Tecnología de PCB - Análisis de la integridad de la señal en el diseño de circuitos de alta velocidad

A medida que aumenta la frecuencia del reloj del sistema y el tiempo de subida, el diseño de integridad de la señal se vuelve cada vez más importante. Desafortunadamente, la mayoría de los diseñadores de circuitos digitales no se dieron cuenta de la importancia de los problemas de integridad de la señal, o no se dieron cuenta hasta la etapa final del diseño.

Este artículo presenta la influencia de la integridad de la señal en el diseño de circuitos de hardware digital de alta velocidad. Esto incluye problemas como el control de Resistencia característica, la coincidencia de terminales, la fuente de alimentación y el plano de tierra, el enrutamiento de señales y la conversación cruzada. Dominar estos conocimientos permite a los diseñadores de circuitos digitales notar posibles problemas de integridad de la señal en las primeras etapas del diseño del circuito, y también puede ayudar al diseño a evitar el impacto de la integridad de la señal en el rendimiento del diseño.

Aunque la integridad de la señal siempre ha sido una de las experiencias de diseño necesarias para los ingenieros de hardware, ha sido ignorada durante mucho tiempo en el diseño de circuitos digitales. En la era del diseño de circuitos lógicos de baja velocidad, debido a que rara vez aparecen problemas relacionados con la integridad de la señal, considerar la integridad de la señal se considera un desperdicio de eficiencia. Sin embargo, con el aumento de la velocidad del reloj y el tiempo de subida en los últimos años, también ha aumentado la necesidad y el diseño del análisis de integridad de la señal. Desafortunadamente, la mayoría de los diseñadores no lo notaron y rara vez consideraron la integridad de la señal en el diseño.

Los circuitos digitales modernos pueden alcanzar frecuencias de hasta gigahertz y el tiempo de subida está dentro de los 50 ps. A esta velocidad, la negligencia en la trayectoria de diseño del PCB es incluso un pie, y los problemas de voltaje, retraso e interfaz resultantes no se limitan a esta línea, sino que también afectan a toda la placa y a las placas adyacentes.

Este problema es particularmente grave en los circuitos híbridos. Por ejemplo, considere tener un ADC de alto rendimiento en el sistema para recibir señales analógicas digitalmente. La transmisión de energía en los puertos de salida digital de los dispositivos ADC puede alcanzar 130 DBS (10.000 millones de veces más) que en los analógicos. cualquier ruido en los puertos digitales adc. la integridad de la señal en el diseño no es un proceso misterioso. Es fundamental reconocer los problemas potenciales en las primeras etapas del diseño y evitarlos eficazmente en las etapas posteriores. Este artículo discute algunos desafíos clave de integridad de la señal y cómo enfrentarlos.

Asegúrese de la integridad de la señal:

1. aislamiento

Los componentes de la placa de PCB tienen diversas velocidades de borde y diversas diferencias de ruido. La forma más directa de mejorar si es lograr el aislamiento físico de los componentes en el PCB basado en los valores límite y la sensibilidad del dispositivo. La siguiente imagen es un ejemplo. En este caso se tendrán especialmente en cuenta las fuentes de alimentación, los puertos digitales de E / S y la lógica de alta velocidad, que son circuitos de alto riesgo para relojes y circuitos de conversión de datos. En el primer diseño, el reloj y el convertidor de datos se colocan cerca del dispositivo de ruido. El ruido se acopla al circuito sensible y reduce su rendimiento. El aislamiento efectivo del Circuito en el segundo diseño favorecerá la integridad de la señal del diseño del sistema.

2. impedancias, reflejos y emparejamientos de terminales

El control de resistencia y la coincidencia de terminales son los problemas básicos en el diseño de circuitos de alta velocidad. Por lo general, los circuitos de radiofrecuencia se consideran la parte más importante del diseño de cada circuito, pero algunos diseños de circuitos digitales con frecuencias superiores a la radiofrecuencia ignoran la resistencia y la coincidencia de terminales.

Debido al desajuste de resistencia, los circuitos digitales se ven afectados de varias maneras mortales, como se muestra en la siguiente imagen:

La señal digital provocará un reflejo entre la entrada del dispositivo receptor y la salida del dispositivo transmisor. La señal reflejada se rebota y se propaga por ambos extremos de la línea hasta que se absorbe por completo al final.

B. la señal reflejada provoca el efecto timbre de la señal que pasa por la línea de transmisión, que afectará el retraso del voltaje y la señal y el deterioro total de la señal.

C. las rutas de señal desajustas pueden hacer que la señal se irradie en el medio ambiente.

Los problemas causados por el desajuste de resistencia se pueden minimizar a través de resistencias de terminación. Las resistencias terminales suelen ser uno o dos componentes separados colocados en una línea de señal cerca del extremo receptor. La forma fácil es conectar una pequeña resistencia en serie.

La resistencia terminal limita el tiempo de subida de la señal y absorbe parte de la energía reflejada. Cabe señalar que el uso de la coincidencia de resistencia no elimina completamente los factores de falla. Sin embargo, al seleccionar cuidadosamente el dispositivo adecuado, la resistencia del terminal puede controlar eficazmente la integridad de la señal.

No todas las líneas de señal requieren control de resistencia, como la resistencia característica de la especificación PCI compacta y las características de Resistencia terminal.

No se preocupan especialmente por otros estándares y diseñadores que no requieren especificaciones de control de resistencia. El estándar final puede variar según la Aplicación. Por lo tanto, es necesario considerar la longitud de la línea de señal (correlación y retraso td) y el tiempo de subida de la señal (ter). La regla general del control de resistencia es que el TD (retraso) debe ser mayor que 1 / 6 de tr.

3. División de la capa eléctrica interna y la capa eléctrica interna

Los factores que los diseñadores de circuitos digitales ignorarán en el diseño del circuito actual incluyen considerar la transmisión de señal de un solo extremo entre dos circuitos de puerta (como se muestra en la siguiente imagen). La corriente circula de la puerta a a la puerta B y luego regresa del plano de tierra a la puerta A.

Puede haber dos problemas en la imagen de arriba:

A. el plano de tierra entre los puntos a y B debe conectarse a través de una ruta de baja resistencia. Si hay una gran resistencia conectada entre los planos de tierra, habrá un retorno de voltaje entre los pines de los planos de tierra. Esto conducirá inevitablemente a la distorsión de la amplitud de la señal y la superposición del ruido de entrada en todos los dispositivos.

El área del circuito actual debe ser lo más pequeña posible. Este bucle es como una antena. En general, una mayor superficie del circuito aumentará las oportunidades de radiación y conducción del circuito. Cada diseñador de circuitos espera que la corriente del circuito pueda seguir directamente la línea de señal, de modo que el área del circuito sea mínima.

El uso de una gran área de tierra puede resolver los dos problemas anteriores al mismo tiempo. La puesta a tierra a gran escala puede proporcionar una pequeña resistencia entre todos los puntos de puesta a tierra, al tiempo que permite que la corriente de retorno regrese lo más directamente posible a lo largo de la línea de señal.

Un error común de los diseñadores de PCB es hacer agujeros y ranuras en el plano de tierra. La siguiente imagen muestra la dirección de la corriente cuando el cable de señal se encuentra en la capa geoeléctrica ranurada. La corriente del circuito se verá obligada a sortear la ranura, lo que inevitablemente producirá un gran circuito circular.

En general, es imposible ranura en el plano de la fuente de alimentación terrestre. Sin embargo, en algunos casos, la ranura es inevitable, y los diseñadores de PCB primero deben asegurarse de que no haya bucles de señal a través de la zona de ranura. Las mismas reglas se aplican a los circuitos de señal híbridos.

A menos que se utilicen varios planos de tierra en la placa de pcb. Especialmente en los circuitos ADC de alto rendimiento, se puede utilizar una formación de tierra que separa las señales analógicas, digitales y de los circuitos de reloj para reducir eficazmente la interferencia entre las señales. Cabe destacar una vez más que, en algunos casos, la ranura es inevitable y que los diseñadores de PCB deben asegurarse primero de que no haya bucles de señal que pasen por la zona de ranura.

