Leiterplattentechnisch - In Bezug auf den High-Speed-Schaltungs-PCB-Rückweg, sehen Sie, wie der Master es macht

Im schematischen Diagramm eines Digitale Leiterplatte, Die Ausbreitung eines digitalen Signals erfolgt von einem Logikgitter zu einem anderen Logikgitter
1 The basic concept of reflow
In the schematic diagram of a digital circuit, the propagation of a digital signal is from one logic gate to another logic gate. Das Signal wird vom Ausgangsende zum Empfangsende über einen Draht gesendet. Es scheint in eine Richtung zu fließen. Viele Digitalingenieure denken daher, dass der Schleifenpfad irrelevant ist, Schließlich, Sowohl der Treiber als auch der Empfänger sind als Spannungs-Mode-Geräte gekennzeichnet, also warum sich die Mühe machen, aktuelle! In der Tat, Die grundlegende Schaltungstheorie sagt uns, dass das Signal durch elektrischen Strom verbreitet wird. Insbesondere, es ist die Bewegung der Elektronen. Eines der Merkmale des Elektronenflusses ist, dass Elektronen nirgendwo bleiben. Egal wo der Strom fließt, sie/Sie müssen zurückkommen. Daher, Strom fließt immer in der Schleife, und jedes Signal in der Schaltung existiert in Form einer geschlossenen Schleife. Für die hochfrequente Signalübertragung, Es ist tatsächlich ein Prozess des Ladens des dielektrischen Kondensators zwischen der Übertragungsleitung und der DC-Schicht.

2 The effect of backflow
Digital circuits usually rely on ground and power planes to complete reflow. Die Rücklaufwege von Hochfrequenzsignalen und Niederfrequenzsignalen sind unterschiedlich. Für niederfrequente Signalrückgabe, Wählen Sie den Pfad mit der niedrigsten Impedanz, und für hochfrequente Signalrückgabe, Wählen Sie den Pfad mit der niedrigsten Induktivität.
Wenn der Strom vom Signaltreiber startet, fließt durch die Signalleitung und injiziert in das Signalempfangsende Ende, Es gibt immer einen Rückstrom in entgegengesetzter Richtung: ausgehend vom Massepunkt der Last, durch die Kupferebene, fließend zur Signalquelle, Der Strom auf der Signalleitung bildet eine geschlossene Schleife. Die Rauschfrequenz, die durch den Strom verursacht wird, der durch die kupferplattierte Ebene fließt, entspricht der Signalfrequenz. Je höher die Signalfrequenz, je höher die Rauschfrequenz. Das Logic Gate reagiert nicht auf ein absolutes Eingangssignal, reagiert aber auf die Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Referenzpin. Die Ein-Punkt-Abschlussschaltung reagiert auf die Differenz zwischen dem eingehenden Signal und seiner logischen Massebeziehungsebene, So sind die Störung auf der Bodenbezugsebene und die Störung auf dem Signalweg gleichermaßen wichtig. Das Logic Gate reagiert auf den Eingangspin und den angegebenen Referenzpin, and we don’t know which one is the designated reference pin (for TTL, es ist in der Regel eine negative Stromversorgung, für ECL ist es in der Regel ein positives Netzteil, but not all of them), In Bezug auf diese Eigenschaft, Die Anti-Interferenz-Fähigkeit des Differenzsignals kann einen guten Effekt auf Ground Bounce Noise und Power Plane Sliding haben.

Wenn viele digitale Signale auf dem Leiterplatte are switched synchronously (such as CPU data bus, Adressbus, etc.), Dies bewirkt, dass transiente Lastströme von der Stromversorgung in den Stromkreis oder von der Stromleitung zum Erdungskabel fließen, due to the existence of the power wire and the ground wire Impedance will produce synchronous switching noise (SSN), and ground plane bounce noise (referred to as ground bounce) will also appear on the ground line. Und wenn die Umgebung der Stromleitung und Erdungsleitung auf der Leiterplatte größer ist, ihre Strahlungsenergie ist auch größer. Daher, Wir analysieren den Schaltzustand des digitalen Chips, und Maßnahmen ergreifen, um die Rückkehrmethode zu kontrollieren, um die Umgebung zu reduzieren. Fläche, Zweck der geringsten Strahlung.

