Leiterplattentechnisch - PCB Anti-Jamming Design Technologie für High Speed DSP

In den letzten Jahren sind Hochgeschwindigkeitsgeräte mit der rasanten Entwicklung neuer Technologien und Geräte immer beliebter geworden, und Hochgeschwindigkeitsschaltungsdesign ist zu einer allgemein benötigten Technologie geworden. TI's DsPs Chip TMS320C62xx, C64xx, C67xx Serie Geräte sind eines der schnell wachsenden High-Speed Geräte. Die C6000 interne Struktur ist fest-Punkt, Gleitkomma-Serie kompatibel mit DsP, die aktuelle CPU-Hauptfrequenz ist 100MHz, -4i00MHz. Mit VelociTITM's fortschrittlichem VLIW-Architekturkern (Very Long Instruction Word) ist es möglich, 8 32-Bit-Anweisungen in einem Befehlszyklus parallel auszuführen. Aufgrund seiner Hochgeschwindigkeitsberechnungsfähigkeit ist es weit verbreitet in der Kommunikation, elektronischen Gegenmaßnahmen, Radar, Bildverarbeitung und anderen Bereichen, die hohe Intelligenz und Hochgeschwindigkeitsverarbeitungsfähigkeiten erfordern.

Mit dem zunehmenden Grad der Chipintegration werden immer mehr Pins des Chips hinzugefügt, und die Verpackung der Geräte ändert sich ständig, von DIP zu OSOP, von SOP zu PQFP, von PQFP zu BGA. Die Geräte der Serie TMS320C6000 werden von BGA gekapselt. In der Schaltungsanwendung hat BGA-Verkapselung die Eigenschaften hoher Erfolgsrate, niedriger Reparaturrate und hoher Zuverlässigkeit und wird immer häufiger verwendet. Da BGA-Verkapselung jedoch zur sphärischen Raster-Array-Patch-Verkapselung gehört, beinhaltet die physische Implementierung des Systems in der Entwicklung, das heißt, das Design auf Platinenebene viele Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungstechniken. Störgeräusche sind ein wesentlicher Faktor in Hochgeschwindigkeitssystemen. Strahlung und Konflikte treten in Hochfrequenzschaltungen auf, während Klingeln, Reflexion und Übersprechen mit schnelleren Kantenraten auftreten. Wenn die Besonderheit des Hochgeschwindigkeitssignallayouts und der Verkabelung nicht berücksichtigt wird, funktioniert die entworfene Leiterplatte nicht richtig. Daher ist der Erfolg des Leiterplattendesigns ein sehr kritischer Teil im Prozess des DSPs-Schaltungsdesigns.

1 Übertragungsleitungseffekt

1.1 Signalintegrität

Signalintegrität umfasst hauptsächlich Reflexion, Klingeln, Ground Bounce und Übersprechen. Die Leitungen auf der Leiterplatte können den Reihen- und Parallelkapazitäts-, Widerstands- und Induktivitätsstrukturen entsprechen, die in Abb. 1 gezeigt werden. Typischer Wert des Reihenwiderstands ist 0.25D. / R-4). 55DJft, der Shunt Widerstandswert ist in der Regel sehr hoch. Wenn parasitärer Widerstand, Kapazität und Induktivität zu einer tatsächlichen PCB-Verbindung hinzugefügt werden, wird die Endimpedanz auf der Verbindung die charakteristische Impedanz zo genannt.

Wenn die Impedanz der Übertragungsleitung nicht mit der des Empfangsenden übereinstimmt, verursacht dies Reflexion und Oszillation des Signals.

PCB Routing Equivalent Circuit

Die Geometrie der Verkabelung, die falschen Endverbindungen, die Übertragung durch den Stecker und die Unterbrechung der Leistungsebene verursachen Reflexionen. Über- und Abwärtsschocks werden erzeugt, wenn sich das Signal entlang des Auf- und Abstiegs des Pegels ändert. Sie können im Handumdrehen Grate oberhalb oder unterhalb des konstanten Niveaus erzeugen, die das Gerät leicht beschädigen können. Die ringenden und umgebenden Schwingungen des Signals sind auf unangemessene Induktivität bzw. Kapazität auf der Leitung zurückzuführen. Ring kann durch ordnungsgemäße Beendigung reduziert werden.

Wenn es einen großen Stromstoß in der Schaltung gibt, verursacht dies Erdprall. Wenn ein großer transienter Strom durch die Leistungsebene des Chips und der Platine fließt, verursachen die parasitäre Induktivität und der Widerstand zwischen dem Chippaket und der Leistungsebene Leistungsrauschen. Übersprechen ist ein Kopplungsproblem zwischen zwei Signalleitungen. Die gegenseitige Induktivität und gegenseitige Toleranz zwischen Signalleitungen verursachen Rauschen auf den Leitungen. Kapazitive Kopplung führt zu Kopplungsstrom, induktive Kopplung zu Kopplungsspannung. Die Parameter der Leiterplattenschicht, der Abstand zwischen Signalleitungen, die elektrischen Eigenschaften des Treibers und des Empfängers und die Art und Weise, wie die Leitungen verbunden sind, haben alle bestimmte Auswirkungen auf das Übersprechen.

1.2 Lösungen

Einige Maßnahmen sind erforderlich, um gemeinsame Probleme zu lösen:

Die Leistungsschicht hat keine Einschränkungen für die Richtung des Stroms, und die Rückleitung kann einem Impedanzpfad folgen, der nah an der Signalleitung ist. Dies kann zu einer Stromschleife führen, die das Verfahren für Hochgeschwindigkeitssysteme sein wird. Die Leistungsschicht beseitigt jedoch nicht Leitungsauslauf und achtet nicht auf den Stromverteilungspfad, alle Systeme produzieren Rauschen und verursachen Fehler. Daher werden spezielle Filter benötigt, die durch Bypass-Kondensatoren realisiert werden. Im Allgemeinen ist eine Kapazität von lshrimp zu lOp. F wird am Leistungseingang Ende der Platine platziert, während die Kapazität von 0.01p liegt. F bis U0.1 Mitte wird zwischen der Stromversorgung jedes aktiven Geräts auf der Platine und den Pins der Erde platziert. Bypass-Kapazität wirkt wie ein Filter, bei dem eine große Kapazität (10aF) am Stromeingang platziert wird, niederfrequentes (60Hz) Rauschen außerhalb der Platine erzeugt wird und das Rauschen, das von aktiven Geräten auf der Platine erzeugt wird, harmonisch bei 100MHz oder höher ist. Die Bypass-Kapazität zwischen jedem Chip ist normalerweise viel kleiner als die am Stromeingang auf der Platine.

Als Faustregel gilt: Wenn Sie analog und digital in Ihrem Design mischen, teilen Sie die Leiterplatte in analoge und digitale Teile, analoge Geräte in analoge Teile, digitale Geräte in digitale Teile und A/D-Wandler über Regionen hinweg auf. Die analogen und digitalen Signale werden in ihren jeweiligen Bereichen verdrahtet, um sicherzustellen, dass der Rückstrom des digitalen Signals nicht zur Masse des analogen Signals fließt.

Bypass und Entkopplung verhindern, dass Energie von einer Schleife auf eine andere übertragen wird. Drei Schleifenbereiche, Leistungsschicht, untere Schicht, Komponenten und interne Stromverbindung, müssen berücksichtigt werden. Wenn das Netzteil und die Erdungskabelbreite so weit wie möglich erweitert werden, ist das Erdungskabel breiter als das Netzkabel. Die Beziehung zwischen ihnen ist: Erdungskabel oder Netzkabel oder Signalleitung. Normalerweise ist die Signalleitungsbreite O.2-O. 3mm, die dünne Breite kann 0.05 "-'0.07mm, die Stromleitung ist 1.2" -'2.5 n'Lrfl. Verwenden Sie eine große Fläche von Kupfer als Erdungskabel. Schließen Sie ungenutzte Stellen als Erdungskabel an den Boden auf der Leiterplatte an. Oder es kann zu einer mehrlagigen Platine gemacht werden, mit einem Boden für die Stromversorgung und einem Boden für den Erdungskabel. Konfigurieren Sie einen 0,01-zentrigen Keramikkondensator für jeden integrierten Schaltungschip. Wenn der Platz der Leiterplatte klein ist und nicht installiert werden kann, kann ein Tantal-Elektrolytkondensator mit 1-10 Chips alle 4-10 Chips konfiguriert werden. Die Hochfrequenz-Impedanz dieses Geräts ist sehr klein, die Impedanz ist kleiner als lQ im Bereich von 500 kI-Iz-20MHz, und der Leckstrom ist sehr klein (unter O.5LlA). Entkopplungsfilter-Kondensatoren müssen in der Nähe von integrierten Schaltungen installiert werden, um Kondensatorleitungen und transiente Stromkreise, insbesondere Hochfrequenz-Bypass-Kondensatoren, zu verkürzen.

Wenn das System bei 50MHz arbeitet, treten Übertragungsleitungseffekte und Signalintegritätsprobleme auf, und die traditionellen Maßnahmen können zufriedenstellende Ergebnisse erzielen. Wenn die Systemuhr 120MHz erreicht, ist es notwendig, die Verwendung von High-Speed-Schaltungsdesignwissen zu berücksichtigen, andernfalls funktioniert PCB, die auf traditionellen Methoden basiert, nicht richtig. Daher ist das Hochgeschwindigkeits-PCB-Schaltungsdesign zu einer Designtechnologie geworden, die elektronische Systemdesigner beherrschen müssen.

2 PCB High Speed Signal Circuit Design Technologie

2.1 Hochgeschwindigkeitssignalverdrahtung

Mehrschichtplatine ist für Hochgeschwindigkeitssignalverdrahtung sowie ein wirksames Mittel zur Reduzierung von Störungen erforderlich. Um die Größe der Leiterplatte zu reduzieren, nutzen Sie die mittlere Schicht vollständig, um Schirm einzustellen, eine enge Erdung zu erreichen, parasitäre Induktivität effektiv zu reduzieren, die Länge der Signalübertragung zu verkürzen, Kreuzstörungen zwischen Signalen zu reduzieren und so weiter, was alle vorteilhaft für die Zuverlässigkeit von Hochgeschwindigkeitsschaltungen sind. Die Daten zeigen, dass der Geräuschpegel des vierlagigen Panels 20 dB niedriger ist als der des zweilagigen Panels, wenn die gleichen Materialien im 8th National Academic Symposium on Radiation Resistant Electronics and Elektromagnetic Pulse gesammelt werden. Je weniger Kurven in Führung sind, desto besser. Bei Verwendung einer vollen Geraden ist ein Übergang erforderlich. Ein 45-Grad-Polyline- oder Lichtbogenübergang kann verwendet werden, um die externe Übertragung und Kopplung von Hochgeschwindigkeitssignalen zu reduzieren und die Strahlung und Reflexion von Signalen zu reduzieren.

Je kürzer die Leitung zwischen den Pins von Hochgeschwindigkeitsschaltgeräten, desto besser. Je länger die Leitungslänge, desto größer der verteilte Induktivitäts- und Kapazitätswert, der zu Reflexion, Oszillation und so weiter im Hochgeschwindigkeitsschaltsystem führt. Je weniger Wechsel zwischen Führungsschichten zwischen Stiften von Hochgeschwindigkeitsschaltgeräten, desto besser, das heißt, desto weniger Löcher werden beim Prozess der Komponentenverbindung verwendet. Es wird geschätzt, dass ein Durchgangsloch eine verteilte Kapazität von etwa 0,5pF bewirken kann, was zu einer signifikanten Erhöhung der Verzögerung der Schaltung führt. Bei der Hochgeschwindigkeitsschaltverdrahtung sollte auf die "Querstörung" geachtet werden, die durch die nahe parallelen Routen der Signalleitungen verursacht wird. Wenn eine parallele Verteilung nicht vermieden werden kann, kann eine große Fläche "Masse" auf der Rückseite der parallelen Signalleitungen platziert werden, um die Störung zu reduzieren. In den beiden benachbarten Schichten muss die Richtung der Linie senkrecht zueinander sein.

Erzwingen Sie ein Erdleitungsgehäuse für besonders wichtige Signalleitungen oder lokale Einheiten. Geschützte Basislinien können der Peripherie hinzugefügt werden, während solche nicht interferierbaren Signale wie Taktsignale, analoge Hochgeschwindigkeitssignale usw. unterwegs sind und die zu schützenden Signalkabel in der Mitte geklemmt sind. Alle Arten von Signalwegen können keine Schleifen bilden, und Erdungskabel können keine Stromschleifen bilden. Wenn eine Schleife Verdrahtungsschaltung erzeugt wird, verursacht dies eine Menge Interferenzen im System. Die Verwendung von Chrysanthemen*-Kettenverdrahtung kann Schleifen bei der Verdrahtung effektiv vermeiden. Ein oder mehrere Hochfrequenz-Entkopplungskondensatoren sollten in der Nähe jedes IC-Blocks eingestellt werden. Hochfrequenzschoke wird verwendet, wenn analoge und digitale Erdungsleitungen an öffentliche Erdungsleitungen angeschlossen werden. Einige Hochgeschwindigkeitssignalleitungen sollten speziell behandelt werden: Differentialsignale erfordern, dass sie auf der gleichen Ebene und so nah wie möglich an parallelen Linien liegen, und es darf kein Signal zwischen die Differentialsignalleitungen eingefügt werden, und es ist eine gleiche Länge erforderlich.

Hochgeschwindigkeitssignalverdrahtung sollte Verzweigungen oder Stumpfbildung so weit wie möglich vermeiden. Hochfrequente Signalleitungen sind anfällig für große elektromagnetische Strahlung beim Gehen auf der Oberfläche. Durch Verdrahtung der Hochfrequenz-Signalleitungen zwischen der Stromversorgung und dem Draht und Absorption der elektromagnetischen Welle durch die Stromversorgung und die untere Schicht wird die erzeugte Strahlung viel reduziert.

2.2 High Speed Clock Signal Verdrahtung

Taktschaltung spielt eine wichtige Rolle in der digitalen Schaltung. C64xDSP ist ein Mitglied der C6000 Plattform und hat eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit. Die High-Speed-Uhr von C64xDSP kann 1,1GHz erreichen, was lO-mal höher ist als die des früheren C62xDSP. Daher werden die Anforderungen an die Uhrverdrahtung im zukünftigen Anwendungsdesign moderner elektronischer Systeme auf DSP-Basis immer höher werden. Hochgeschwindigkeits-Taktsignalleitung Priorität muss im Allgemeinen bei der Verdrahtung der Haupttaktsignalleitung des Systems Priorität geben. Hochgeschwindigkeits-Taktsignalleitung hat eine hohe Frequenz, die erfordert, dass die Leitung so kurz wie möglich ist, um Signalverzerrung zu gewährleisten.

Hochfrequenz-Takt, besonders empfindlich gegen Störgeräusche. Hochfrequenz-Taktsignalleitungen müssen geschützt und abgeschirmt werden, um Störungen zu reduzieren.

Hochfrequenz-Uhren (Uhren über 20MHz oder Uhren, die entlang weniger als 5ns steigen) müssen eine Erdungsdraht-Eskorte mit einer Linienbreite von mindestens 10rail und einer Erdungsdrahtbreite von mindestens 20mil haben. Die schützenden Erdungskabelenden der Hochfrequenzsignalleitung müssen durch die Löcher gut mit der Erde in Kontakt gebracht und alle 5em oder so mit der Erde verbunden werden. Ground Wire Escort und Datenleitung sind im Grunde die gleiche Länge, manuelles Drahtziehen wird empfohlen; Die Sendeseite muss mit einem Dämpfungswiderstand von ca. 22-220Q in Reihe angeschlossen werden. Das Hochgeschwindigkeits-Taktsignal-Routing ist so weit wie möglich auf derselben Ebene ausgelegt, und es gibt keine anderen störenden Quellen und Routing um die Hochgeschwindigkeits-Taktsignalleitung. Der Sternanschluss oder Punkt-zu-Punkt-Anschluss wird für den Hochfrequenz-Taktanschluss empfohlen. T-Verbindung sollte gleiche Armlänge gewährleisten, überschüssige Ls minimieren, und Kupfer sollte unter Kristalloszillator oder Taktchip aufgetragen werden, um Interferenzen zu vermeiden. Vermeiden Sie Störungen durch Signalrauschen, die durch diese Leitungen verursacht werden.

Bei Hochgeschwindigkeitssignalverdrahtung und Hochgeschwindigkeits-Taktsignalverdrahtung ist es erforderlich, dass weniger LL und weniger Verzweigung während der Verdrahtung gespielt werden, um Stumpf- und Signalreflexion und Kreuzung zu vermeiden. Der Einfluss von Durchgangsloch und Stumpf (Stub) in Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten spiegelt sich nicht nur im Einfluss auf das Signal, sondern auch in der Änderung der Leiterimpedanz wider. Allerdings wird der Einfluss von Löchern und Stümpfen auf die Impedanz von Designern oft vernachlässigt.

