Leiterplattentechnisch - So verbessern Sie die Signalintegrität von Embedded System PCB

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der elektronischen Technologie, Immer mehr Felder werden auf Embedded Systeme angewendet. Unter diesen vielen Anwendungen, Menschen denken nicht mehr an Funktionen und Leistung, aber Zuverlässigkeit und Kompatibilität. Dann, Wie kann die Signalintegrität des Embedded System PCB durch Verdrahtungstechnik ist zu einem "wichtigen Thema" geworden."

Wie wir alle wissen, ist PCB (Printed Circuit Board) die grundlegende Unterstützung von Schaltungskomponenten und -geräten in elektronischen Produkten, und ihre Designqualität beeinflusst oft direkt die Zuverlässigkeit und Kompatibilität eingebetteter Systeme. In der Vergangenheit lag die Taktfrequenz bei einigen Low-Speed-Leiterplatten in der Regel nur etwa 10 MHz. Die größte Herausforderung beim Leiterplatten- oder GehäuseDesign bestand darin, alle Signalleitungen auf der Doppelschichtplatte zu verlegen und das Gehäuse während der Montage nicht zu beschädigen.

Da die Verbindungsleitung niemals die Systemleistung beeinflusst, sind die elektrischen Eigenschaften der Verbindungsleitung nicht wichtig. In diesem Sinne sind die Verbindungsleitungen in der Signal-Low-Speed-Leiterplatte glatt und transparent. Bei der Entwicklung eingebetteter Systeme handelt es sich jedoch grundsätzlich um Hochfrequenzschaltungen. Wenn die Taktfrequenz zunimmt, wird die steigende Kante des Signals kürzer, und die kapazitive Reaktanz und Induktivität, die von der gedruckten Schaltung zum passierenden Signal erzeugt werden, sind viel größer als der Widerstand der gedruckten Schaltung selbst beeinflusst ernsthaft die Integrität des Signals. Bei eingebetteten Systemen, wenn die Taktfrequenz 100 MHz überschreitet oder die steigende Kante kleiner als 1 ns ist, wird der Signalintegritätseffekt wichtig.

In der Leiterplatte ist die Signalleitung der Hauptträger der Signalübertragung, und das Routing der Signalleitung bestimmt direkt die Überlegenheit der Signalübertragung, die sich direkt auf die Leistung des gesamten eingebetteten Systems auswirkt. Unvernünftige Verdrahtung verursacht ernsthaft eine Vielzahl von Signalintegritätsproblemen und verursacht Timing, Rauschen und elektromagnetische Störungen (EMI) in der Schaltung, die die Leistung des eingebetteten Systems ernsthaft beeinträchtigen. In diesem Zusammenhang beginnt dieser Artikel von den tatsächlichen elektrischen Eigenschaften von Signalleitungen in Hochgeschwindigkeits-digitalen Schaltungen, erstellt elektrische Kennlinienmodelle, findet die Hauptgründe, die die Signalintegrität und Lösungen für Probleme beeinflussen, und gibt Aufmerksamkeit auf die Probleme in der Verkabelung und die Methoden und Techniken zu folgen.

Signalintegrität

Signalintegrität bezieht sich auf die Qualität des Signals auf der Signalleitung, das heißt die Fähigkeit des Signals, mit dem richtigen Timing und Spannungspegel in der Schaltung zu reagieren. Ein Signal mit guter Signalintegrität bedeutet, dass es das hat, was bei Bedarf erreicht werden muss Der Wert des Spannungspegels. Schlechte Signalintegrität wird nicht durch einen einzigen Faktor verursacht, sondern durch mehrere Faktoren beim Design auf Platinenebene. Signalintegritätsprobleme spiegeln sich in vielen Aspekten wider, einschließlich Verzögerung, Reflexion, Übersprechen, Überschuss, Oszillation und Ground Bounce.