IC1 ist die Signalausgangsklemme, IC2 is the signal input terminal (in order to simplify the PCB Modell, it is assumed that the receiving terminal contains a downstream resistor), und die dritte Schicht ist die Bodenschicht. Die Böden von IC1 und IC2 sind beide von der dritten Bodenebene. Die obere rechte Ecke der TOP-Schicht ist eine Leistungsebene, der mit dem Pluspol des Netzteils verbunden ist. C1 und C2 sind die Entkopplungskondensatoren von IC1 bzw. IC2. Die Stromversorgung und der Massepfen des Chips, die in der Abbildung gezeigt werden, sind die Stromversorgung und Masse der Signal sendenden und empfangenden Enden.

Bei niedrigen Frequenzen, wenn die S1-Klemme einen hohen Pegel ausgibt, Die gesamte Stromschleife besteht darin, dass das Netzteil über einen Draht mit der VCC-Leistungsebene verbunden ist, und dann IC1 durch den orangenen Pfad betreten, kommt dann aus dem S1 Terminal, und betritt IC2 durch die zweite Schicht des Drahtes durch die R1-Klemme. Geben Sie dann die GND-Schicht ein und kehren Sie über den roten Pfad zum Minuspol des Netzteils zurück..
Bei hohen Frequenzen, die Verteilungsmerkmale der PCB wird einen großen Einfluss auf das Signal haben. Die Bodenrückführung, von der wir oft sprechen, ist ein Problem, das häufig in Hochfrequenzsignalen auftritt. Bei erhöhtem Strom in der Signalleitung von S1 bis R1, das äußere Magnetfeld ändert sich schnell, die einen umgekehrten Strom in den nahe gelegenen Leitern induziert. Wenn die Grundebene der dritten Schicht eine komplette Grundebene ist, Dann wird ein Strom erzeugt, der durch die blau gestrichelte Linie angezeigt wird.. Wenn die TOP-Schicht eine vollständige Leistungsebene hat, Es wird auch ein Rückfluss entlang der blau gestrichelten Linie auf der TOP-Ebene geben. Zur Zeit, die Signalschleife hat die kleinste Stromschleife, die nach außen abgestrahlte Energie ist die kleinste, und die Fähigkeit, externe Signale zu koppeln, ist auch die kleinste. (The skin effect at high frequencies is also the smallest outward radiation energy, das Prinzip ist das gleiche.)
Because the high-frequency signal level and current change rapidly, aber die Wechselzeit ist kurz, der Energiebedarf ist nicht sehr groß, So wird der Chip von dem Entkopplungskondensator angetrieben, der dem Chip am nächsten ist. When C1 is large enough and the response is fast enough (it has a very low ESR value, Keramikkondensatoren werden üblicherweise verwendet. Der ESR von Keramikkondensatoren ist viel niedriger als der von Tantalkondensatoren.), the orange path on the top layer and the red path on the GND layer can be It is regarded as non-existent (there is a current corresponding to the power supply of the entire board, but not the current corresponding to the signal shown in the figure).

