeitsverbindungsverfahren verwendet werden.

(2) Übertragungsleitungseffekt

Basierend auf dem oben definierten Übertragungsleitungsmodell, um zusammenzufassen, bringt die Übertragungsleitung die folgenden Effekte auf das gesamte Schaltungsdesign.

2.1 Reflektiertes Signal

Wenn eine Leiterbahn nicht ordnungsgemäß beendet ist (Klemmenabgleich), wird der Signalimpuls vom Antriebsende am Empfangsende reflektiert, was unerwartete Effekte verursacht und das Signalprofil verzerrt. Wenn die Verzerrung sehr signifikant ist, kann sie eine Vielzahl von Fehlern verursachen und Konstruktionsfehler verursachen. Gleichzeitig steigt die Störanfälligkeit verzerrter Signale, was auch zu Konstruktionsfehlern führen kann. Wenn die obige Situation nicht genug betrachtet wird, wird die EMI erheblich zunehmen, was nicht nur die Ergebnisse seines eigenen Designs beeinflusst, sondern auch den Ausfall des gesamten Systems verursacht. Die Hauptgründe für reflektierte Signale sind: zu lange Spuren; Übertragungsleitungen, die nicht durch Abgleich, übermäßige Kapazität oder Induktivität und Impedanzmissstimmung beendet werden.

2.2 Verzögerungs- und Zeitfehler

Signalverzögerung und Timing-Fehler manifestieren sich als: Das Signal springt für einen Zeitraum nicht, wenn das Signal zwischen den hohen und niedrigen Schwellenwerten des Logikpegels wechselt. Übermäßige Signalverzögerung kann Zeitfehler und Verwirrung der Gerätefunktionen verursachen. Probleme entstehen in der Regel, wenn es mehrere Empfänger gibt. Der Schaltungsdesigner muss die ungünstigste Zeitverzögerung bestimmen, um die Richtigkeit des Designs sicherzustellen. Der Grund für die Signalverzögerung: Der Treiber ist überlastet und die Verkabelung ist zu lang.

2.3 Mehrmaliges Überschreiten des Schwellenfehlers der Logik

Das Signal kann während des Übergangsprozesses mehrmals den Schwellenwert der Logik überschreiten, was zu dieser Art von Fehlern führt. Der Fehler beim mehrfachen Überschreiten der Logiknegelschwelle ist eine spezielle Form der Signaloszillation, das heißt, die Oszillation des Signals tritt in der Nähe der Logiknegelschwelle auf, und das mehrfache Überschreiten der Logiknegelschwelle verursacht die Logikfunktionsstörung. Ursachen von reflektierten Signalen: lange Spuren, unbestimmte Übertragungsleitungen, übermäßige Kapazität oder Induktivität und Impedanzanpassung.

2.4 Über- und Unterschießen

Overshoot und Undershoot haben zwei Gründe: Die Spur ist zu lang oder das Signal ändert sich zu schnell. Obwohl die meisten Komponenten-Empfangsenden durch Eingangsschutzdioden geschützt sind, überschreiten diese Überschreitungen manchmal den Spannungsbereich der Komponenten-Stromversorgung bei weitem und beschädigen Komponenten.

(3) Methoden zur Vermeidung von Übertragungsleitungseffekten

Angesichts der Einflüsse, die durch die oben genannten Übertragungsleitungsprobleme eingeführt werden, sprechen wir über die Methoden, diese Einflüsse aus den folgenden Aspekten zu steuern.

3.1 Steuern Sie streng die Länge der Schlüsselnetzwerkkabel

Wenn es eine Hochgeschwindigkeitsübergangskante im Design gibt, muss das Problem des Übertragungsleitungseffekts auf der Leiterplatte berücksichtigt werden. Schnelle integrierte Schaltungschips mit sehr hohen Taktfrequenzen, die heutzutage häufig verwendet werden, haben solche Probleme. Es gibt einige Grundprinzipien, um dieses Problem zu lösen: Wenn CMOS- oder TTL-Schaltungen für den Entwurf verwendet werden, ist die Betriebsfrequenz kleiner als 10MHz, und die Verdrahtungslänge sollte nicht größer als 7 Zoll sein. Die Verdrahtungslänge sollte nicht größer als 1,5 Zoll bei 50MHz sein. Wenn die Betriebsfrequenz 75MHz erreicht oder überschreitet, sollte die Verdrahtungslänge 1 Zoll sein. Die maximale Verdrahtungslänge für GaAs-Chips sollte 0,3 Zoll betragen. Wird diese Norm überschritten, kommt es zu Übertragungsleitungsproblemen.

3.2 Planen Sie die topologische Struktur der Verdrahtung vernünftig

Eine weitere Möglichkeit, den Übertragungsleitungseffekt zu lösen, besteht darin, den richtigen Verdrahtungsweg und die richtige Klemmentopologie auszuwählen. Die topologische Struktur der Verdrahtung bezieht sich auf die Verdrahtungsfolge und Verdrahtungsstruktur eines Netzwerkkabels. Bei Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Logikgeräten, es sei denn, die Länge des Trace-Zweiges wird kurz gehalten, Signale mit schnell wechselnden Kanten werden durch die Abzweigspuren auf der Signalstammspur verzerrt. Unter normalen Umständen, Leiterplattenrouting uses two basic topologies, nämlich Daisy Chain Routing und Star Distribution.

