Leiterplattentechnisch - Signale in High-Speed Digital PCB Board Design

Mit der Erhöhung der Ausgangsschaltgeschwindigkeit integrierter Schaltkreise und der Zunahme der Leiterplattendichte, Signalintegrität ist zu einem der Probleme geworden, die beim Design von digitalen Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten betroffen sein müssen. Die Parameter von Bauteilen und Leiterplatten, das Layout der Komponenten auf der Leiterplatte, und die Verdrahtung von Hochgeschwindigkeitssignalleitungen, etc. Faktoren verursachen Probleme mit der Signalintegrität.

Für das Leiterplattenlayout erfordert die Signalintegrität die Bereitstellung eines Leiterplattenlayouts, das sich nicht auf das Signal-Timing oder die Spannung auswirkt, während für das Schaltungsenlayout die Signalintegrität die Bereitstellung von Abschlusskomponenten, Layoutstrategien und Routinginformationen erfordert.

Hohe Signalgeschwindigkeit auf der Leiterplatte, falsches Layout von Abschlusskomponenten oder falsche Verdrahtung von Hochgeschwindigkeitssignalen können zu Signalintegritätsproblemen führen, die dazu führen können, dass das System falsche Daten ausgibt, die Schaltung nicht richtig funktioniert oder gar nicht funktioniert. Die vollständige Berücksichtigung von Signalintegritätsfaktoren im Prozess und effektive Steuerungsmaßnahmen sind heute ein heißes Thema in der Leiterplattendesignindustrie geworden

1. Probleme mit der Signalintegrität

Gute Signalintegrität bedeutet, dass das Signal bei Bedarf mit korrekten Timing- und Spannungspegelwerten reagieren kann. Umgekehrt tritt ein Problem mit der Signalintegrität auf, wenn das Signal nicht normal reagieren kann.

Signalintegritätsprobleme können Signalverzerrungen, Zeitfehler, falsche Daten, Adress- und Steuerleitungen, Systemstörungen und sogar Systemabstürze verursachen oder direkt zu ihnen führen. Signalintegritätsprobleme werden nicht durch einen einzigen Faktor verursacht, sondern beim Design auf Platinenebene. Verursacht durch eine Vielzahl von Faktoren.

IC-Schaltgeschwindigkeit, falsches Layout von Abschlusskomponenten oder falsche Verdrahtung von Hochgeschwindigkeitssignalen können Probleme mit der Signalintegrität verursachen. Die Hauptprobleme der Signalintegrität umfassen: Verzögerung, Reflexion, synchrones Schaltrauschen, Oszillation, Ground Bounce, Übersprechen usw.

2. Definition der Signalintegrität

Signalintegrität bezieht sich auf die Fähigkeit eines Signals, mit dem richtigen Timing und der richtigen Spannung in der Schaltung zu reagieren. Es ist ein Zustand, in dem das Signal nicht beschädigt wird, und es repräsentiert die Qualität des Signals auf der Signalleitung.

2.1 Verzögerung

Verzögerung bedeutet, dass das Signal mit einer begrenzten Geschwindigkeit auf den Drähten der Leiterplatte übertragen wird und das Signal vom sendenden Ende zum empfangenden Ende gesendet wird, während dessen es eine Übertragungsverzögerung gibt. Die Verzögerung des Signals beeinflusst das Timing des Systems, und die Übertragungsverzögerung hängt hauptsächlich von der Länge des Drahtes und der dielektrischen Konstante des Mediums um den Draht ab.

Bei digitalen Hochgeschwindigkeitssystemen ist die Länge der Signalübertragungsleitung der direkteste Faktor, der die Phasendifferenz des Taktimpulses beeinflusst. Die Phasendifferenz des Taktimpulses bezieht sich auf die beiden Taktsignale, die gleichzeitig erzeugt werden, und die Zeit, wenn sie am Empfangsende ankommen, ist nicht synchronisiert.

Die Taktimpulsphasendifferenz reduziert die Vorhersagbarkeit des Signalrandeintritts. Ist die Taktimpulsphasendifferenz zu groß, wird am Empfangsende ein Fehlersignal erzeugt. Wie in Abbildung 1 gezeigt, ist die Übertragungsleitungsverzögerung zu einem wichtigen Teil des Taktimpulszyklus geworden.

