Blog de PCB - La tecnología de cableado mejora la integridad de los PCB integrados

1 Introducción La placa de circuito impreso es el soporte básico de los componentes de circuito en los productos electrónicos, y su calidad de diseño a menudo afecta directamente la fiabilidad y compatibilidad del sistema integrado. En el pasado, en algunas placas de circuito de baja velocidad, la frecuencia del reloj solía ser de solo unos 10 mhz. El principal desafío del diseño de la placa de circuito o encapsulamiento es cómo cableado todos los cables de señal en la placa de doble capa y cómo ensamblar sin destruir el encapsulamiento. Las características eléctricas de la interconexión no son críticas, ya que la interconexión no afecta el rendimiento del sistema. En este sentido, la interconexión en la placa de circuito de baja velocidad de la señal es sin obstáculos y transparente. Sin embargo, con el desarrollo de sistemas integrados, los circuitos utilizados son básicamente circuitos de alta frecuencia. Debido al aumento de la frecuencia del reloj, el borde ascendente de la señal también se acorta, y la reactancia capacitiva e inductiva del circuito impreso a través de la señal será mucho mayor que la resistencia del circuito impreso en sí, lo que afectará seriamente la integridad de la señal. Para los sistemas integrados, el efecto de integridad de la señal se vuelve importante cuando la frecuencia del reloj supera los 100 MHz o el borde ascendente es inferior a 1 ns. A partir de las características eléctricas reales de la línea CITIC del circuito digital de alta velocidad, este artículo establece un modelo de características eléctricas, descubre las principales causas que afectan la integridad de la señal y cómo resolverlos, y da los problemas a los que se debe prestar atención en el cableado y los métodos y habilidades a seguir.

2. la integridad de la señal generalmente se puede considerar que la integridad de la señal debe incluir el siguiente significado: la distorsión de la forma de onda de la señal debe controlarse dentro de un cierto rango, el mapa de tiempo del flujo de señal puede cumplir con los requisitos lógicos, y el proceso de generación y transmisión de la señal debe estabilizarse En un Estado repentino. Hay dos razones principales para la destrucción de la integridad de la señal. En primer lugar, debido a la interferencia externa, especialmente la interferencia de los canales de transmisión, incluido el efecto de reflexión causado por el desajuste de la resistencia de los canales de transmisión, se destruye la forma de onda original; En segundo lugar, las señales digitales producirán naturalmente un efecto de dispersión espectral y cambiarán la forma de onda original. Cuando la frecuencia del reloj es relativamente alta en ese momento, como cuando el reloj alcanza los 10 MHz o más, o cuando el tiempo de borde del pulso alcanza los 1 ns o más, encontraremos que la señal no es fácil de alcanzar la posición esperada. Hay muchos factores que afectan los problemas de integridad de la señal, incluyendo temblores, retrasos, rebotes en tierra, reflejos, conversaciones cruzadas, ruido del interruptor, desajuste de la fuente de alimentación, atenuación, estiramiento del pulso, caos cronológico, etc. la integridad de la señal siempre involucra todo el proceso de la señal, por lo que la garantía de integridad de la señal requiere el entorno físico de todo el trabajo de la señal. Para ello, es necesario modelar el sistema de integridad de la señal. El modelo del sistema de integridad de la señal debe incluir tres partes: fuente de señal completa, Canal de coordinación física de la señal y recepción completa de la señal. Los principales contenidos de las tres partes son los siguientes: (1) fuente de señal completa: garantizar la integridad de la señal generada. Estos incluyen garantía de fuente de alimentación, filtro de ruido, potencial de puesta a tierra, eliminación de modo común, garantía de resistencia a la salida, etc. (2) Canal de coordinación física de la señal: asegúrese de que la señal no cambie durante la transmisión. Estos incluyen: conversación cruzada, retraso, depresión del canal, vibración armoniosa de reflexión, ancho de banda, atenuación, control de resistencia, conexión de circuito, etc. (3) recepción completa de la señal: asegúrese de una recepción eficiente y sin distorsión. Estos incluyen: emparejamiento de resistencia de entrada, procesamiento de puesta a tierra, resistencia mutua de red multiterminal, condensadores de desacoplamiento, condensadores de filtro, distribución de señales de red de entrada y problemas de protección de señales 2.1 retrasos: el retraso se refiere a la transmisión de señales a una velocidad limitada en la línea de transmisión de la placa de pcb. La señal se envía del remitente al receptor, y hay un retraso en la transmisión entre los dos. El retraso de la señal tiene un impacto en el tiempo del sistema; El retraso en la propagación está determinado principalmente por la longitud del cable y la constante dieléctrica del medio alrededor del cable. En los sistemas digitales de alta velocidad, la longitud de la línea de transmisión de señal es el factor directo que afecta la diferencia de fase del pulso del reloj. La diferencia de fase del pulso del reloj se refiere al tiempo asíncrono en el que las dos señales del reloj generadas simultáneamente llegan al extremo receptor. La diferencia de fase del pulso del reloj reduce la previsibilidad de la llegada del borde de la señal, y si la diferencia de fase del pulso del reloj es demasiado grande, se producirá una señal errónea en el extremo receptor. 