Daher, je nach Bauumgebung, Der gesamte Pfad des Stroms ist: vom positiven Pol von C1 bis VCC von IC1 bis die Signalleitung von S1 bis L2 bis R1 die GND von IC2 durchkreuzen den gelben Pfad der GND-Schicht durchqueren die negative Elektrode des Kondensators. Es ist zu sehen, dass es einen braunen Äquivalentstrom in vertikaler Richtung des Stroms gibt, und ein Magnetfeld wird in der Mitte induziert. Zur gleichen Zeit, Dieser Torus kann leicht an externe Störungen gekoppelt werden. Wenn das Signal in der Abbildung ein Taktsignal ist, Es gibt einen Satz von 8bit Datenleitungen parallel, Stromversorgung durch die gleiche Stromversorgung des gleichen Chips, und der aktuelle Rückgabepfad ist derselbe. Wenn die Datenzeilenebene zur gleichen Zeit in die gleiche Richtung kippt, Ein großer Rückwärtsstrom wird auf der Uhr induziert. Wenn die Taktlinie nicht gut aufeinander abgestimmt ist, Dieses Übersprechen reicht aus, um einen fatalen Effekt auf das Taktsignal zu haben. Die Intensität dieses Übersprechens ist nicht proportional zum absoluten Wert des hohen und niedrigen Pegels der Störquelle, aber proportional zur aktuellen Wechselrate der Störquelle. Für eine rein widerstandsfähige Last, der Übersprechenstrom ist proportional zu dI/dt=dV /(T¬10%-90%*R). In der Formel, dI/dt (rate of current change), dV (interference source swing) and R (interference source load) all refer to the parameters of the interference source (if it is a capacitive load, dI/dt ist das gleiche wie T¬10 Das Quadrat von%-90% ist umgekehrt proportional.). Aus der Formel geht hervor, dass niederfrequente Signale möglicherweise nicht weniger Übersprechen als Hochgeschwindigkeitssignale haben.. Das heißt: 1KHz Signal ist nicht unbedingt ein Low-Speed Signal, wir müssen die Situation der Kante umfassend betrachten. Für ein Signal mit steiler Kante, es enthält viele harmonische Komponenten, und hat eine große Amplitude an jedem Frequenzmultiplikationspunkt. Daher, Sie sollten auch bei der Auswahl der Geräte aufpassen. Wählen Sie nicht blind Chips mit hohen Schaltgeschwindigkeiten. Nicht nur werden die Kosten hoch sein, aber es wird auch Übersprechen und EMV-Probleme verstärken.

Jede benachbarte Leistungsebene oder andere Ebene, Solange an beiden Enden des Signals ein geeigneter Kondensator vorhanden ist, um einen niedrig-reaktiven Pfad zum GND bereitzustellen, dann kann diese Ebene als Rücklaufebene für dieses Signal verwendet werden. In normalen Anwendungen, Die entsprechende Chip-IO-Stromversorgung ist oft gleich für Empfang und Versand, und es gibt im Allgemeinen 0.01-0.1uF Entkopplungskondensatoren zwischen jeder Stromversorgung und Masse, und diese Kondensatoren sind auch an den beiden Enden des Signals, Der Reflow-Effekt der Leistungsebene ist nur nach der Grundebene zweitrangig. Allerdings, wenn andere Leistungsebenen für den Rückfluss verwendet werden, An beiden Enden des Signals gibt es oft keinen niedrigen Reaktanzweg zur Erde. Auf diese Weise, Der in der benachbarten Ebene induzierte Strom findet die nächste Kapazität und kehrt zur Erde zurück. Wenn der "nächste Kondensator" weit vom Start oder Ende entfernt ist, Die Rückkehr muss eine lange Strecke zurücklegen, um einen vollständigen Rückweg zu bilden, und dieser Pfad ist auch ein Rückweg für benachbarte Signale, Die Wirkung von Straßen- und Common-Ground-Interferenzen ist die gleiche, was gleichbedeutend mit Übersprechen zwischen Signalen ist.

Für einige unvermeidbare Cross-Supply Divisionen, a high-pass filter (such as a 10-ohm resistor string 680p capacitor) formed by a capacitor or RC series connection (such as a 10 ohm resistor string 680p capacitor) can be connected across the division. Der spezifische Wert hängt von der Art des Signals ab. Um einen hochfrequenten Rückweg bereitzustellen, but also to isolate the low-frequency crosstalk between the mutual planes). Dies kann das Problem des Hinzufügen von Kondensatoren zwischen den Leistungsebenen beinhalten, was ein bisschen lustig erscheint, aber es ist definitiv effektiv. Wenn einige Spezifikationen es nicht zulassen, Sie können Kondensatoren auf den beiden Ebenen der Division zur Erde führen.

Im Falle der Ausleihe anderer Flugzeuge für den Rückfluss, Es ist am besten, an beiden Enden des Signals ein paar kleine Kondensatoren zur Masse hinzuzufügen, um einen Rückweg bereitzustellen. Aber dieser Ansatz ist oft schwierig zu erreichen. Da der größte Teil des Oberflächenraums in der Nähe des Anschlusses durch den passenden Widerstand und den Entkopplungskondensator des PCB-Chip.