Leiterplattentechnisch - Leiterplattendesignmethoden und -fähigkeit1

Wie wählt man eine Leiterplatte?

1. Die Wahl der Leiterplatte muss ein Gleichgewicht zwischen der Erfüllung der Designanforderungen und der Massenproduktion und den Kosten finden. Die Konstruktionsanforderungen umfassen sowohl elektrische als auch mechanische Teile. Dieses Materialproblem ist in der Regel wichtiger, wenn Sie sehr schnelle Leiterplatten entwerfen (Frequenz größer als GHz). Zum Beispiel hat das übliche FR-4-Material, der dielektrische Verlust bei einer Frequenz von mehreren GHz einen großen Einfluss auf die Signaldämpfung und ist möglicherweise nicht geeignet. Was Strom betrifft, achten Sie darauf, ob die dielektrische Konstante und der dielektrische Verlust für die entworfene Frequenz geeignet sind.

2. Wie kann man Hochfrequenzstörungen vermeiden?

Die Grundidee der Vermeidung von Hochfrequenzstörungen besteht darin, die Störung des elektromagnetischen Feldes von Hochfrequenzsignalen zu minimieren, das sogenannte Übersprechen (Übersprechen). Kann den Abstand zwischen Hochgeschwindigkeitssignal und analogem Signal erhöhen oder Masseschutz-/Shunt-Spuren neben dem analogen Signal hinzufügen. Achten Sie auch auf die Störstörungen von der digitalen Masse zur analogen Masse.

3. Wie löst man das Problem der Signalintegrität im Hochgeschwindigkeitsdesign?

Die Signalintegrität ist im Grunde ein Problem der Impedanzanpassung. Die Faktoren, die die Impedanzanpassung beeinflussen, umfassen die Struktur und Ausgangsimpedanz der Signalquelle, die charakteristische Impedanz der Leiterbahn, die Eigenschaften des Lastenden und die Topologie der Leiterbahn. Die Lösung besteht darin, zu beenden (Beendigung) und die Topologie der Verkabelung anzupassen.

4. Wie wird die differenzielle Verdrahtungsmethode realisiert?

Bei der Anordnung des Differenzialpaares gibt es zwei Punkte zu beachten. Die eine ist, dass die Länge der beiden Drähte so lang wie möglich sein sollte, und die andere ist, dass der Abstand zwischen den beiden Drähten (dieser Abstand wird durch die Differenzimpedanz bestimmt) konstant gehalten werden muss, das heißt, um parallel zu bleiben. Es gibt zwei parallele Wege, eine ist, dass die beiden Drähte auf der gleichen Seite laufen, und die andere ist, dass die beiden Drähte auf zwei benachbarten Schichten oben und unten (over-under) laufen. Im Allgemeinen hat erstere mehr Side-by-Side-Implementierungen.

5. Wie implementiert man Differenzverdrahtung für eine Taktsignalleitung mit nur einem Ausgangsanschluss?

Für die Verwendung von Differenzverdrahtungen ist es sinnvoll, dass sowohl die Signalquelle als auch das Empfangsende Differenzsignale sind. Daher ist es unmöglich, eine Differenzverdrahtung für ein Taktsignal mit nur einer Ausgangsklemme zu verwenden.

6. Kann ein passender Widerstand zwischen den differentiellen Linienpaaren am Empfangsende hinzugefügt werden?

Der übereinstimmende Widerstand zwischen den differentiellen Linienpaaren am Empfangsende wird normalerweise addiert, und sein Wert sollte gleich dem Wert der differentiellen Impedanz sein. Auf diese Weise wird die Signalqualität besser sein.

7. Warum sollte die Verdrahtung des Differenzialpaares am nächsten und parallel sein?

Die Verdrahtungsmethode des Differenzialpaares sollte angemessen nah und parallel sein. Der sogenannte angemessene Abstand liegt darin, dass der Abstand den Wert der Differenzimpedanz beeinflusst, der ein wichtiger Parameter für die Auslegung eines Differenzpaares ist. Die Notwendigkeit der Parallelität besteht auch darin, die Konsistenz der Differenzimpedanz aufrechtzuerhalten. Wenn die beiden Leitungen plötzlich weit und nah sind, ist die Differenzimpedanz inkonsistent, was die Signalintegrität und Zeitverzögerung beeinflusst.

