Leiterplattentechnisch - Analyse der Signalintegrität im Entwurf von Hochgeschwindigkeitsschaltungen

Da die Systemtaktfrequenz und die Anstiegszeit zunehmen, wird das Design der Signalintegrität immer wichtiger. Leider erkennen die meisten Designer digitaler Schaltungen die Bedeutung von Signalintegritätsproblemen nicht oder erkennen sie erst in der Endphase des Designs.

Dieser Artikel stellt den Einfluss der Signalintegrität auf das Design digitaler Hochgeschwindigkeits-Hardwareschaltungen vor. Dazu gehören Themen wie charakteristische Impedanzsteuerung, Klemmenabgleich, Leistungs- und Masseebenen, Signalrouting und Übersprechen. Die Beherrschung dieses Wissens ermöglicht es einem digitalen Schaltungsdesigner, potenzielle Signalintegritätsprobleme in den frühen Phasen des Schaltungsdesigns zu erkennen, und es kann dem Design auch helfen, die Auswirkungen der Signalintegrität auf die Entwurfsleistung zu vermeiden.

Obwohl Signalintegrität schon immer eine der notwendigen Konstruktionserfahrungen für Hardware-Ingenieure war, wurde sie beim Entwurf digitaler Schaltungen lange ignoriert. Im Zeitalter des Designs von Logikschaltungen mit niedriger Geschwindigkeit, da Probleme mit der Signalintegrität selten auftreten, wird die Berücksichtigung der Signalintegrität als Verschwendung der Effizienz betrachtet. Da Taktraten und Anstiegszeiten in den letzten Jahren zugenommen haben, sind auch die Notwendigkeit und das Design der Signalintegritätsanalyse gestiegen. Leider haben die meisten Designer das Problem der Signalintegrität im Design nicht bemerkt und berücksichtigen es immer noch selten.

Moderne digitale Schaltungen können Frequenzen bis zu GHz erreichen und haben Anstiegszeiten innerhalb von 50ps. Bei dieser Geschwindigkeit beträgt die Fahrlässigkeit auf der Leiterplattendesignspur sogar einen Fuß, und die resultierenden Spannungs-, Verzögerungs- und Schnittstellenprobleme sind nicht nur auf diese Linie beschränkt, sondern betreffen auch die gesamte Platine und angrenzende Platinen.

Dieses Problem ist besonders bei Hybridschaltungen gravierend. Denken Sie beispielsweise daran, dass es einen Hochleistungs-ADC in einem System gibt, um analoge Signale digital zu empfangen. Die Energie, die auf dem digitalen Ausgangsport des ADC-Geräts verteilt wird, kann leicht 130dB erreichen (10,000,000,000,000-mal) als der analoge Eingangsport. Jedes Rauschen auf dem digitalen ADC-Anschluss. Signalintegrität im Design ist kein mysteriöser Prozess. Es ist entscheidend, die potenziellen Probleme in den frühen Phasen des Entwurfs zu erkennen und die dadurch verursachten Probleme in den späteren Phasen effektiv zu vermeiden. In diesem Artikel werden einige wichtige Herausforderungen der Signalintegrität diskutiert und wie man damit umgeht.

Signalintegrität sicherstellen:

1. Isolierung

Komponenten auf einer Leiterplatte haben verschiedene Kantenraten und verschiedene Rauschunterschiede. Der direkteste Weg zur Verbesserung der SI ist die physikalische Isolierung von Komponenten auf der Leiterplatte basierend auf dem Grenzwert und der Empfindlichkeit des Geräts. Die folgende Abbildung ist ein Beispiel. Im Beispiel werden Stromversorgung, digitale I/O-Ports und Hochgeschwindigkeitslogik, die risikoreiche Schaltungen für Takt- und Datenumwandlungsschaltungen sind, besonders berücksichtigt. Platzieren Sie im ersten Layout die Uhr und Datenkonverter neben dem lauten Gerät. Rauschen koppelt sich an empfindliche Schaltkreise und reduziert deren Leistung. Eine effektive Schaltungsisolierung im zweiten Layout wird der Signalintegrität des Systemdesigns zugute kommen.