2.2 reflexión: la reflexión es el eco de la señal en la línea de señal. Cuando el tiempo de retraso de la señal es mucho mayor que el tiempo de conversión de la señal, la línea de señal debe usarse como línea de transmisión. Cuando la resistencia característica de la línea de transmisión no coincide con la resistencia de la carga, una parte de la Potencia de la señal (voltaje o corriente) se transmite a la línea y llega a la carga, pero una parte se refleja. Si la resistencia de la carga es menor que la resistencia original, la reflexión es negativa; De lo contrario, el reflejo es positivo. Los cambios en la geometría del rastro, las terminaciones incorrectas de los cables, la transmisión a través del conector y la discontinuidad del plano de la fuente de alimentación provocan este reflejo. 2.3 crosstalk: crosstalk se refiere al acoplamiento entre dos líneas de señal, la inducción mutua y la capacidad mutua entre líneas de señal y el ruido en la línea de señal. La corriente de acoplamiento por inducción acoplada capacitivamente y el voltaje de acoplamiento por inducción acoplada inductivamente. El ruido de conversación cruzada proviene del acoplamiento electromagnético entre líneas de señal, entre sistemas de señal y sistemas de distribución y entre agujeros. El enredo cruzado puede causar falsos relojes, errores de datos intermitentes, etc., y afectar la calidad de transmisión de las señales adyacentes. En realidad, las conversaciones cruzadas no se pueden eliminar por completo, pero se pueden controlar dentro de los límites tolerables del sistema. Los parámetros de la capa de pcb, la distancia entre las líneas de señal, las características eléctricas del extremo de conducción y recepción y el método de terminación de la línea de base tienen un cierto impacto en la conversación cruzada. Al cableado de placas de PCB de alta velocidad, si el espacio de cableado es pequeño o la densidad de cableado es alta, el problema de conversación cruzada es muy grave, y la interferencia electromagnética resultante afectará seriamente la señal del circuito. Para reducir las conversaciones cruzadas, durante el cableado se pueden tomar las siguientes medidas: terminar correctamente las líneas de señal sensibles a las conversaciones cruzadas y reducir los condensadores de acoplamiento mediante emparejamiento de impedancias. 2.4 sobretensiones y bajadas: las sobretensiones son picos o valles que superan el voltaje establecido. Para el borde ascendente, se refiere al voltaje; Para el borde descendente, se refiere al voltaje. El siguiente Valle o pico supera el voltaje establecido. Un exceso de impulso excesivo puede hacer que el electrodo de protección funcione, lo que hará que falle prematuramente. Una bajada excesiva puede causar un pseudo - reloj o un error de datos (mal funcionamiento). 2.5 oscilaciones y oscilaciones orbitales: los fenómenos oscilantes son excesos y bajadas repetidas. Las oscilaciones de la señal son oscilaciones causadas por inductores y condensadores que transitan por la línea y pertenecen al Estado de subdeflexión, mientras que las oscilaciones circundantes pertenecen al Estado de sobreamortiguación. Las oscilaciones y las oscilaciones orbitales, como los reflejos, son causadas por muchos factores y pueden reducirse con una terminación adecuada, pero no eliminarse por completo. Ruido de rebote de tierra y ruido de retorno: cuando hay una gran corriente vagando en el circuito, causará ruido de rebote de tierra. Por ejemplo, cuando la salida de un gran número de chips se conduce simultáneamente, habrá una gran corriente instantánea entre el chip y la placa. Los inductores y resistencias del encapsulamiento del CHIP y del plano de la fuente de alimentación causan ruido de la fuente de alimentación, lo que provoca fluctuaciones y cambios de voltaje en el plano real del suelo, que afectan el comportamiento de otros componentes. El aumento de la capacidad de carga, la disminución de la resistencia a la carga, el aumento de la inducción a tierra y el aumento del número de dispositivos de conmutación provocarán un aumento del rebote a tierra. Análisis de las características eléctricas de los canales de transmisión en placas de PCB multicapa, la mayoría de las líneas de transmisión no solo están dispuestas en una sola capa, sino que también están escalonadas en varias capas, y estas capas están conectadas a través de agujeros. Por lo tanto, en las placas de PCB multicapa, los canales de transmisión típicos incluyen principalmente tres partes: líneas de transmisión, ángulos de rastreo y agujeros. En el caso de baja frecuencia, el paso de agujeros de la línea impresa y el rastro