Leiterplattentechnisch - Was ist High-Speed PCB Design

1. Herausforderungen beim Entwurf elektronischer Systeme

Mit der umfassenden Verbesserung der Komplexität und Integration des Systemdesigns, Entwickler elektronischer Systeme beschäftigen sich mit Leiterplatten Design von mehr als 100MHZ, und die Arbeitsfrequenz des Busses hat 50MHZ erreicht oder überschritten, und einige sogar 100MHZ überschritten. Etwa 50% der aktuellen Designs haben Taktfrequenzen größer als 50MHz, und fast 20% haben Taktfrequenzen größer als 120MHz.

Wenn das System bei 50MHz arbeitet, treten Übertragungsleitungseffekte und Signalintegritätsprobleme auf. Wenn die Systemuhr 120MHz erreicht, funktionieren PCB-Designs, die auf traditionellen Methoden basieren, nur wenn High-Speed-Schaltungsdesignwissen verwendet wird. Daher ist die High-Speed-Schaltungsdesigntechnologie zu den elektronischen Systemdesignern geworden, die die Entwurfsmittel nehmen müssen. Nur durch die Verwendung der Designtechniken von Hochgeschwindigkeits-Schaltungsdesignern kann der Designprozess gesteuert werden.

2. Was ist Hochgeschwindigkeitsschaltung

Es wird allgemein angenommen, dass, wenn die digitale Logikschaltungsfrequenz 45MHZ~50MHZ erreicht oder überschreitet, und die Schaltung, die über dieser Frequenz arbeitet, eine bestimmte Menge des gesamten elektronischen Systems (sagen Sie, 1/3), sie Hochgeschwindigkeitsschaltung genannt wird.

Tatsächlich ist die Oberschwingungsfrequenz des Signalrandes höher als die des Signals selbst. Es ist die steigende Kante und fallende Kante (oder Sprung des Signals), die das unerwartete Ergebnis der Signalübertragung verursacht. Daher wird allgemein vereinbart, dass, wenn die Leitungsausbreitungsverzögerung größer ist als die Anstiegszeit des Antriebsenden des 1/2 digitalen Signals, ein solches Signal als Hochgeschwindigkeitssignal angesehen wird und Übertragungsleitungseffekt erzeugt.

Die Signalübertragung erfolgt zu dem Zeitpunkt, in dem sich der Zustand des Signals ändert, z. B. die Zeit des Anstiegs oder Falles. Das Signal durchläuft einen festen Zeitraum vom Fahrer zum Empfänger. Wenn die Sendezeit kleiner als 1/2 der Steig- oder Fallzeit ist, erreicht das reflektierte Signal vom Empfänger den Fahrer, bevor das Signal den Zustand ändert. Umgekehrt wird das reflektierte Signal beim Fahrer ankommen, nachdem das Signal den Zustand ändert. Wenn das reflektierte Signal stark ist, kann die überlagerte Wellenform den logischen Zustand ändern.

3. Bestimmung von Hochgeschwindigkeitssignalen

Oben haben wir die Voraussetzungen für das Auftreten von Übertragungsleitungseffekten definiert, aber wie kann man wissen, ob die Leitungsverzögerung größer als 1/2 der Signalanstiegszeit des Fahrers ist? Im Allgemeinen kann der typische Wert der Signalanstiegszeit im Gerätehandbuch angegeben werden, und die Signallaufzeit im PCB-Design wird durch die tatsächliche Verdrahtungslänge bestimmt. Die folgende Abbildung zeigt die Korrespondenz zwischen Signalanstiegszeit und zulässiger Verdrahtungslänge (Verzögerung).

Die Verzögerung pro Zoll auf der Leiterplatte beträgt 0.167ns. Wenn es jedoch viele Löcher, Pins und Einschränkungen am Netzwerkkabel gibt, erhöht sich die Verzögerung. Typischerweise beträgt die Signalanstiegszeit für Hochgeschwindigkeits-Logikgeräte etwa 0,2ns. Wenn sich GaAs-Chip auf der Platine befindet, beträgt die große Verdrahtungslänge 7.62mm.

Stellen Sie Tr als Signalanstiegszeit und Tpd als Signalleitungsverzögerung ein. Bei Trâ฀ 4Tpd fällt das Signal in die sichere Zone. Bei 2Tpd fällt das Signal in den Unsicherheitsbereich. Bei Trâ­2Tpd fällt das Signal in den Problembereich. Für Signale, die in unsichere und problematische Bereiche fallen, sollten Hochgeschwindigkeitsverbindungsverfahren verwendet werden.

4. Was ist Übertragungsleitung

Die Verdrahtung auf der Leiterplatte kann der unten gezeigten Reihen- und Parallelkapazitäts-, Widerstand- und Induktivitätsstruktur entsprechen. Typische Werte für Reihenwiderstände sind 0,25-0,55 Ohms/Fuß. Parallelwiderstände sind aufgrund der Isolationsschicht meist sehr hoch. Nachdem der parasitäre Widerstand, die Kapazität und die Induktivität der tatsächlichen Leiterplattenverdrahtung hinzugefügt wurden, wird die Endimpedanz auf der Verdrahtung die charakteristische Impedanz Zo genannt. Je breiter der Drahtdurchmesser, je näher er an der Leistung/Masse ist oder je höher die Dielektrizitätskonstante der Isolationsschicht, desto kleiner ist die charakteristische Impedanz. Wenn die Impedanz der Übertragungsleitung und des Empfangsenden nicht übereinstimmen, unterscheiden sich das Ausgangsstromsignal und der endgültige stabile Zustand des Signals, was dazu führt, dass das Signal am Empfangsende reflektiert wird, das an den Signalsender zurückgesendet und wieder reflektiert wird. Wenn die Energie abnimmt, nimmt die Amplitude des reflektierten Signals ab, bis sich Spannung und Strom des Signals stabilisieren. Dieser Effekt wird Oszillationen genannt, und Oszillationen des Signals sind oft an den steigenden und fallenden Kanten des Signals zu sehen.