2. Impedanz, Reflexion und Endabstimmung

Impedanzsteuerung und Klemmenabgleich sind grundlegende Themen im Hochgeschwindigkeits-Schaltungsdesign. Normalerweise wird die Hochfrequenzschaltung als der wichtigste Teil in jedem Schaltungsdesign betrachtet, aber einige digitale Schaltungsdesigns mit höherer Frequenz als Hochfrequenz vernachlässigen Impedanz und Klemmenabgleich.

Es gibt mehrere fatale Auswirkungen auf digitale Schaltungen aufgrund von Impedanzanpassungen, siehe folgende Abbildung:

a. Das digitale Signal verursacht Reflexionen zwischen dem Eingang der Empfangsvorrichtung und dem Ausgang der sendenden Vorrichtung. Das reflektierte Signal wird zurückgeprallt und breitet sich entlang beider Enden der Leitung aus, bis es am Ende vollständig absorbiert wird.

b. Das reflektierte Signal verursacht die Klingelwirkung des Signals, das durch die Übertragungsleitung geht, und das Klingeln beeinflusst die Spannung und Signalverzögerung und die vollständige Verschlechterung des Signals.

c. Fehl abgestimmte Signalwege können Signalstrahlung in die Umgebung verursachen.

Das Problem, das durch Impedanzanpassung verursacht wird, kann durch Beenden von Widerständen minimiert werden. Der Abschlusswiderstand besteht in der Regel aus einem oder zwei diskreten Komponenten, die auf der Signalleitung nahe dem Empfangsende platziert sind. Die einfache Methode besteht darin, einen kleinen Widerstand in Reihe anzuschließen.

Der Endwiderstand begrenzt die Signalanstiegszeit und absorbiert einen Teil der reflektierten Energie. Es ist zu beachten, dass die Verwendung von Impedanzanpassung zerstörerische Faktoren nicht vollständig beseitigen kann. Durch die sorgfältige Auswahl der geeigneten Vorrichtung kann die Anschlussimpedanz jedoch die Integrität des Signals effektiv steuern.

Nicht alle Signalleitungen benötigen eine Impedanzsteuerung, wie die charakteristischen Impedanz- und Klemmimpedanzmerkmale der kompakten PCI-Spezifikationen.

Für andere Normen und Konstrukteure, die keine Impedanzsteuerungsspezifikationen erfordern, sind sie nicht speziell betroffen. Die endgültige Norm kann sich von einer Anwendung zur anderen ändern. Daher sind die Länge der Signalleitung (Korrelation und Verzögerung Td) und die Signalanstiegszeit (Tr) zu berücksichtigen. Die allgemeine Regel für die Impedanzkontrolle ist, dass Td (Verzögerung) größer als 1/6 von Tr sein sollte.

3. Innere elektrische Schicht und innere elektrische Schicht Segmentierung

Die Faktoren, die von digitalen Schaltungsdesignern bei der Stromschleifenkonstruktion ignoriert werden, umfassen die Berücksichtigung der Übertragung von einseitigen Signalen zwischen zwei Gate-Schaltungen (wie in der Abbildung unten gezeigt). Die Stromschleife von Tor A zu Tor B und dann zurück zu Tor A von der Bodenebene.

Im obigen Bild wird es zwei mögliche Probleme geben:

a. Die Masseebene zwischen den Punkten A und B muss über einen niederohmigen Pfad verbunden werden. Wenn eine große Impedanz zwischen den Masseebenen verbunden ist, gibt es Spannungsrückfluss zwischen den Masseebenen Pins. Dies führt zwangsläufig zu Verzerrungen der Signalamplitude aller Geräte und Überlagerungen von Eingangsrauschen.

b. Die Fläche der Stromrücklaufschleife sollte so klein wie möglich sein. Die Schleife ist wie eine Antenne. Im Allgemeinen erhöht eine größere Schleifenfläche die Wahrscheinlichkeit von Schleifenstrahlung und -leitung. Jeder Schaltungsdesigner hofft, dass der Rückstrom direkt entlang der Signalleitung liegen kann, so dass die kleinste Schleifenfläche entsteht.