Bei der Daisy Chain Verdrahtung beginnt die Verdrahtung vom Antriebsende und erreicht nacheinander jedes Empfangsende. Wird ein Reihenwiderstand verwendet, um die Signaleigenschaften zu ändern, sollte die Position des Reihenwiderstands nahe am Antriebsende liegen. In Bezug auf die Steuerung der harmonischen Störung der Verdrahtung hoher Ordnung hat die Gänseblümchenverdrahtung den besten Effekt. Diese Verdrahtungsmethode hat jedoch die niedrigste Verteilungsrate, und es ist nicht einfach, 100%. Bei der eigentlichen Auslegung machen wir die Verzweigungslänge in der Daisy Chain Verdrahtung so kurz wie möglich. Der Wert der sicheren Länge sollte lauten: Stub Delay <= Trt *0.1.

Die Sterntopologiestruktur kann das asynchrone Problem des Taktsignals effektiv vermeiden, aber es ist sehr schwierig, die Verkabelung auf der Leiterplatte mit hoher Dichte manuell abzuschließen. Die Verwendung eines automatischen Routers ist der beste Weg, um die Sternverdrahtung abzuschließen. An jedem Zweig sind Abschlusswiderstände erforderlich. Der Widerstand des Anschlusswiderstandes sollte der charakteristischen Impedanz der Verbindung entsprechen. Diese kann manuell oder mit CAD-Werkzeugen berechnet werden, um den charakteristischen Impedanzwert und den Klemmenabgleich-Widerstandswert zu berechnen.

Die Reihenwiderstandsanpassung erzeugt keinen zusätzlichen Stromverbrauch, verlangsamt aber die Signalübertragung. Diese Methode wird für Busantriebsschaltungen verwendet, bei denen die Zeitverzögerung wenig Auswirkungen hat. Der Vorteil der Reihenwiderstandsanpassung ist, dass sie die Anzahl der Bordgeräte und die Verdrahtungsdichte reduzieren kann.

Die letzte Methode besteht darin, das passende Terminal zu trennen. Auf diese Weise muss das passende Bauteil nahe dem Empfangsende platziert werden. Der Vorteil ist, dass es das Signal nicht herunterzieht und Rauschen sehr gut vermieden werden kann. Typischerweise verwendet für TTL-Eingangssignale (ACT, HCT, FAST).

Darüber hinaus sind der Gehäusetyp und der Installationstyp des Klemmenabpassers ebenfalls zu berücksichtigen. Im Allgemeinen haben SMD-Oberflächenmontagewiderstände eine niedrigere Induktivität als Durchgangslochkomponenten, so dass SMD-verpackte Komponenten die erste Wahl werden. Wenn Sie gewöhnliche Inline-Widerstände wählen, gibt es auch zwei Optionen für die Installation: vertikal und horizontal.

Im vertikalen Installationsmodus, Ein Montagestift des Widerstands ist sehr kurz, which can reduce the thermal resistance between the resistor and the circuit Brett, so dass die Wärme des Widerstands leichter in die Luft abgeführt werden kann. Aber eine längere vertikale Installation erhöht die Induktivität des Widerstands. Horizontale Installation hat eine geringere Induktivität aufgrund der geringeren Installation. Allerdings, der überhitzte Widerstand wird driften. Im schlimmsten Fall, der Widerstand wird zu einem offenen Kreis, Ursache der Leiterplattenverfolgung termination matching failure and becoming a potential failure factor.

3.3 Methoden zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen

A good solution to the signal integrity problem will improve the electromagnetic compatibility (EMC) of the Leiterplatte. Eine der sehr wichtigen Aspekte ist, sicherzustellen, dass die PCB Brett has a good grounding. Es ist sehr effektiv, eine Signalschicht mit einer Masseschicht für komplexe Designs zu verwenden. Darüber hinaus, Die Minimierung der Signaldichte der äußersten Schicht der Leiterplatte ist auch eine gute Möglichkeit, elektromagnetische Strahlung zu reduzieren. Diese Methode kann durch die Verwendung der "Oberflächenschicht"-Technologie "Aufbau" Design und Fertigung realisiert werden PCB. Die Oberflächenschicht wird durch Hinzufügen einer Kombination aus einer dünnen Isolierschicht und Mikrolöchern realisiert, die verwendet werden, um diese Schichten in einem gemeinsamen Prozess zu durchdringen PCB. Der Widerstand und die Kapazität können unter der Oberflächenschicht begraben werden, und die Spurendichte pro Flächeneinheit wird nahezu verdoppelt. Verringern Sie die Größe der PCB. Die Verringerung der PCB Fläche hat einen großen Einfluss auf die Topologie der Spur, was bedeutet, dass die Stromschleife reduziert wird, die Länge der Abzweigspur wird reduziert, und die elektromagnetische Strahlung ist ungefähr proportional zur Fläche der Stromschleife; zur gleichen Zeit, Die geringe Größe bedeutet eine hohe Bleidichte Fußverpackte Geräte können verwendet werden, was wiederum die Länge des Drahtes reduziert, Dadurch wird die Stromschleife reduziert und die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert.

Zusammenfassend, das obige ist das Design von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten.