Diseño electrónico - Detalles de la ruta de retorno del PCB del Circuito de alta velocidad

1. el concepto básico del retorno

¡Según el esquema de la placa de circuito impreso digital, las señales digitales se transmiten de una puerta lógica a otra, y las señales se transmiten de la salida al receptor a través de cables, lo que parece ser un flujo unidireccional, por lo que muchos ingenieros digitales creen que el circuito no está relacionado, después de todo, tanto el conductor como el receptor del dispositivo están designados como modo de voltaje, ¡ por qué considerar la corriente! De hecho, la teoría básica del circuito nos dice que las señales se transmiten a través de la corriente eléctrica y, en concreto, el movimiento del electrón, que es una de las características del electrón, nunca se queda en ningún lugar y la corriente vuelve en cualquier lugar, por lo que la corriente Siempre fluye en el circuito y cualquier señal en el circuito Existe en forma de circuito cerrado. Para la transmisión de señal de alta frecuencia, en realidad es el proceso de carga de condensadores cerámicos atrapados entre la línea de transmisión y la capa de corriente continua.

2. efectos del retorno

El retorno se realiza generalmente en circuitos digitales a través de planos de tierra y fuente de alimentación. Las rutas de retorno de las señales de alta frecuencia y las señales de baja frecuencia son diferentes. El retorno de la señal de baja frecuencia selecciona el camino de resistencia, y el retorno de la señal de alta frecuencia selecciona el camino de reactancia.

Cuando la corriente fluye desde el conductor de la señal hasta el extremo receptor de la señal a través del cable de señal, siempre hay un retorno en la dirección opuesta: desde el pin de tierra de la carga, a través del plano recubierto de cobre, llega a la fuente de señal, y la corriente fluye a través del cable de señal para formar un circuito cerrado. La frecuencia de ruido causada por la corriente que fluye a través del plano recubierto de cobre es igual a la frecuencia de la señal, y cuanto mayor sea la frecuencia de la señal, mayor será la frecuencia de ruido. La Puerta lógica no responde a la señal de entrada, sino a la diferencia entre la señal de entrada y el pin de referencia. El circuito de terminación de un solo punto responde a la diferencia entre la señal de entrada y su plano de referencia lógico, por lo que la interferencia en el plano de referencia terrestre es tan importante como la interferencia en la ruta de la señal. Las Puertas lógicas responden con el pin de entrada de referencia especificado, no sabemos cuál es el pin de referencia especificado (para ttl, generalmente Potencia negativa, para ecl, generalmente Potencia positiva, pero no todas), y en esencia, la capacidad antiinterferencia de la señal diferencial tiene un buen efecto en el ruido de seguimiento y el plano deslizante de potencia.

Cuando las placas de PCB de muchas señales digitales cambian simultáneamente (como el bus de datos de la cpu, el bus de dirección, etc.), entre ellas

La corriente de carga instantánea fluye hacia el suelo desde o a través del Circuito de alimentación, ya que la línea de alimentación y la resistencia en el suelo producen ruido de conmutación (ssn) al mismo tiempo, y habrá ruido de rebote del plano de tierra (reproducción) en el suelo. Y cuando el área circundante de los cables de alimentación y los cables de tierra en la placa de circuito impreso es grande, su energía de radiación también es grande, por lo que analizamos el Estado del interruptor del chip digital y tomamos medidas para controlar el modo de retorno para reducir el área circundante y lograr el propósito de la radiación.

Descripción del ejemplo:

El ic1 es el extremo de salida de la señal, el ic2 es el extremo de entrada de la señal (para el Modelo simplificado de pcb, se supone que el extremo receptor contiene una resistencia inferior), y la tercera capa es la formación. Los terrenos del ic1 y del ic2 proceden del tercer piso. La esquina superior derecha de la capa superior es el plano de alimentación conectado al Polo positivo de la fuente de alimentación. C1 y C2 son condensadores de desacoplamiento ic1 e ic2, respectivamente. La fuente de alimentación y el suelo del chip mostrado en la imagen son tanto la fuente de alimentación para transmitir la señal como la base para recibir la señal.

A baja frecuencia, si el terminal S1 emite un alto nivel, la fuente de alimentación de todo el circuito actual llega al plano de alimentación VCC a través de un cable, luego entra en el ic1 a través de un camino naranja, luego sale del terminal s1, entra en el ic2 a través del terminal R1 a través de un segundo cable, luego entra En la capa gnd y regresa al terminal negativo de la fuente de alimentación a través de un camino rojo.

A alta frecuencia, las características de distribución de los PCB afectarán en gran medida la señal. Lo que generalmente se conoce como retorno son los problemas que a menudo se encuentran en las señales de alta frecuencia. Cuando la señal de corriente de S1 a R1 es cada vez mayor, el campo magnético externo cambia muy rápido, lo que permite detectar corriente inversa cerca del conductor. si el plano de tierra de la tercera capa es el plano completo, se puede generar una corriente de marca de línea punteada azul en el plano de tierra. si la Potencia de la capa Top tiene un plano completo, también habrá una capa Top que regresa a lo largo de la línea punteada Azul. Ahora el circuito de señal tiene un circuito de corriente, energía de radiación y capacidad de acoplar señales externas. (el efecto cutáneo a alta frecuencia también irradia energía hacia afuera, y el principio es el mismo).