Die Verwendung einer großflächigen Erdung kann die oben genannten beiden Probleme gleichzeitig lösen. Eine großflächige Erdung kann eine kleine Impedanz zwischen allen Erdungspunkten bieten, während der Rückstrom so direkt wie möglich entlang der Signalleitung zurückgeht.

Ein häufiger Fehler unter Leiterplattendesignern ist es, Durchkontaktierungen und Schlitze in der Erdungsebene zu machen. Die folgende Abbildung zeigt die Richtung des Stromflusses, wenn sich eine Signalleitung auf einer geschlitzten geoelektrischen Schicht befindet. Der Schleifenstrom wird gezwungen, den Schlitz zu umgehen, was unweigerlich eine große Kreislaufschleife erzeugt.

Im Allgemeinen ist es nicht möglich, in die Erdleistungsebene einzuschlitzen. In einigen Situationen, in denen Schlitze unvermeidlich sind, muss der PCB-Designer jedoch zuerst sicherstellen, dass keine Signalschleife durch den Schlitzbereich geht. Die gleichen Regeln gelten für Mischsignalschaltungen.

Es sei denn, mehrere Masseebenen werden in der Leiterplatte verwendet. Insbesondere in der Hochleistungs-ADC-Schaltung kann die Masseschicht, die das analoge Signal, das digitale Signal und die Taktschaltung trennt, verwendet werden, um die Interferenz zwischen Signalen effektiv zu reduzieren. Es muss nochmals betont werden, dass in einigen Fällen, in denen Schlitze unvermeidlich sind, der PCB-Designer zuerst sicherstellen muss, dass keine Signalschleife durch den Schlitzbereich geht.

In der Leistungsschicht mit Spiegeldifferenz sollte auch auf die Fläche des Zwischenlagenbereichs geachtet werden (wie in der Abbildung unten gezeigt). Am Rand der Platine gibt es den Strahlungseffekt der Leistungsebene Schicht auf die Grundebene Schicht. Elektromagnetische Energie, die von der Kante austritt, beschädigt die angrenzenden Platinen. Siehe Abbildung a unten. Reduzieren Sie die Fläche der Ebene der Leistungsebene (siehe Abbildung b unten), so dass sich die Ebene der Grundebene in einem bestimmten Bereich überlappt. Dies reduziert die Auswirkungen elektromagnetischer Leckagen auf benachbarte Platinen.

4. Signalverdrahtung

Das Wichtigste, um die Signalintegrität zu gewährleisten, ist die physische Verkabelung der Signalleitungen. PCB-Designer stehen oft unter Arbeitsdruck, nicht nur, um das Design in kürzester Zeit abzuschließen, sondern auch, um die Integrität des Signals sicherzustellen. Das Wissen, wie man die Lücke zwischen möglichen Problemen und Signalen ausgleicht, wird den Prozess des Systemdesigns fördern. Hochgeschwindigkeitsstrom kann nicht effektiv mit Unterbrechungen in Signalleitungen umgehen. Das Problem der Signaldiskontinuität tritt am wahrscheinlichsten in der Abbildung a auf. In Low-Speed-Schaltungen besteht normalerweise keine Notwendigkeit, Signaldiskontinuität zu berücksichtigen, aber in High-Speed-Schaltungen muss dieses Problem berücksichtigt werden. Daher kann im Schaltungsdesign und unter Verwendung des in b/c in der Abbildung unten dargestellten Verfahrens die Kontinuität des Signals effektiv gewährleistet werden.

Im Hochgeschwindigkeitsschaltungsdesign gibt es ein weiteres häufiges Problem mit der Signalverdrahtung. Wenn es keinen besonderen Grund gibt, sollten alle Kurzverdrahtungen so weit wie möglich beseitigt werden. Im Hochfrequenzschaltungsdesign ist Kurzverdrahtung wie Strahlung, die durch Impedanzanpassung von Signalleitungen verursacht wird.