Um eine angemessene Größe des Lochs auszuwählen. Zum Beispiel für PCB-Designs mit Schichten 4 bis 10, sind die allgemeinen Wahlen 10mil/20mil (Bohr-/Klebepad) oder 16mil/30mil. Für einige kleine Leiterplatten mit hoher Dichte können auch 8mil/18mil Löcher verwendet werden. Erwägen Sie, eine größere Größe zu verwenden, um die Impedanz für Strom- oder Erdungskabeldurchgänge zu reduzieren. Platzieren Sie die Stifte des Netzteils und Masse in der Nähe der Löcher. Je kürzer die Leitung zwischen den Stiften und den Löchern, desto besser. Gleichzeitig sollten die Pins des Netzteils und der Masse so dick wie möglich sein, um die Impedanz zu reduzieren.

Chips auf Systemebene mit hoher Dichte werden in BGA oder COB gekapselt, und der Stiftabstand nimmt von Tag zu Tag ab. Der Kugelabstand ist so niedrig wie O.6mm und wird weiter abnehmen, was es unmöglich macht, dass die Signaldrähte des Kapselers mit herkömmlichen Verdrahtungswerkzeugen gezogen werden. Es gibt derzeit zwei Möglichkeiten, dieses Problem im 8th National Academic Symposium on Radiation Resistant Electronics and Elektromagnetic Pulses (249) zu lösen: (1) Ziehen Sie die Signallinie von der unteren Schicht durch das Loch unter der Kugel; (2) Finden Sie einen Leitungskanal in der sphärischen Gitterarray, indem Sie sehr dünne Verdrahtung und freie Winkelverdrahtung verwenden. Für solche BGA- oder COB-verpackten Geräte mit hoher Dichte ist Verdrahtung mit einer sehr kleinen Breite und Platz die einzige praktikable Option. Nur so können hohe Ausbeute und Zuverlässigkeit gewährleistet und die Anforderungen an die Hochgeschwindigkeitskonstruktion erfüllt werden.

Design des 2.3 BGA gekapselten Klebepads

Mit der Entwicklung der Geräteverpackungstechnologie wird die relative Größe der Geräteverpackung kleiner und kleiner. Die Geräte der TMS320C6000 Serie haben bis zu 352 Pins, da die BGA Füße eng voneinander entfernt sind und die Löcher nahe an den Pins liegen, was eine große Induktivität erzeugen kann. Es ist auch schädlich für Hochgeschwindigkeitssignale, also versuchen Sie, kleinere Löcher zu verwenden, wenn sich BGA zerstreut. Es gibt eine entsprechende Beziehung zwischen der Größe des BGA-Pads und dem Fußabstand des BGA, aber es kann nicht größer sein als der Durchmesser der BGA-Pinkugel, normalerweise etwa 1/10~l/5 davon. Löcher neben dem BGA-Pad und dem Pad auf der Oberfläche der Komponenten müssen gesteckt und mit grünem Öl abgedeckt werden. Beim BGA-Schweißen können in der umgebenden 2era keine weiteren Komponenten auftreten.

Schlussfolgerung

Digitaler Signalprozessor ist Signalverarbeitung. Mit der Popularität von Hochfrequenzgeräten nimmt die Dichte der Leiterplatte zu, die Interferenz nimmt zu, und die Verbesserung der Signalqualität wurde auf die oberste Position des Designs gesetzt. Das Leiterplattendesign von Hochgeschwindigkeits-DSPs ist ein sehr komplexer Prozess. Bei der Auslegung von Hochgeschwindigkeitsstrecken müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, die einander entsprechen. Wenn die Hochgeschwindigkeitsgeräte dicht nebeneinander angeordnet sind, kann die Verzögerung reduziert werden, aber Übersprechen und signifikante thermische Effekte können auftreten. Es ist auch ein Widerspruch, dass Hochgeschwindigkeitssignale so weit wie möglich in der Innenschicht verdrahtet und weniger Löcher gestanzt werden sollten. Daher müssen wir bei der Konstruktion alle günstigen Faktoren berücksichtigen, um ein umfassendes Schaltungsdesign zu erstellen.

Nur so kann ein hochwertige Leiterplatte mit starker Antiblockierfähigkeit, stabile Leistung und hohe Echtzeitleistung werden entworfen.