Verzögerung: Verzögerung bedeutet, dass das Signal mit einer begrenzten Geschwindigkeit auf der Übertragungsleitung der Leiterplatte übertragen wird. Das Signal wird vom sendenden Ende zum empfangenden Ende gesendet, wobei es zu einer Übertragungsverzögerung kommt. Die Signalverzögerung wirkt sich auf das eingebettete Timing aus; Die Übertragungsverzögerung hängt hauptsächlich von der Länge des Drahtes und der Dielektrizitätskonstante des Mediums um den Draht ab. In einem digitalen Hochgeschwindigkeitssystem ist die Länge der Signalübertragungsleitung der direkteste Faktor, der die Phasendifferenz des Taktimpulses beeinflusst. Die Phasendifferenz des Taktimpulses bezieht sich auf die Zeit, wenn die beiden gleichzeitig erzeugten Taktsignale am Empfangsende ankommen, nicht synchronisiert werden. Die Taktimpulsphasendifferenz reduziert die Vorhersagbarkeit des Signalrandeintritts. Ist die Taktimpulsphasendifferenz zu groß, wird am Empfangsende ein Fehlersignal erzeugt.

Reflexion: Reflexion ist das Echo des Signals auf der Signalleitung. Wenn die Signalverzögerungszeit viel länger als die Signalübergangszeit ist, muss die Signalleitung als Übertragungsleitung verwendet werden. Wenn die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung nicht mit der Lastimpedanz übereinstimmt, wird ein Teil der Signalleistung (Spannung oder Strom) an die Leitung übertragen und erreicht die Last, aber ein Teil davon wird reflektiert. Wenn die Lastimpedanz kleiner als die ursprüngliche Impedanz ist, ist die Reflexion negativ; Ansonsten ist die Reflexion positiv. Abweichungen in der Verdrahtungsgeometrie, falscher Kabelabschluss, Übertragung durch Steckverbinder und Unterbrechungen in der Leistungsebene können solche Reflexionen verursachen.

Übersprechen: Übersprechen ist die Kopplung zwischen zwei Signalleitungen, und die gegenseitige Induktivität und gegenseitige Kapazität zwischen den Signalleitungen verursachen Rauschen auf der Signalleitung. Kapazitive Kopplung induziert Kopplungsstrom, und induktive Kupplung induziert Kupplungsspannung. Übersprecherauschen entsteht durch elektromagnetische Kopplung zwischen Signaldrahtnetzen, zwischen Signalsystemen und Stromverteilungssystemen, und zwischen Vias. Kreuzwicklung kann falsche Uhren verursachen, intermittierende Datenfehler, etc., die Übertragungsqualität benachbarter Signale beeinträchtigen können. In Wirklichkeit, Übersprechen cannot be completely eliminated, aber es kann innerhalb des Bereichs gesteuert werden, dem das System standhält. Die Parameter der Leiterplattenschicht, der Abstand der Signalleitungen, die elektrischen Eigenschaften des Antriebsenden und des Empfangsenden, und die Ausgangsbeendigungsmethode haben alle einen bestimmten Einfluss auf das Übersprechen.

Überschuss und Unterschuss: Überschuss ist der erste Peak- oder Talwert, der die eingestellte Spannung überschreitet. Für steigende Kanten bezieht es sich auf die höchste Spannung; Bei fallenden Kanten bezieht es sich auf die niedrigste Spannung. Undershoot bedeutet, dass der nächste Tal- oder Spitzenwert die eingestellte Spannung überschreitet. Ein übermäßiger Überschuss kann dazu führen, dass die Schutzdiode funktioniert, was zu ihrem vorzeitigen Ausfall führt. Ein übermäßiger Überschuss kann zu falschen Takt- oder Datenfehlern (Fehlbedienung) führen.