8. Wie man mit einigen theoretischen Konflikten in der tatsächlichen Verdrahtung umgeht

1. Grundsätzlich ist es richtig, die analoge/digitale Masse zu teilen und zu isolieren. Es ist zu beachten, dass die Signalspur den geteilten Ort (Graben) nicht so weit wie möglich überqueren sollte, und der Rückstrompfad der Stromversorgung und des Signals sollte nicht zu groß sein.

2. Der Kristalloszillator ist eine analoge positive Feedback-Oszillationsschaltung. Um ein stabiles Oszillationssignal zu haben, muss es die Schleifengewinn- und Phasenspezifikationen erfüllen. Die Schwingungsspezifikationen dieses analogen Signals werden leicht gestört. Selbst wenn Bodenschutzspuren hinzugefügt werden, ist es möglicherweise nicht in der Lage, die Störung vollständig zu isolieren. Und wenn es zu weit weg ist, beeinflusst das Rauschen auf der Erdungsebene auch die positive Feedback-Schwingung. Daher muss der Abstand zwischen dem Kristalloszillator und dem Chip so nah wie möglich sein.

3. Es stimmt, dass es viele Konflikte zwischen Hochgeschwindigkeitsverdrahtung und EMI-Anforderungen gibt. Aber das Grundprinzip ist, dass der Widerstand und die Kapazität oder die Ferritperle, die durch EMI hinzugefügt wird, nicht dazu führen kann, dass einige elektrische Eigenschaften des Signals die Spezifikationen nicht erfüllen. Daher ist es am besten, die Fähigkeiten der Anordnung von Leiterbahnen und PCB-Stapeln zu verwenden, um EMI-Probleme zu lösen oder zu reduzieren, wie Hochgeschwindigkeitssignale, die zur inneren Schicht gehen. Schließlich wird das Widerstandskondensator- oder Ferrit-Bead-Verfahren verwendet, um die Beschädigung des Signals zu reduzieren.

9. Wie löst man den Widerspruch zwischen manueller Verdrahtung und automatischer Verdrahtung von Hochgeschwindigkeitssignalen?

Die meisten automatischen Router starker Verdrahtungssoftware haben jetzt Einschränkungen festgelegt, um die Wickelmethode und die Anzahl der Durchgänge zu steuern. Die Wickelmotorfähigkeiten und Beschränkungseinstellungen verschiedener EDA-Unternehmen unterscheiden sich manchmal stark. Zum Beispiel, ob es genügend Einschränkungen gibt, um die Art der Serpentinenwicklung zu steuern, ob es möglich ist, den Spurabstand des Differentialpaars zu steuern usw. Dies beeinflusst, ob die Routingmethode der automatischen Routing-Idee des Designers entsprechen kann. Darüber hinaus hängt die Schwierigkeit der manuellen Einstellung der Verkabelung auch absolut mit der Fähigkeit des Wickelmotors zusammen. Zum Beispiel die Schiebefähigkeit der Leiterbahn, die Schiebefähigkeit des Durchgangs und sogar die Schiebefähigkeit der Leiterbahn zur Kupferbeschichtung usw. Daher ist die Wahl eines Routers mit starker Wickelmotorfähigkeit die Lösung.

10. Über den Testcoupon.

Mit dem Testcoupon wird gemessen, ob die charakteristische Impedanz der produzierten Leiterplatte die Designanforderungen mit TDR (Time Domain Reflectometer) erfüllt. Im Allgemeinen hat die zu steuernde Impedanz zwei Fälle: eine einzelne Linie und ein Differenzpaar. Daher sollten die Linienbreite und der Linienabstand auf dem Testcoupon (wenn es ein Differenzpaar gibt) mit der zu steuernden Linie übereinstimmen. Das Wichtigste ist die Lage des Erdungspunktes während der Messung. Um die Induktivität der Erdungsleitung zu reduzieren, liegt die Erdungsstelle der TDR-Sonde in der Regel sehr nahe an der Sondenspitze. Daher müssen der Abstand und das Verfahren zwischen dem Signalmesspunkt und dem Massepunkt auf dem Testcoupon mit der verwendeten Sonde übereinstimmen.

11. Im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design kann der leere Bereich der Signalschicht mit Kupfer beschichtet werden, und wie sollte die Kupferbeschichtung mehrerer Signalschichten auf dem Boden und der Stromversorgung verteilt werden?

Im Allgemeinen ist die Kupferbeschichtung im Leerbereich meist geerdet. Achten Sie beim Auftragen von Kupfer neben der Hochgeschwindigkeitssignalleitung einfach auf den Abstand zwischen Kupfer und Signalleitung, da das aufgebrachte Kupfer die charakteristische Impedanz der Leiterbahn ein wenig reduziert. Achten Sie auch darauf, die charakteristische Impedanz anderer Schichten nicht zu beeinflussen, zum Beispiel in der Struktur der Doppelstreifen.

12. Ist es möglich, das Mikrostreifenlinienmodell zu verwenden, um die charakteristische Impedanz der Signalleitung auf der Leistungsebene zu berechnen? Kann das Signal zwischen Netzteil und Masseebene mit dem Stripline-Modell berechnet werden?

Ja, bei der Berechnung der charakteristischen Impedanz müssen sowohl die Leistungsebene als auch die Masseebene als Referenzebene betrachtet werden. Zum Beispiel ein vierschichtiges Brett: oberste Schicht-Power-Schicht-Boden-Schicht-untere Schicht. Zu diesem Zeitpunkt ist das charakteristische Impedanzmodell der obersten Schicht ein Mikrostreifenlinienmodell mit der Leistungsebene als Bezugsebene.

13. Können Prüfpunkte automatisch durch Software auf Leiterplatten mit hoher Dichte unter normalen Umständen erzeugt werden, um die Testanforderungen der Massenproduktion zu erfüllen?

Im Allgemeinen hängt davon ab, ob die Software automatisch Prüfpunkte generiert, um die Testanforderungen zu erfüllen, ob die Spezifikationen zum Hinzufügen von Prüfpunkten den Anforderungen der Prüfgeräte entsprechen. Wenn die Verkabelung zu dicht ist und die Spezifikationen für das Hinzufügen von Prüfpunkten streng sind, ist es möglicherweise nicht möglich, automatisch Prüfpunkte zu jedem Segment der Leitung hinzuzufügen. Natürlich müssen Sie die zu testenden Stellen manuell ausfüllen.

14. Wird das Hinzufügen von Testpunkten die Qualität von Hochgeschwindigkeitssignalen beeinträchtigen?

Ob sich das auf die Signalqualität auswirkt, hängt von der Methode des Addierens von Testpunkten ab und wie schnell das Signal ist. Grundsätzlich können zusätzliche Testpunkte (nicht mit dem vorhandenen Via- oder DIP-Pin als Testpunkte) der Leitung hinzugefügt oder eine kurze Leitung aus der Leitung gezogen werden. Ersteres entspricht dem Hinzufügen eines kleinen Kondensators auf der Leitung, während letzteres ein zusätzlicher Zweig ist. Beide Bedingungen beeinflussen das Hochgeschwindigkeitssignal mehr oder weniger, und der Grad des Effekts hängt mit der Frequenzgeschwindigkeit des Signals und der Kantenrate des Signals zusammen. Das Ausmaß der Auswirkung kann durch Simulation bekannt werden. Grundsätzlich gilt: Je kleiner der Prüfpunkt, desto besser (natürlich muss er die Anforderungen des Prüfwerkzeugs erfüllen), je kürzer der Zweig, desto besser.

15. Mehrere Leiterplatten bilden ein System, wie sollen die Massedrähte zwischen den Leiterplatten angeschlossen werden?

Wenn das Signal oder die Stromversorgung zwischen jeder Leiterplatte miteinander verbunden ist, zum Beispiel wenn Platine A eine Stromversorgung hat oder ein Signal an Platine B gesendet wird, muss eine gleiche Menge Strom von der Masse zurück zur Platine A fließen (dies ist Kirchoff-Stromgesetz). Der Strom auf diesem Boden wird den Ort mit der geringsten Impedanz finden, um zurückzufließen. Daher sollte an jeder Schnittstelle, ob es sich um eine Leistungs- oder Signalverbindung handelt, die Anzahl der Pins, die der Masseschicht zugewiesen sind, nicht zu klein sein, um die Impedanz zu reduzieren, wodurch das Rauschen auf der Masseschicht reduziert werden kann. Darüber hinaus können Sie auch die gesamte Stromschleife analysieren, insbesondere den Teil mit einem großen Strom, und die Verbindung der Erdungsschicht oder des Erdungskabels anpassen, um den Stromfluss zu steuern (z. B. eine niedrige Impedanz irgendwo machen, damit der Großteil des Stroms von diesem Weg fließt), um die Auswirkungen auf andere empfindlichere Signale zu reduzieren.