Debido a que el nivel de señal de alta frecuencia y la corriente cambian rápidamente, pero el ciclo de cambio es corto y la energía necesaria no es muy grande, el chip es alimentado por un capacitor de desacoplamiento cerca del chip. Cuando el C1 es lo suficientemente grande y reacciona lo suficientemente rápido (el valor de ESR es muy bajo, por lo general se utilizan condensadores cerámicos. el ESR de los condensadores de chip es mucho más bajo que el de los condensadores de tantalio. la ruta naranja de la capa superior y la ruta Roja de la capa gnd pueden considerarse inexistentes (hay una corriente eléctrica correspondiente a la fuente de alimentación de toda la placa, pero no a la señal mostrada).

Por lo tanto, de acuerdo con el entorno construido en la imagen, toda la ruta actual es la siguiente: terminal positivo de la línea de señal ic1 - S1 - L2 C1 - VCC - Ruta amarilla de R1 - gnd - a través del agujero - capa gnd - a través del agujero - Terminal negativo del capacitor en ic2. Como puedes ver, hay una corriente equivalente marrón en la dirección vertical de la corriente, que induce un campo magnético en el medio, y este toro también se acopla fácilmente a interferencias externas. Si la señal mostrada en la imagen es una señal de reloj, hay un conjunto de líneas de datos de 8 dígitos conectadas en paralelo, alimentadas por la misma fuente de alimentación del mismo chip, y la ruta de retorno de corriente es la misma. Si el cable de datos se voltea en la misma dirección al mismo tiempo, puede inducir una gran corriente inversa en el reloj, y si el cable del reloj no coincide bien, esta conversación cruzada puede ser fatal para la señal del reloj. La intensidad de la conversación cruzada no es proporcional al nivel alto o bajo de la fuente de interferencia, sino a la tasa de variación de la corriente de la fuente de interferencia. Para cargas de Resistencia pura, la corriente de crosstalk es proporcional a di / DT = DV / (t? 10% - 90% * r). En la fórmula, di / DT (tasa de variación de corriente), DV (amplitud de la fuente de interferencia) y R (carga de la fuente de interferencia) se refieren a los parámetros de la fuente de interferencia (para cargas capacitivas, di / DT es el mismo que t? ¿ entre el 10% y el 90% del cuadrado es inversamente proporcional). Como se puede ver en la fórmula, la conversación cruzada de las señales de baja frecuencia no es necesariamente menor que la conversación cruzada de las señales de alta velocidad. Es decir, decimos: la señal de 1khz no es necesariamente una señal de baja velocidad, hay que considerar la situación del borde. Para señales con bordes muy empinados, contiene muchos armónicos y tiene una gran amplitud en todas las octavas. Por lo tanto, al seleccionar dispositivos, también se debe prestar atención a no seleccionar ciegamente chips que cambien rápidamente, lo que no solo es costoso, sino que también aumenta los problemas de conversación cruzada y emc.

Cualquier capa de alimentación adyacente u otra superficie con condensadores adecuados en ambos extremos de la señal para proporcionar una ruta de baja reactancia al gnd puede usarse como superficie de retorno de la señal. En aplicaciones comunes, la fuente de alimentación Io del chip correspondiente al transceptor es a menudo la misma, y generalmente hay condensadores de desacoplamiento de 0,01 - 0,1uf entre la fuente de alimentación y el suelo, que se encuentran justo en ambos extremos de la señal, por lo que el efecto de retorno del plano de alimentación es solo superado por el plano del suelo. En el caso de utilizar otros planos de potencia para el retorno, generalmente no hay una ruta de baja reactancia al suelo en ambos extremos de la señal. De esta manera, la corriente inducida en el plano adyacente encontrará el capacitor más cercano y regresará al suelo. Si el "capacitor cercano" está lejos del punto de partida o final, el retorno también pasará por una "larga distancia" para formar un camino de retorno completo, que también es el camino de retorno de las señales adyacentes. La misma ruta de retorno tiene el mismo efecto que la interferencia común, lo que equivale a una conversación cruzada entre señales.

Para algunas de las inevitables bifurcaciones de Potencia cruzada, los filtros de paso alto hechos de condensadores o series RC pueden cruzarse en las bifurcaciones (por ejemplo, los condensadores 680p de la serie de resistencias de 10 ohm, cuyos valores dependen de su propio tipo de señal, es decir, proporcionan rutas de retorno de alta frecuencia, pero también aislan las conversaciones cruzadas de baja frecuencia entre los planos mutuos). Esto puede implicar agregar condensadores entre los planos de la fuente de alimentación, lo que puede parecer divertido, pero definitivamente funciona. Si algunas especificaciones no lo permiten, los condensadores se pueden poner a tierra por separado de los dos planos en el punto de separación.

En caso de retorno con otros planos, se pueden poner a tierra adecuadamente varios pequeños condensadores en ambos extremos de la señal para proporcionar una ruta de retorno. Pero esto a menudo es difícil de lograr. La mayor parte del espacio superficial cerca del terminal está ocupado por condensadores de desacoplamiento que coinciden con resistencias y chips.

El ruido de retorno es uno de los principales ruidos en el plano de referencia. Por lo tanto, es necesario estudiar la ruta y el rango de flujo del retorno.