Leiterplattentechnisch - Was ist High-Speed PCB Design

Was ist High Speed PCB Design? Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten-Design bezieht sich auf die Leiterplatte-Design, das die Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung unterstützen kann, diese Signale beziehen sich in der Regel auf Hochgeschwindigkeits-digitale Signale, Hochgeschwindigkeits-analoge Signale und so weiter. Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten-Design bei der Wahl von Materialien, Layout-Design, Verkabelungsdesign und andere Aspekte spezieller Anforderungen, um sicherzustellen, dass die Integrität und Stabilität des Signals im Übertragungsprozess, das Signal im Übertragungsprozess nicht verzerrt wird, nicht dämpft und die Leistungsanforderungen des Systems zu erfüllen.

Was ist ein Hochgeschwindigkeitssignal?

Als Antwort auf diese Frage definiert Cadence, ein weltbekanntes EDA-Softwareunternehmen:

Ein Signal größer als 50 MHz ist ein Hochgeschwindigkeitssignal.

Wenn die Übertragungsweglänge des Bereiches, in dem sich das Signal befindet, größer als 1/6Ϋ, wird es als Hochgeschwindigkeitssignal identifiziert;

Ob das Signal hohe Geschwindigkeit ist oder nicht ist unabhängig von der Frequenz, und die allgemeine Standardeinstellung: ein Signal gilt als hohe Geschwindigkeit, wenn seine steigende / fallende Kante weniger als 50ps ist;

Wenn das Signal entlang des Übertragungswegs übertragen wird, kann es als Hochgeschwindigkeitssignal angesehen werden, wenn es zu schweren Hauteffekten und Stromverlusten kommt.

Was ist High Speed Circuit

Es wird allgemein angenommen, dass, wenn die digitale logische Schaltungsfrequenz 45MHZ ~ 50MHZ erreicht oder übersteigt, und die Schaltung, die über dieser Frequenz arbeitet, einen bestimmten Anteil des gesamten elektronischen Systems (sagen Sie, 1/3) ausmacht, es als Hochgeschwindigkeitsschaltung bezeichnet wird.

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

Die Signalübertragung erfolgt in dem Moment, in dem sich der Zustand des Signals ändert, wie z. B. die Zeit des Anstiegs oder des Falles. Das Signal durchläuft einen festen Zeitraum vom Treiber zum Empfänger. Wenn die Übertragungszeit weniger als 1/2 der Anstiegs- oder Fallzeit beträgt, erreicht das reflektierte Signal vom Empfänger den Fahrer, bevor das Signal den Zustand ändert. Umgekehrt erreicht das reflektierte Signal den Treiber, nachdem das Signal den Zustand ändert. Ist das reflektierte Signal stark, kann die überlagerte Wellenform den logischen Zustand ändern.

Ermittlung von Hochgeschwindigkeitssignalen

Oben haben wir die Voraussetzungen für das Auftreten von Übertragungsleitungseffekt definiert, aber wie kann man wissen, ob die Leitungsverzögerung größer als 1/2 der Signalanstiegzeit des Treibers ist? Im Allgemeinen kann der typische Wert der Signalanstiegzeit in der Geräteanleitung angegeben werden, und die Signalfahrzeit in der Leiterplattenbau wird durch die tatsächliche Verkabelungslänge bestimmt. Die nachstehende Abbildung zeigt die Korrespondenz zwischen der Signalansteigszeit und der zulässigen Verdrahtungslänge (Verzögerung).

Die Verzögerung pro Zoll-Einheit auf der Leiterplatte beträgt 0,167ns. Wenn es jedoch viele Löcher, Pins und Einschränkungen am Netzwerkkabel gibt, wird die Verzögerung zunehmen. Typischerweise beträgt die Signalanstiegzeit für Hochgeschwindigkeitslogikgeräte etwa 0,2ns. Wenn es einen GaAs-Chip auf dem Board gibt, beträgt die große Verkabelungslänge 7,62 mm.

Setzen Sie Tr als Signalanstiegzeit und Tpd als Signalleitungsausbreitungsverzögerung ein. Wenn Trâ ¥4Tpd, fällt das Signal in die sichere Zone. Wenn 2Tpdâ ¥ Trâ ¥ 4Tpd, fällt das Signal in den Unsicherheitsbereich. Wenn Trâ¤2Tpd, fällt das Signal in den Problembereich. Für Signale, die in unsichere und problematische Bereiche fallen, sollten Hochgeschwindigkeitsverdrahtungsmethoden verwendet werden.