Besonderes Augenmerk sollte auf die Verlegung von Differentialpaaren bei der Verlegung von Hochgeschwindigkeitsstrukturen gelegt werden. Das Differentialpaar wird von zwei vollständig komplementären Signalleitungen angetrieben. Das Differenzpaar kann Störgeräusche vermeiden und die S/N-Rate verbessern. Allerdings stellt die Differentialpaarsignalleitung besonders hohe Anforderungen an die Verdrahtung:

1. Die beiden Drähte müssen so nah wie möglich an der Verdrahtung sein;

2. Die Länge der beiden Linien muss genau gleich sein;

Wie man die Differentialpaarsignalleitungen zwischen zwei Geräten richtig routet, die nicht zusammen angeordnet sind, ist ein Schlüsselproblem.

Im obigen Bild a bestehen aufgrund der Inkonsistenz der Länge der beiden Signalleitungen einige unsichere Risiken. Die korrekte Verkabelung sollte wie in Abbildung b oben gezeigt erfolgen. Die allgemeine Regel bei der Differentialpaarverdrahtung ist, die beiden Signalleitungen gleichmäßig voneinander und nahe beieinander zu halten.

5. Übersprechen

Im PCB-Design ist Übersprechen ein weiteres Thema, das Aufmerksamkeit verdient. Die folgende Abbildung zeigt den Übersprechenbereich und den zugehörigen elektromagnetischen Bereich zwischen drei benachbarten Paaren paralleler Signalleitungen in einer Leiterplatte. Wenn das Intervall zwischen den Signalleitungen zu klein ist, beeinflussen sich die elektromagnetischen Bereiche zwischen den Signalleitungen gegenseitig, was zu einer Signalverschlechterung führt, was Übersprechen ist.

Übersprechen kann durch Vergrößerung des Signalleitungsabstandes gelöst werden. PCB-Designer sind jedoch normalerweise durch immer engeren Verdrahtungsraum und schmaleren Signalleitungsabstand eingeschränkt; Da es keine Auswahlmöglichkeiten mehr im Design gibt, ist es unvermeidlich, einige Übersprecherprobleme in das Design einzuführen. Natürlich müssen PCB-Designer in der Lage sein, Übersprecherprobleme zu bewältigen. Viele relevante Regeln für zuverlässige Abstände wurden im Laufe der Jahre veröffentlicht. Eine allgemein anerkannte Regel in der Industrie ist die 3W-Regel, das heißt, der Abstand zwischen benachbarten Signalleitungen sollte mindestens dreimal die Breite der Signalleitung betragen. Der akzeptable Signalleitungsabstand in der Praxis hängt jedoch von Faktoren wie tatsächlicher Anwendung, Arbeitsumgebung und Designredundanz ab. Der Abstand der Signalleitungen ändert sich von Situation zu Situation und wird jedes Mal berechnet. Wenn Übersprechenprobleme unvermeidbar sind, sollte Übersprechen quantifiziert werden. Dies kann durch Computersimulationstechnik dargestellt werden. Mit Hilfe des Simulators kann der Designer den Signalintegritätseffekt bestimmen und *den Übersprecheffekt des Systems schätzen.

6. Stromentkopplung

Stromentkopplung ist mittlerweile eine Standardpraxis im digitalen Schaltungsdesign. Wenn Sie es hier erwähnen, können Sie Lärmprobleme an Stromleitungen reduzieren. Eine saubere Stromversorgung ist unerlässlich, um eine Hochleistungsschaltung zu entwerfen. Das Hochfrequenzrauschen, das auf das Netzteil überlagert wird, verursacht Probleme für jedes benachbarte digitale Gerät. Typisches Rauschen kommt von Ground Bounces, Signalstrahlung oder digitalen Geräten selbst. Der einfachste Weg, Stromversorgungsgeräusche zu lösen, ist die Verwendung von Kondensatoren, um hochfrequentes Rauschen am Boden zu entkoppeln. Der ideale Entkopplungskondensator sorgt für hochfrequentes Rauschen für einen niederohmigen Weg zur Erde und eliminiert so Spannungsversorgungsgeräusche. Wählen Sie Entkopplungskondensatoren basierend auf tatsächlichen Anwendungen. Die meisten Konstrukteure wählen Oberflächenkondensatoren so nah wie möglich an den Stromversorgungsstiften, und der Kapazitätswert sollte groß genug sein, um einen Pfad mit geringem Widerstand zur Masse für vorhersehbare Stromversorgungsgeräusche bereitzustellen. Das Problem, das normalerweise bei der Verwendung von Entkopplungskondensatoren auftritt, ist, dass Entkopplungskondensatoren nicht einfach als Kondensatoren angesehen werden können. Es gibt mehrere Situationen:

a. Kondensatorverpackung verursacht parasitäre Induktivität;

b. Kondensatoren bringen einige gleichwertige Widerstände;

c. Der Draht zwischen dem Stromversorgungsstift und dem Entkopplungskondensator bringt eine äquivalente Induktivität;

d. Der Draht zwischen dem Erdungsstift und der Erdungsebene bringt eine äquivalente Induktivität; die dadurch verursachte Wirkung:

a. Kondensatoren verursachen Resonanzeffekte auf bestimmte Frequenzen und die resultierende Netzimpedanz wird einen größeren Einfluss auf Signale in benachbarten Frequenzbändern haben;

b. Der äquivalente Widerstand (ESR) wirkt sich auch auf den Pfad mit geringem Widerstand aus, der durch die Entkopplung von Hochgeschwindigkeitsgeräuschen gebildet wird;

Die Auswirkungen auf einen digitalen Designer werden im Folgenden zusammengefasst:

a. Die Leitungen, die von den Vcc- und GND-Pins am Gerät gezogen werden, müssen wie kleine Induktivitäten behandelt werden. Daher wird empfohlen, die Vcc- und GND-Leitungen im Design so kurz und dick wie möglich zu machen.

b. Wählen Sie einen Kondensator mit niedrigem ESR-Effekt, der hilft, die Entkopplung der Stromversorgung zu verbessern;

c. Die Wahl von kleinen Paketkondensatoren reduziert die Packungsinduktivität. Der Wechsel des Geräts mit einem kleineren Gehäuse führt zu einer Änderung der Temperatureigenschaften. Daher muss nach Auswahl eines kleinen Gehäusekondensators das Layout des Geräts im Design angepasst werden.

Im Design kann der Austausch von X7R-Kondensatoren durch Y5V-Kondensatoren ein kleineres Gehäuse und eine niedrigere äquivalente Induktivität gewährleisten, aber gleichzeitig kostet es auch mehr Gerätekosten, um hohe Temperatureigenschaften sicherzustellen.

Bei der Auslegung sollte auch die Entkopplung von niederfrequentem Rauschen mit Kondensatoren mit großer Kapazität berücksichtigt werden. Die Verwendung separater Elektrolytkondensatoren und Tantalkondensatoren kann die Wirtschaftlichkeit des Gerätes verbessern.

7. Zusammenfassung:

Die Signalintegrität ist eines der wichtigsten Themen während des Designs von digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen; Hier sind einige Vorschläge zur Sicherstellung der Signalintegrität im digitalen Schaltungsdesign:

a. empfindliche Bauteile physisch von Geräuschkomponenten isolieren;

b. Impedanzsteuerung, Reflexion und Signalanschlussabgleich;

c. Verwenden Sie kontinuierliche Energie- und Bodenebene Schichten;

d. Versuchen Sie, rechte Winkel in der Verdrahtung zu vermeiden;

e. Die Verdrahtungslänge des Differenzpaares ist gleich;

f. Übersprechen sollte bei der Gestaltung von Hochgeschwindigkeitsstrecken berücksichtigt werden;

g. Problem der Entkopplung der Stromversorgung;

Ein gutes Verständnis der oben genannten Probleme im digitalen Schaltungsdesign kann digitalen Schaltungsdesignern helfen, so viele potenzielle Probleme im Schaltungsdesign wie möglich in der frühen Phase des Schaltungsdesigns zu finden.