puede considerarse una conexión eléctrica ordinaria que conecta los pines de diferentes dispositivos sin afectar demasiado la calidad de la señal. Sin embargo, a altas frecuencias, los rastros, las esquinas y los agujeros de paso no solo deben considerar su conectividad, sino también sus propiedades eléctricas a altas frecuencias y los efectos de los parámetros parasitarios. Análisis de las características eléctricas de las líneas de transmisión en las placas de PCB de alta velocidad en el diseño de las placas de PCB de alta velocidad, es inevitable utilizar un gran número de líneas de conexión de señal, y la longitud es diferente. El tiempo de retraso de la señal a través del cable de conexión no puede ser ignorado en comparación con el tiempo de cambio de la propia señal, y la señal se transmite a la velocidad de las ondas electromagnéticas. Para la transmisión ascendente, la línea de conexión en este momento es una red compleja con resistencias, condensadores e inductores, que debe describirse con un modelo de sistema de parámetros distribuidos, es decir, un modelo de línea de transmisión. La línea de transmisión se utiliza para transmitir la señal de un extremo al otro y consta de dos cables de cierta longitud, uno se llama camino de señal y el otro se llama camino de retorno. En los circuitos de baja frecuencia, la línea de transmisión se manifiesta como resistencia pura. En las placas de PCB de alta velocidad, con el aumento de la frecuencia de la señal transmitida, la resistencia capacitiva entre los cables disminuye y la resistencia inductiva en los cables aumenta, los cables de señal ya no se manifestarán como resistencia pura, es decir, la señal no solo se transmite en los cables, sino también en el medio entre los conductores. Para un cable uniforme, la resistencia R de la línea de transmisión, la inducción parasitaria L y el capacitor parasitario C están distribuidos uniformemente (es decir, L1 = L2 = à = ln; C1 = C2 = à = Cn + 1), sin tener en cuenta los cambios en el entorno externo. El análisis de las características eléctricas del agujero en la placa de circuito impreso de alta velocidad generalmente se refiere al agujero en la placa de circuito impreso, que es un factor importante en el diseño de la placa de circuito impreso multicapa. Los agujeros a través se pueden utilizar para la instalación fija de componentes enchufables o interconexiones entre capas. Desde el punto de vista tecnológico, los agujeros se dividen generalmente en tres categorías: agujeros ciegos, agujeros enterrados y agujeros. Los agujeros ciegos se encuentran en la superficie superior e inferior de la placa de circuito impreso y tienen cierta profundidad para la conexión entre el circuito superficial y el circuito interno inferior. La profundidad del agujero y el diámetro del agujero generalmente no superan una cierta proporción. Los agujeros enterrados se refieren a los agujeros de conexión ubicados en la capa interior de la placa de circuito impreso y no se extienden a la superficie de la placa de circuito. Los agujeros a través pasan por toda la placa de circuito y se pueden utilizar para la interconexión entre capas o como agujeros de montaje para componentes. Debido a que los agujeros a través son más fáciles de lograr en el proceso y de menor costo, las placas de circuito impreso generales utilizan agujeros a través para reemplazar los otros dos tipos de agujeros a través. Los agujeros mencionados a continuación se consideran agujeros a través. Como línea de transmisión especial, el agujero cruzado no solo producirá condensadores parasitarios a la tierra, sino también inductores parasitarios en circuitos de alta velocidad. El impacto de los condensadores parasitarios a través del agujero en el circuito es principalmente ralentizar o deteriorar el borde ascendente de la señal digital y reducir la velocidad del circuito. Cuanto menor sea el valor de la capacidad parasitaria a través del agujero, menor será el impacto. La función principal de la inducción parasitaria a través del agujero es reducir la efectividad del condensadores de derivación de energía y hacer que el efecto de filtrado de toda la fuente de alimentación sea peor. La contribución del ángulo de la línea de transmisión al problema de integridad de la señal del canal de transmisión cuando la línea de impresión de la placa de PCB pasa por el ángulo de la señal, el cambio en el ancho de la línea de impresión es positivo, y la resistencia característica de la línea de impresión también cambia. Debido a que el ancho del rastro se ensancha al pasar por la esquina, la capacidad eléctrica entre el rastro y la capa de referencia aumenta y la resistencia característica del rastro disminuye. Por lo tanto, existe una discontinuidad de la resistencia característica en las esquinas de la línea impresa, lo que hace que la señal se refleje en la línea impresa y afecta la integridad de la señal. Comparación de las características de reflexión y transmisión de las esquinas de diferentes formas geométricas: geometría común de las esquinas de las líneas de impresión de placas de pcb: esquinas rectangulares, redondos, ángulos