En las capas de potencia con diferencias espejo, también se debe prestar atención al área de la zona entre capas (como se muestra en la siguiente imagen). En el borde de la placa, existe el efecto de radiación de la capa del plano de potencia a la capa del plano del suelo. La energía electromagnética que se escapa del borde puede dañar las placas adyacentes. Véase la figura a continuación. Reducir adecuadamente el área de la capa plana de la fuente de alimentación (ver figura B a continuación) para que la capa de puesta a tierra se superponga en una determinada área. Esto reducirá el impacto de las fugas electromagnéticas en las placas adyacentes.

4. cableado de señales

Lo más importante para garantizar la integridad de la señal es el cableado físico de la línea de señal. los diseñadores de CB a menudo se enfrentan a presiones de trabajo, no solo para completar el diseño en el menor tiempo posible, sino también para garantizar la integridad de la señal. Comprender cómo equilibrar posibles problemas y las brechas entre las señales facilitará el proceso de diseño del sistema. La corriente de alta velocidad no puede manejar eficazmente la continuidad en la línea de señal. El problema de la señal discontinua es el más probable que aparezca en la figura a a continuación. En los circuitos de baja velocidad, generalmente no es necesario considerar la discontinuidad de la señal, pero en los circuitos de alta velocidad, este problema debe considerarse. Por lo tanto, en el diseño del circuito, el método mostrado en la figura B / C a continuación puede garantizar efectivamente la continuidad de la señal.

En el diseño de circuitos de alta velocidad, hay otro problema común en el cableado de señales. Si no hay razones especiales, todos los cortocircuitos deben eliminarse en la medida de lo posible. En el diseño de circuitos de alta frecuencia, los cortocircuitos son como la radiación causada por la coincidencia de la resistencia de la línea de señal.

En el cableado de diseño de circuitos de alta velocidad, se debe prestar especial atención al cableado de pares diferenciales. Los pares diferenciales son impulsados por dos líneas de señal completamente complementarias. Los pares diferenciales pueden evitar interferencias de ruido y aumentar la velocidad S / N. Sin embargo, los cables de señal diferenciales tienen requisitos particularmente altos para el cableado:

1. los dos cables deben estar lo más cerca posible del cableado;

2. la longitud de las dos líneas debe ser exactamente la misma;

Cómo enrutar correctamente las líneas de señal de par diferencial entre los dos dispositivos que no están dispuestos juntos es un problema clave.

En la figura a anterior, hay algunos riesgos de incertidumbre debido a la longitud inconsistente de las dos líneas de señal. El cableado correcto debe hacerse de la manera mostrada en la figura B anterior. La regla general del cableado de pares diferenciales es mantener las dos líneas de señal equidistantes y próximas entre sí.

5. crosstalk

En el diseño de pcb, la conversación cruzada es otra preocupación. La siguiente imagen muestra el área de conversación cruzada y el área electromagnética relacionada entre tres pares de líneas de señal paralelas adyacentes en el pcb. Cuando el intervalo entre las líneas de señal es demasiado pequeño, las áreas electromagnéticas entre las líneas de señal interactúan entre sí, lo que resulta en un deterioro de la señal, que es la conversación cruzada.

La conversación cruzada se puede resolver aumentando el espaciamiento de las líneas de señal. Sin embargo, los diseñadores de PCB suelen estar limitados por un espacio de cableado cada vez más apretado y una distancia cada vez más estrecha entre las líneas de señal; Debido a que no hay más opciones en el diseño, es inevitable introducir algunos problemas de conversación cruzada en el diseño. Obviamente, los diseñadores de PCB necesitan ser capaces de manejar problemas de conversación cruzada. A lo largo de los años, se han publicado muchas reglas relevantes sobre el espaciamiento confiable. Una regla reconocida en la industria es la regla 3w, es decir, la distancia entre las líneas de señal adyacentes debe ser al menos tres veces el ancho de las líneas de señal. Sin embargo, el espaciamiento aceptable de las líneas de señal en la práctica depende de factores redundantes como la aplicación real, el entorno de trabajo y el diseño. El espaciamiento de las líneas de señal cambia de una situación a otra y se calcula cada vez. Por lo tanto, cuando el problema de la conversación cruzada es inevitable, la conversación cruzada debe cuantificarse. Esto se puede expresar con tecnología de simulación por computadora. Con el simulador, el diseñador puede determinar el efecto de integridad de la señal y * estimar el efecto de conversación cruzada del sistema.

