Tecnología de PCB - ¿¿ qué es el diseño de PCB de alta velocidad?

1. desafíos en el diseño de sistemas electrónicos

Con la mejora a gran escala de la complejidad e integración del diseño del sistema, los diseñadores de sistemas electrónicos se dedican al diseño de placas de circuito impreso por encima de 100 mhz, y la frecuencia de trabajo del bus ha alcanzado o superado los 50 mhz, algunos incluso más de 100 mhz. Alrededor del 50% de los diseños actuales tienen una frecuencia de reloj superior a 50 MHz y casi el 20% tienen una frecuencia de reloj superior a 120 mhz.

Cuando el sistema funciona a 50 mhz, habrá problemas de efecto de línea de transmisión e integridad de la señal. Cuando el reloj del sistema alcanza los 120 mhz, el diseño de PCB basado en métodos tradicionales no funcionará a menos que se utilice el conocimiento de diseño de circuitos de alta velocidad. Por lo tanto, la tecnología de diseño de circuitos de alta velocidad se ha convertido en un medio de diseño necesario para los diseñadores de sistemas electrónicos. Solo la tecnología de diseño del diseñador de circuitos de alta velocidad puede controlar el proceso de diseño.

¿2. ¿ qué es un circuito de alta velocidad?

En general, se considera un circuito de alta velocidad si la frecuencia del circuito lógico digital alcanza o supera los 45 MHz a 50 mhz, y el circuito que funciona por encima de esa frecuencia ya representa un cierto número de todo el sistema electrónico (por ejemplo, 1 / 3).

De hecho, la frecuencia armónica en el borde de la señal es mayor que la frecuencia armónica de la propia señal. Son los bordes ascendentes y descendentes (o los saltos de la señal) los que causan resultados inesperados en la transmisión de la señal. Por lo tanto, se cree ampliamente que si el retraso en la propagación de la línea es mayor que el tiempo de subida del extremo impulsor de la señal digital de 1 / 2, esta señal se considera una señal de alta velocidad y produce un efecto de línea de transmisión.

La transmisión de la señal se produce en un momento en el que el Estado de la señal cambia, como el tiempo de subida o bajada. La señal pasa un tiempo fijo desde el conductor hasta el receptor. Si el tiempo de transmisión es inferior a 1 / 2 del tiempo de subida o bajada, la señal reflejada del receptor llegará al conductor antes de que la señal cambie de Estado. En cambio, la señal reflejada llegará al conductor después de que la señal cambie de Estado. Si la señal reflejada es fuerte, la forma de onda superpuesta puede cambiar el Estado lógico.

3. determinación de la señal de alta velocidad

¿Arriba hemos definido las condiciones previas para que ocurra el efecto de la línea de transmisión, pero ¿ cómo saber si el retraso de la línea es mayor que 1 / 2 del tiempo de subida de la señal del conductor? Por lo general, los valores típicos del tiempo de subida de la señal se pueden dar en el Manual del equipo, y el tiempo de propagación de la señal en el diseño del PCB está determinado por la longitud real del cableado. La siguiente imagen muestra la relación correspondiente entre el tiempo de subida de la señal y la longitud permitida del cableado (retraso).

El retraso por unidad de pulgada en el PCB es de 0167ns. sin embargo, si hay muchos agujeros, Pins y restricciones en el cable de red, el retraso aumenta. Por lo general, el tiempo de subida de la señal de los dispositivos lógicos de alta velocidad es de aproximadamente 0,2 ns. si hay un chip Gaas en el tablero, la longitud de cableado grande es de 7,62 mm.

Establezca tr como el tiempo de subida de la señal y TPD como el retraso de propagación de la línea de señal. Si trà4tpd, la señal cae en la zona de Seguridad. Si 2tpd àtrà4tpd, la señal cae en una zona de incertidumbre. Si trà2tpd, la señal pertenece a la zona problemática. Para las señales en áreas de incertidumbre y problemas, se debe utilizar el método de cableado de alta velocidad.

¿4. ¿ qué es una línea de transmisión?

El cableado en el tablero de PCB puede ser equivalente a la estructura de condensadores, resistencias e inductores en serie y paralelos que se muestra a continuación. El valor típico de la resistencia en serie es de 0,25 - 0,55 Ohm / pie. Por razones de aislamiento, la resistencia paralela suele ser muy alta. Después de agregar resistencias parasitarias, condensadores e inductores al cableado real de pcb, la resistencia final en el cableado se llama resistencia característica zo. Cuanto más ancho sea el diámetro del cable, más cerca de la fuente de alimentación / tierra, o cuanto mayor sea la constante dieléctrica de la capa de aislamiento, menor será la resistencia característica. Si la resistencia de la línea de transmisión y el extremo receptor no coincide, el Estado de estabilidad final de la señal de corriente de salida y la señal será diferente, lo que hará que la señal se refleje en el extremo receptor, que será devuelta al remitente de la señal y reflejada de nuevo. A medida que disminuya la energía, la amplitud de la señal reflejada disminuirá hasta que el voltaje y la corriente de la señal se estabilicen. Este efecto se llama oscilación, y la oscilación de la señal suele aparecer en el borde ascendente y descendente de la señal.