5. Wirkung der Übertragungsleitung

Basierend auf dem oben definierten Übertragungsleitungsmodell kann geschlossen werden, dass die Übertragungsleitung die folgenden Auswirkungen auf das Gesamtschaltungsdesign hat.

· Reflektierte Signale Reflektierte Signale

Verzögerung und Zeitfehler

· Mehrere logische Grenzwertüberschreitungsfehler Falsches Umschalten

Überschuss und Unterschuss

Induziertes Rauschen (oder Übersprechen)

EMI-Strahlung

5.1 Reflektiertes Signal

Wenn eine Leitung nicht richtig beendet wird (Klemmenabgleich), wird der Signalimpuls des Fahrers am Empfänger reflektiert, was einen unerwarteten Effekt verursacht, der das Signalprofil verzerrt. Wenn die Verzerrung sehr stark ist, kann dies zu einer Vielzahl von Fehlern führen, die zu Konstruktionsfehlern führen. Gleichzeitig erhöht sich die Verzerrung des Signals zur Rauschempfindlichkeit und verursacht auch Designfehler. Wenn die obige Situation nicht genug betrachtet wird, wird die EMI erheblich ansteigen, was sich nicht nur auf die Entwurfsergebnisse auswirkt, sondern auch den Ausfall des gesamten Systems verursacht.

Die Hauptursachen für reflektierte Signale sind wie folgt: zu lange Verkabelung; Ungepasste beendete Übertragungsleitungen, Überkapazitäten oder Induktivitäten und Impedanzanpassungen.

5.2 Verzögerungs- und Zeitfehler

Signalverzögerungs- und Zeitfehler sind: Das Signal bleibt für einen Zeitraum unverändert, wenn das Signal zwischen den hohen und niedrigen Schwellenwerten des Logikpegels wechselt. Übermäßige Signalverzögerung kann zu Timing-Fehlern und Gerätestörungen führen.

Probleme treten in der Regel auf, wenn es mehrere Empfänger gibt. Der Schaltungsdesigner muss die Zeitverzögerung im schlechten Fall bestimmen, um sicherzustellen, dass das Design korrekt ist. Ursache der Signalverzögerung: Der Treiber ist überlastet und das Kabel ist zu lang.

5.3 Multiple Logic Grenzüberschreitungsschwelle Fehler

Das Signal kann während des Hopping mehrmals den logischen Pegelschwellenwert überschreiten, was zu einer solchen Fehlerart führt. Das mehrfache Überqueren des Logikpegelschwellenfehlers ist eine spezielle Form der Signaloszillation, das heißt, Signaloszillation tritt in der Nähe des Logikpegelschwellenschwellens auf, Mehrfaches Überqueren des Logikpegelschwellenschwellens führt zu Logikpegelstörungen. Reflektierte Signale werden verursacht durch: zu lange Verdrahtung, unbestimmte Übertragungsleitungen, übermäßige Kapazität oder Induktivität und Impedanzanpassungen.

5.4 Über- und Abwärtsschuss

Overshoot und Downshoot haben zwei Gründe: zu lange Linie oder Signalwechsel zu schnell. Obwohl die meisten Elementempfänger durch Eingangsschutzdioden geschützt sind, können diese Überschreitungen manchmal den Versorgungsspannungsbereich des Elements überschreiten und das Element beschädigen.

5.5 Übersprechen

Übersprechen bedeutet, dass, wenn ein Signal durch eine Signalleitung geht, relevante Signale auf den benachbarten Signalleitungen auf der Leiterplatte induziert werden, was als Übersprechen bezeichnet wird.

Je näher das Signalkabel am Erdungskabel ist, desto größer ist der Abstand zwischen den Leitungen und desto kleiner wird das Übersprechensignal erzeugt. Asynchrone Signale und Taktsignale sind anfälliger für Übersprechen. Daher besteht die Methode zur Eliminierung von Übersprechen darin, das Übersprechensignal zu entfernen oder das stark gestörte Signal abzuschirmen.

5.6 Elektromagnetische Strahlung

Elektromagnetische Interferenz (EMI), die übermäßige elektromagnetische Strahlung und Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Strahlung verursacht. EMI zeigt an, dass ein digitales System, wenn es eingeschaltet wird, elektromagnetische Wellen in die Umgebung ausstrahlt und so den normalen Betrieb elektronischer Geräte in der Umgebung stört. Der Hauptgrund ist, dass die Schaltungsarbeitsfrequenz zu hoch ist und das Layout und die Verkabelung unzumutbar sind. Derzeit gibt es Softwaretools für die EMI-Simulation, aber EMI-Emulatoren sind sehr teuer und es ist schwierig, Simulationsparameter und Randbedingungen festzulegen, die direkt die Genauigkeit und Praktikabilität der Simulationsergebnisse beeinflussen. Die gängige Praxis besteht darin, die Entwurfsregeln anzuwenden, die EMI steuern, auf jede Verbindung des Entwurfs anzuwenden, um das Regelfahren und die Steuerung in jeder Verbindung des Entwurfs zu realisieren.