6. desacoplamiento de la fuente de alimentación

El desacoplamiento de potencia es ahora una práctica estándar en el diseño de circuitos digitales. Mencionar aquí ayudará a reducir los problemas de ruido en las líneas eléctricas. Una fuente de alimentación limpia es esencial para el diseño de circuitos de alto rendimiento. El ruido de alta frecuencia superpuesto a la fuente de alimentación causará problemas a cada dispositivo digital adyacente. El ruido típico proviene del rebote terrestre, la radiación de señal o el propio dispositivo digital. La forma más fácil de resolver el ruido de la fuente de alimentación es utilizar condensadores para desacoplar el ruido de alta frecuencia en el suelo. Los condensadores de desacoplamiento ideales proporcionan una ruta de tierra de baja resistencia para el ruido de alta frecuencia, eliminando así el ruido de la fuente de alimentación. Los condensadores de desacoplamiento se seleccionan de acuerdo con la aplicación real. La mayoría de los diseñadores optarán por instalar condensadores lo más cerca posible de la superficie del pin de la fuente de alimentación y los valores de los condensadores deben ser lo suficientemente grandes como para proporcionar una ruta de tierra de baja resistencia para el ruido predecible de la fuente de alimentación. El problema habitual al usar condensadores de desacoplamiento es que los condensadores de desacoplamiento no pueden considerarse simplemente condensadores. Hay varios casos:

A. el embalaje del capacitor producirá inductores parasitarios;

B. los condensadores traerán algunas resistencias equivalentes;

C. los cables entre los pines de alimentación y los condensadores de desacoplamiento traerán algunos inductores equivalentes;

D. el cable entre el pin de tierra y el plano de tierra traerá algunas inductores equivalentes; El impacto resultante:

A. los condensadores tendrán un efecto de resonancia en una frecuencia específica, y la resistencia de la red resultante tendrá un mayor impacto en las señales en las bandas de frecuencia adyacentes;

B. la resistencia equivalente (esr) también puede afectar la ruta de baja resistencia formada por el desacoplamiento del ruido de alta velocidad;

El siguiente resumen del impacto de esto en los diseñadores digitales:

A. los cables que salen de los pines VCC y gnd en el dispositivo deben considerarse pequeños inductores. Por lo tanto, se recomienda que los cables VCC y gnd sean lo más cortos y gruesos posible en el diseño.

B. selección de condensadores con bajo efecto esr, lo que ayuda a mejorar el desacoplamiento de la fuente de alimentación;

La selección de pequeños condensadores encapsulados reducirá la inducción encapsulada. Reemplazar el equipo con un paquete más pequeño provocará cambios en las características de temperatura. Por lo tanto, después de seleccionar pequeños condensadores encapsulados, es necesario ajustar el diseño del dispositivo en el diseño.

En el diseño, la sustitución de los condensadores x7r por condensadores y5v puede garantizar encapsulamientos más pequeños e inductores equivalentes más bajos, pero también costará más costos de dispositivos para garantizar características de alta temperatura.

En el diseño, también se debe considerar la desacoplamiento del ruido de baja frecuencia por condensadores de gran capacidad. El uso de condensadores electroliticos y condensadores de tantalio separados puede mejorar la rentabilidad de los dispositivos.

7. resumen:

La integridad de la señal es uno de los problemas más importantes a lo largo del diseño de circuitos digitales de alta velocidad; Las siguientes son algunas de las recomendaciones para garantizar la integridad de la señal en el diseño de circuitos digitales:

Aislamiento físico de los componentes sensibles de los componentes ruidosos;

Control de resistencia, reflexión y coincidencia de terminales de señal;

Uso de fuentes de alimentación continuas y formación de tierra;

D. trate de evitar el uso de ángulos rectos al conectar;

E. la longitud de conexión del par diferencial es la misma;

F. las conversaciones cruzadas deben tenerse en cuenta al diseñar circuitos de alta velocidad;

G. problemas de desacoplamiento de la fuente de alimentación;

Dominar los problemas en el diseño de circuitos digitales anteriores puede ayudar a los diseñadores de circuitos digitales a detectar tantos problemas potenciales en el diseño de circuitos como sea posible en las primeras etapas del diseño de circuitos.