16. Können Sie einige ausländische technische Bücher und Materialien über Hochgeschwindigkeits-PCB-Design einführen?

Heutzutage werden digitale Hochgeschwindigkeitsschaltungen in verwandten Bereichen wie Kommunikationsnetzen und Computern verwendet. In Bezug auf das Kommunikationsnetzwerk hat die Arbeitsfrequenz der Leiterplatte bis zu GHz erreicht, und die Anzahl der Schichten ist so hoch wie 40-Schichten, soweit ich weiß. Computerbezogene Anwendungen sind auch auf die Weiterentwicklung von Chips zurückzuführen, sei es ein allgemeiner PC oder ein Server (Server), die höchste Betriebsfrequenz auf der Platine hat auch über 400MHz erreicht (wie Rambus). Als Reaktion auf diese Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits- und High-Density-Verkabelungen haben sich die Anforderungen an blinde/vergrabene Durchkontaktierungen, mikrobielle Prozesse und Aufbauprozesse allmählich erhöht. Diese Konstruktionsanforderungen stehen Herstellern für die Serienfertigung zur Verfügung.

Hier sind ein paar gute technische Bücher:

1. Howard W. Johnson, "High-Speed Digital Design – A Handbook of Black Magic";

2. Stephen H. Hall, "High-Speed Digital System Design";

3. Brian Yang, "Digital Signal Integrity";

4. Douglas Brook, "Integrity Issues and Printed Circuit Board Design".

17. Zwei charakteristische Impedanzformeln, auf die oft Bezug genommen wird:

a. Mikrostreifen

Z={87/[sqrt(Er+1.41)]}ln[5.98H/(0.8W+T)] wo W die Linienbreite ist, T die Kupferdicke der Spur und H die Spur zur Referenzebene Entfernung, Er ist die dielektrische Konstante des Leiterplattenmaterials. Diese Formel muss angewendet werden, wenn 0.1<(W/H)<2.0 und 1<(Er)<15.

b. Stripline

Z=[60/sqrt(Er)]ln{4H/[0.67π(T+0.8W)]} wobei H der Abstand zwischen den beiden Bezugsebenen ist und die Spur in der Mitte der beiden Bezugsebenen liegt. Diese Formel muss angewendet werden, wenn W/H<0,35 und T/H<0,25.

18. Kann ein Erdungskabel in der Mitte der Differenzsignalleitung hinzugefügt werden?

In der Regel ist es nicht möglich, einen Erdungskabel in der Mitte des Differenzsignals hinzuzufügen. Denn der wichtigste Punkt des Anwendungsprinzips von Differenzsignalen ist die Nutzung der Vorteile der Kopplung zwischen Differenzsignalen, wie Flussunterdrückung und Rauschfestigkeit. Wenn Sie in der Mitte einen Erdungsdraht hinzufügen, wird der Kopplungseffekt zerstört.

19. Erfordert das Rigid-Flex-Board-Design spezielle Design-Software und Spezifikationen? Wo können wir eine solche Leiterplattenbearbeitung in China durchführen?

Sie können allgemeine PCB-Design-Software verwenden, um eine flexible Leiterplatte (Flexible Printed Circuit) zu entwerfen. Es wird auch von FPC-Herstellern im Gerber-Format produziert. Da sich der Herstellungsprozess von dem der allgemeinen Leiterplatten unterscheidet, haben verschiedene Hersteller ihre Einschränkungen hinsichtlich der minimalen Linienbreite, des minimalen Linienabstandes und der minimalen Durchkontaktierungen basierend auf ihren Fertigungsmöglichkeiten. Darüber hinaus kann es durch Verlegen von Kupferhaut am Wendepunkt der flexiblen Leiterplatte verstärkt werden. Wie für den Hersteller, finden Sie es im Internet "FPC" als Stichwortabfrage.

20. Was ist das Prinzip, den Erdungspunkt zwischen der Leiterplatte und dem Gehäuse richtig auszuwählen?

Das Prinzip der Auswahl der Leiterplatten- und Shell-Erdungspunkte besteht darin, die Chassis-Masse zu verwenden, um einen niederohmigen Pfad für den Rückfluss bereitzustellen und den Weg des Rückflusses zu steuern. Zum Beispiel können in der Regel in der Nähe von Hochfrequenzgeräten oder Taktgeneratoren feste Schrauben verwendet werden, um die Masseschicht der Leiterplatte mit der Gehäusemasse zu verbinden, um die Fläche der gesamten Stromschleife zu minimieren und elektromagnetische Strahlung zu reduzieren.