5. efectos de las líneas de transmisión

Sobre la base del modelo de línea de transmisión definido anteriormente, se puede concluir que la línea de transmisión tendrá el siguiente impacto en el diseño general del circuito.

· señal reflejada señal reflejada

· retrasos y errores de cronometraje

· error de conmutación de error cruzado del umbral de nivel lógico múltiple

Sobreconciliación y falta de ajuste

· ruido inducido (o conversación cruzada)

· radiación EMI

5.1 señales reflejadas

Si la línea no se termina correctamente (el terminal coincide), el pulso de señal del conductor se refleja en el receptor, lo que provoca efectos inesperados que distorsionan el contorno de la señal. Cuando la distorsión es muy grave, puede causar varios errores, lo que puede conducir a un diseño fallido. Al mismo tiempo, el aumento de la sensibilidad de la distorsión de la señal al ruido también puede conducir a fallos de diseño. Si no se tiene plenamente en cuenta lo anterior, el EMI aumentará significativamente, lo que no solo afectará los resultados del diseño, sino que también causará fallas en todo el sistema.

Las principales razones de la señal reflejada son las siguientes: el cableado es demasiado largo; La línea de transmisión terminal no coincide, el capacitor o la inducción son demasiado grandes y la resistencia no coincide.

5.2 retrasos y errores de tiempo

El retraso de la señal y el error de tiempo son: cuando la señal cambia entre el umbral alto y el umbral bajo del nivel lógico, la señal se mantiene sin cambios durante un período de tiempo. El retraso excesivo de la señal puede causar errores de tiempo y disfunción del dispositivo.

Cuando hay varios receptores, suele haber problemas. El diseñador del circuito debe determinar el retraso de tiempo en el caso malo para asegurarse de que el diseño es correcto. Causa del retraso de la señal: sobrecarga del conductor, cable demasiado largo.

5.3 error en el umbral cruzado de varios niveles lógicos

Durante el salto, la señal puede cruzar el umbral del nivel lógico varias veces, lo que resulta en este tipo de error. El error del umbral del nivel lógico de cruce múltiple es una forma especial de oscilación de la señal, es decir, la oscilación de la señal se produce cerca del umbral del nivel lógico, y el cruce múltiple de la electricidad lógica generalmente conduce a disfunción lógica. Las señales reflejadas son causadas por líneas demasiado largas, líneas de transmisión no terminadas, condensadores o inductores excesivos y desajustes de resistencia.

5.4 subidas y bajadas

Hay dos razones para subir y bajar: la línea es demasiado larga o la señal cambia demasiado rápido. Aunque la mayoría de los receptores de componentes están protegidos por diodos de protección de entrada, a veces estos niveles de sobrecorriente pueden superar el rango de voltaje de alimentación del componente, dañando así el componente.

5.5 comentarios

La conversación cruzada se refiere a cuando la señal pasa por una línea de señal, las líneas de señal adyacentes en el tablero de PCB detectarán la señal relevante, llamada conversación cruzada.

Cuanto más cerca esté el cable de señal del cable de tierra, mayor será la distancia entre las líneas y menor será la señal de conversación cruzada generada. Las señales asíncronas y las señales de reloj son más propensas a la conversación cruzada. Por lo tanto, la forma de eliminar la conversación cruzada es eliminar la señal de conversación cruzada o bloquear la señal de interferencia grave.

5.6 radiación electromagnética

Interferencia electromagnética (emi), que puede causar demasiada radiación electromagnética y sensibilidad a la radiación electromagnética. El EMI indica que cuando el sistema digital está encendido, irradia ondas electromagnéticas al entorno circundante, interfiriendo así con el funcionamiento normal del dispositivo electrónico en el entorno circundante. La razón principal es que la frecuencia de funcionamiento del circuito es demasiado alta y el diseño y cableado no son razonables. En la actualidad, hay herramientas de software para la simulación emi, pero los simuladores EMI son muy caros y difíciles de establecer parámetros de simulación y condiciones de límite, lo que afectará directamente la precisión y practicidad de los resultados de la simulación. La práctica habitual es aplicar las reglas de diseño que controlan el EMI a cada enlace del diseño para lograr el impulso y el control de las reglas en cada enlace diseñado.