Oszillation und Ringschwingung: Oszillationsphänomene sind wiederholtes Über- und Unterschwingen. Die Signaloszillation ist die Oszillation, die durch die Induktivität und Kapazität des Leitungsübergangs verursacht wird, der zum unterdämpften Zustand gehört, und die umgebende Oszillation gehört zum überdämpften Zustand. Oszillation und Surround Oszillation werden auch durch viele Faktoren wie Reflexion verursacht. Oszillation kann durch ordnungsgemäße Beendigung reduziert werden, aber es ist unmöglich, sie vollständig zu beseitigen.

Ground Bounce Noise und Return Noise: Wenn es einen großen Stromstoß in der Schaltung gibt, verursacht dies Ground Bounce Noise. Wenn beispielsweise eine große Anzahl von Chipausgängen gleichzeitig eingeschaltet wird, entsteht ein großer transienter Strom zwischen Chip und Platine. Wenn die Leistungsebene durchströmt, verursachen die Induktivität und der Widerstand des Chippakets und der Leistungsebene Leistungsrauschen, die Spannungsschwankungen und Änderungen auf der realen Erdungsebene verursachen, und dieses Rauschen beeinflusst die Aktionen anderer Komponenten. Die Zunahme der Lastkapazität, die Abnahme des Lastwiderstands, die Zunahme der Erdungsinduktivität und die Zunahme der Anzahl der Schaltgeräte führen alle zur Zunahme des Erdungspralls.

Analyse der elektrischen Eigenschaften des Übertragungskanals

Bei einer mehrschichtigen Leiterplatte sind die meisten Übertragungsleitungen nicht nur auf einer Ebene angeordnet, sondern auf mehreren Ebenen gestaffelt, und jede Ebene ist durch Durchkontaktierungen verbunden. Daher umfasst ein typischer Übertragungskanal bei einer mehrschichtigen Leiterplatte hauptsächlich drei Teile: eine Übertragungsleitung, eine Verdrahtungsecke und ein Durchgang. Bei niedrigen Frequenzen können gedruckte Leitungen und Leiterbahnen als gewöhnliche elektrische Verbindungen angesehen werden, um die Pins verschiedener Geräte anzuschließen, was keinen großen Einfluss auf die Signalqualität hat. Bei Hochfrequenzen sollten die gedruckten Linien, Ecken und Durchkontaktierungen jedoch nicht nur ihre Konnektivität berücksichtigen, sondern auch den Einfluss ihrer elektrischen Eigenschaften und parasitären Parameter bei hohen Frequenzen.

Analyse der elektrischen Eigenschaften von Übertragungsleitungen in Hochgeschwindigkeits-PCB

Im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design ist es unvermeidlich, eine große Anzahl von Signalverbindungsleitungen zu verwenden, und ihre Längen sind unterschiedlich. Die Verzögerungszeit des Signals durch die Verbindungsleitung kann im Vergleich zur Änderungszeit des Signals selbst nicht ignoriert werden. Das Signal befindet sich auf der Verbindungsleitung mit der Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen. Für die Übertragung ist die Verbindungsleitung zu diesem Zeitpunkt ein komplexes Netzwerk mit Widerstand, Kapazität und Induktivität, das durch ein verteiltes Parametersystemmodell beschrieben werden muss, das heißt ein Übertragungsleitungsmodell.

Über die Übertragungsleitung wird das Signal von einem Ende zum anderen übertragen. Es besteht aus zwei Drähten mit einer bestimmten Länge, einer wird Signalpfad genannt, und der andere wird Rückpfad genannt. In niederfrequenten Schaltungen erscheinen die Eigenschaften der Übertragungsleitung als rein widerstandsfähige elektrische Eigenschaften. Wenn die Frequenz des Übertragungssignals zunimmt, nimmt die kapazitive Impedanz zwischen den Drähten ab, und die induktive Impedanz auf den Drähten nimmt zu. Der Signaldraht ist nicht mehr nur ein reiner Widerstand, das heißt, das Signal wird nicht nur auf dem Draht übertragen, sondern wird sich auch im Medium zwischen Leitern ausbreiten. Wenn die Signalfrequenz weiter erhöht wird, wenn jÏ� L>>R,1/(jÏ� C)