oblicuos de 45 grados dentro y fuera, ángulos oblicuos de 45 grados fuera. Las características de reflexión y transmisión de las esquinas de los rastros de diferentes formas geométricas son diferentes. El orden de las excelentes características de transmisión es el siguiente: Corte oblicuo de ángulo recto < esquina redonda < Corte oblicuo de 45 grados dentro y fuera, y la geometría angular de la línea impresa es flexión de ángulo recto y Corte oblicuo de 45 grados fuera. Por debajo del rango de frecuencia de 2gh, la geometría del ángulo de órbita tiene un pequeño impacto en las características de transmisión de la señal, y su impacto aumenta significativamente con el aumento de la frecuencia, especialmente para el ángulo recto. Se recomienda doblar las esquinas del rastro en ángulos rectos y adoptar una geometría de ángulo oblicuo de 45 grados, lo que en sí mismo tiene un menor impacto en la integridad de la señal. Cuando el ancho de la línea de señal es más estrecho en una placa de circuito de alta densidad, es generalmente poco probable que la acumulación de retraso causada por la capacidad parasitaria de la esquina tenga un gran impacto en la integridad de la señal. Sin embargo, para los circuitos sensibles de alta frecuencia, como las líneas de reloj de alta frecuencia, se debe considerar el efecto acumulativo de los condensadores parasitarios angulares. El uso de técnicas de cableado para frenar problemas de integridad de la señal cuando la señal sale de la fuente de accionamiento, la corriente y el voltaje que la componen tratan como una red de impendencia. cuando la señal se propaga a lo largo de la red de impendencia, experimenta constantemente cambios instantáneos de impendencia causados es por la interconexión. Si la resistencia vista por la señal se mantiene sin cambios, la señal no se distorsionará. Una vez que la resistencia cambia, la señal se refleja en el punto de cambio y se distorsiona a medida que pasa por el resto de la interconexión. Si la variación de la resistencia es lo suficientemente grande, la distorsión puede provocar un desenlace incorrecto. en el proceso de diseño de optimización de la integridad de la señal, un objetivo de diseño importante es diseñar todas las interconexiones como líneas de transmisión uniformes y reducir la longitud de todas las líneas de transmisión no uniformes para que la resistencia a la que Se siente la señal en toda la red se mantenga sin cambios. Sobre esta base, se pueden concluir algunos métodos para frenar los problemas de integridad de la señal utilizando la tecnología de cableado: la forma del rastro del conductor impreso no debe ser enredada, rama o esquina dura, y trate de evitar líneas en forma de T y líneas cortas; Trate de mantener la misma línea de señal de red. Ancho de línea, reduciendo los cambios en el ancho de línea; Reducir la longitud de la línea de transmisión y aumentar el ancho del cable; Trate de aumentar la distancia entre los cables eléctricos; Minimizar los agujeros y esquinas de las líneas de señal de alta velocidad y reducir la conversión entre capas de las líneas de señal; Elegir razonablemente el tamaño del agujero; Reducir el área del Circuito de señal y la corriente del circuito. En resumen, cualquier característica que cambie la sección transversal o la geometría de la red cambiará la resistencia vista por la señal. La clave para reducir el problema de integridad de la señal en el cableado es reducir los cambios repentinos en la resistencia de la línea de transmisión y mantener la resistencia experimentada por la señal en toda la red sin cambios. En resumen, en el diseño de los paneles de pcb, es necesario integrar el diseño y cableado de los componentes y las soluciones a los problemas de integridad de la señal que deben usarse en cada caso para resolver mejor el problema de integridad de la señal de los paneles de pcb. Conclusión hoy en día, cuando los sistemas integrados son ampliamente utilizados, la integridad de la señal se ha convertido en una parte extremadamente importante del diseño de la placa de circuito impreso del sistema integrado, lo que afecta el éxito o el fracaso de todo el diseño de la placa de circuito impreso. Al determinar el circuito, seleccionar los componentes y determinar el diseño del pcb, se puede utilizar la tecnología de cableado para frenar la aparición de problemas de integridad de la señal, mejorar la fiabilidad del tablero de PCB y reducir las pérdidas causadas por la integridad de la señal. En respuesta a los problemas de integridad de la señal causados por el entorno de alta frecuencia de la placa de circuito impreso del sistema integrado, este artículo propone un método para inhibir la integridad de la señal a través de un cableado razonable. a través del análisis de varios fenómenos de integridad de la señal, así como la construcción y descripción de las Características eléctricas de las líneas de transmisión, agujeros y esquinas, se resumen algunos métodos para mejorar la integridad de la señal utilizando habilidades de cableado en el diseño de la placa de circuito impreso, que tienen un valor de referencia práctico.