2.2 Reflexion

Die Reflexion ist das Echo auf der Subübertragungsleitung. Wenn die Signalverzögerungszeit (Delay) viel größer ist als die Signalübergangszeit (Übergangszeit), 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.

2.3 Synchrones Schaltrauschen (SSN)

Wenn die vielen digitalen Signale auf der Leiterplatte synchron geschaltet werden (wie der Datenbus der CPU, der Adressbus usw.), aufgrund der Impedanz der Stromleitung und der Erdleitung, synchrones Schaltrauschen erzeugt wird, und Ground Plane Bounce Rauschen erscheint auch auf der Erdleitung (Ground Bomb).

Die Stärke von SSN und Ground Bounce hängt auch vom I ab/O Eigenschaften der integrierten Schaltung, die Impedanz der Leiterplattenleistung Ebene und Ebene, und das Layout und die Verdrahtung von Hochgeschwindigkeitsgeräten auf der Leiterplatte.

2.4 Crosstalk (Crosstalk)

Übersprechen ist die Kopplung zwischen zwei Signalleitungen, und die gegenseitige Induktivität und gegenseitige Kapazität zwischen den Signalleitungen verursachen Rauschen auf der Leitung. Kapazitive Kupplung induziert Kupplungsstrom und induktive Kupplung induziert Kupplungsspannung. Übersprecherauschen entsteht durch elektromagnetische Kopplung zwischen Signaldrahtnetzen, zwischen Signalsystemen und Stromverteilungssystemen sowie zwischen Durchkontaktierungen.

Kreuzwicklung kann falsche Uhren, intermittierende Datenfehler usw. verursachen, die die Übertragungsqualität benachbarter Signale beeinträchtigen können. Tatsächlich müssen wir das Übersprechen nicht vollständig beseitigen, solange es innerhalb des Bereichs gesteuert wird, dem das System standhalten kann, um das Ziel zu erreichen.

Die Parameter der Leiterplattenschicht, der Signallinienabstand, die elektrischen Eigenschaften des Antriebs- und Empfangsenden und die Basislinienabschlussmethode haben alle einen bestimmten Einfluss auf das Übersprechen.

2.5 Über- und Unterschießen

Überschuss ist, wenn der erste Peak oder Tal die eingestellte Spannung überschreitet. Für eine steigende Kante bezieht es sich auf die höchste Spannung und für eine fallende Kante 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.

2.6 Ringung und Rundung

Das Oszillationsphänomen ist wiederholtes Über- und Unterschießen. Die Oszillation des Signals 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.

2.7 Ground Bounce Noise und Return Noise

Wenn es einen großen Stromstoß in der Schaltung gibt, verursacht dies Schlaggeräusche der Erdungsebene. Wenn beispielsweise eine große Anzahl von Chipausgängen gleichzeitig eingeschaltet wird, fließt ein großer transienter Strom durch die Leistungsebene des Chips und der Platine. Das Chippaket und die Stromversorgung Die Induktivität und der Widerstand der Ebene verursachen Stromrauschen, die Spannungsschwankungen und Änderungen auf der wahren Erdungsebene (OV) verursachen. Dieses Geräusch wirkt sich auf die Aktionen anderer Komponenten aus.

Die Zunahme der Lastkapazität, die Abnahme des Lastwiderstands, die Zunahme der Erdungsinduktivität und die Zunahme der Anzahl der Schaltgeräte zur gleichen Zeit führen alle zur Zunahme des Erdungspralls.

Aufgrund der Aufteilung der Erdungsebene (einschließlich Leistung und Masse) wird beispielsweise die Erdungsebene in digitale Erdung, analoge Erdung, Abschirmmasse usw. unterteilt, wenn das digitale Signal in den analogen Erdungsbereich geht, wird Erdungsebene-Rücklaufrauschen erzeugt.

Ähnlich, Die Leistungsebene kann auch in 2 geteilt werden.5V, 3.3V, 5V, etc. Daher, in der Mehrspannung PCB-Design, Besonderes Augenmerk sollte auf das Rückstoß- und Rückstoßgeräusch der Bodenfläche gelegt werden.