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.

Übertragungsleitungseffekt

Anhand des oben definierten Übertragungsleitungsmodells kann geschlossen werden, dass die Übertragungsleitung folgende Auswirkungen auf die Gesamtschaltung hat.

· Reflektierte Signale Reflektierte Signale

· Mehrere Fehler beim Überschreiten der Schwellenwerte auf der logischen Ebene False Switching

Overshoot und Undershoot

• Induziertes Geräusch (oder Crosstalk)

EMI-Strahlung

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.

Verzögerung und Timing Fehler

Signalverzögerung und Timing-Fehler sind: Das Signal bleibt für einen Zeitraum unverändert, wenn sich das Signal zwischen den hohen und niedrigen Schwellen der logischen Ebene ändert. Übermäßige Signalverzögerung kann zu Timingfehlern und Gerätefunktionsstörungen 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.

Mehrere Logic-Grenzwertüberschreitungen 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.

Overshoot und Downshoot

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

Crosstalk

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

Je näher das Signalkabel dem Erdkabel liegt, desto größer ist der Abstand zwischen den Leitungen und desto kleiner wird das Quersprechsignal erzeugt. Asynchrone Signale und Taktsignale sind anfälliger für Crosstalk. Daher besteht das Verfahren zur Beseitigung des Quersprechsignals darin, das Quersprechsignal zu entfernen oder das schwer gestörte Signal abzuschirmen.

Elektromagnetische Strahlung

Elektromagnetische Interferenz (EMI), die übermäßige elektromagnetische Strahlung und Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Strahlung verursacht. EMI zeigt an, dass, wenn ein digitales System eingeschaltet wird, es 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 Softwarewerkzeuge für die EMI-Simulation, aber EMI-Emulatoren sind sehr teuer und es ist schwierig, Simulationsparameter und Randbedingungen einzustellen, die direkt die Genauigkeit und Praktikabilität von Simulationsergebnissen 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.

Hochgeschwindigkeits-PCB-Design-Grundlagen: Layout- und Verkabelungsanleitung

Angemessene Spezifikation des Layouts und der Verkabelung ist es, die Signalintegrität zu gewährleisten, um Quersprechen, Strahlung und Impedanzdiskontinuität und andere häufige EMI-Probleme zu verhindern. Die folgenden Spezifikationen können größer sein, um eine Reihe von Problemen bei der Hochgeschwindigkeits-PCB-Konstruktion zu vermeiden.

1. Bodenschicht, Leistungsschicht und Stapelschicht: Stellen Sie sicher, dass die unter der Hochgeschwindigkeitsübertragungsleitung gestapelte Leiterplatte eine gleichmäßige Erde hat und nicht durch den Boden- / Leistungsschichtlück geht.

2.Charakteristische Impedanz: Spezifische Ausrichtungsbreiten sollten in der Übertragungsleitung erzwungen werden, um sicherzustellen, dass die charakteristische Impedanz und die Eingangsimpedanz spezifische Werte auf der Hochgeschwindigkeitsverbindung haben.

3. Übertragungsleitungsabstand: Erhalten Sie einen ausreichenden Abstand zwischen den Ausrichtungen auf der Leiterplatte, um erhebliche Quersprechen zu verhindern und sicherzustellen, dass Signale die Geräuschtoleranz des Empfängers nicht überschreiten.

4.Power Integrity: Legen Sie Energie- und Bodenschichten nebeneinander, insbesondere den Teil des PDN, der Hochgeschwindigkeitskomponenten antreibt, um übermäßiges Klingeln zu verhindern.

5.Bus- und Differential-Paar-Routing: Durchsetzen Sie Timing-Übereinstimmungen auf Parallelbussen und Differential-Paaren, um eine minimale Abweichung zwischen kritischen Signalen zu gewährleisten.

6.Component Placement: Stellen Sie sicher, dass kritische Hochgeschwindigkeitskomponenten im PCB-Layout platziert werden, damit alle kritischen Signale mit minimalen Schichtübergängen geleitet werden können.