Tecnología de PCB - ¿Qué es el diseño de PCB de alta velocidad

¿¿ qué es el diseño de PCB de alta velocidad? El diseño de PCB de alta velocidad se refiere al diseño de placas de circuito capaces de soportar la transmisión de señales de alta velocidad, que generalmente se refieren a señales digitales de alta velocidad, señales analógicas de alta velocidad, etc. el diseño de PCB de alta velocidad tiene requisitos especiales en la selección de materiales, diseño de diseño, diseño de cableado, etc., para Garantizar la integridad y estabilidad de la señal durante la transmisión, la señal no distorsionada, no atenuada durante la transmisión y cumplir con los requisitos de rendimiento del sistema.

¿¿ qué es una señal de alta velocidad?

En respuesta a esta pregunta, Cadence, una empresa de software EDA de renombre mundial, lo define como:

Cualquier señal superior a 50 MHz es una señal de alta velocidad;

Cuando la longitud de la ruta de transmisión en el área donde se encuentra la señal sea superior a 1 / 6 mu, se reconocerá como señal de alta velocidad;

Si la señal es de alta velocidad o no es independiente de la frecuencia, y la predeterminación general: una señal se considera de alta velocidad cuando su borde ascendente / descendente es inferior a 50ps;

Cuando la señal se transmite a lo largo de la ruta de transmisión, se puede considerar una señal de alta velocidad si se produce un efecto de piel grave y una pérdida de potencia.

¿¿ qué es un circuito de alta velocidad?

Se considera generalmente que si la frecuencia del circuito lógico digital alcanza o supera 45MHZ ~ 50MHZ, y el circuito que funciona por encima de esta frecuencia ha representado una cierta cantidad de todo el sistema electrónico (por ejemplo, 1/3), se llama circuito de alta velocidad.

De hecho, la frecuencia armónica del borde de la señal es mayor que la de la propia señal. Es el borde ascendente y el borde descendente (o salto de la señal) lo que causa el resultado inesperado de la transmisión de la señal. Por lo tanto, se acepta generalmente que si el retardo de propagación de la línea es mayor que el tiempo de subida del extremo de accionamiento de 1/2 de señal digital, dicha señal se considera señal de alta velocidad y produce 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 cambie el Estado de la señal. En cambio, la señal reflejada llegará al conductor después de que el Estado de la señal cambie. Si la señal reflejada es fuerte, la forma de onda superpuesta puede cambiar el Estado lógico.

Determinación de señales de alta velocidad

Anteriormente hemos definido las precondiciones para la aparición del efecto de línea de transmisión, pero ¿cómo saber si el retraso de línea es mayor que 1/2 del tiempo de aumento de señal del conductor? En general, el valor típico del tiempo de aumento de la señal se puede dar en el manual del dispositivo, y el tiempo de viaje de la señal en el diseño de la PCB se determina por la longitud de cableado real. La figura a continuación muestra la correspondencia entre el tiempo de aumento de la señal y la longitud de cableado permitida (retraso).

El retardo por unidad de pulgada en la PCB es de 0,167ns. Sin embargo, si hay muchos agujeros, pines y restricciones en el cable de red, el retraso aumentará. Típicamente, el tiempo de aumento de señal para dispositivos lógicos de alta velocidad es de aproximadamente 0,2ns. Si hay chip GaAs en la placa, la longitud de cableado grande es de 7,62 mm.

Establecer Tr como tiempo de aumento de señal y Tpd como retraso de propagación de línea de señal. Si Trâ ¥4Tpd, la señal cae en la zona segura. Si 2Tpd, la señal cae en la región de incertidumbre. Si Trâ¤2Tpd, la señal cae en el área del problema. Para señales que caen en áreas inciertas y problemáticas, se deben usar métodos de cableado de alta velocidad.

¿Qué es la 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. Debido a la existencia de capas aislantes, 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 / cable de 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 y luego se envíe de vuelta al transmisor de señal y se refleje 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 generalmente aparece en el borde ascendente y descendente de la señal.

Efecto de línea de transmisión

Basándose en el modelo de línea de transmisión definido anteriormente, se puede concluir que la línea de transmisión tendrá los siguientes efectos sobre el diseño general del circuito.

· Señales reflejadas Señales reflejadas

· retrasos y errores de cronometraje

· Errores de cruzamiento de umbrales de nivel lógico múltiples Falsa conmutación

· sobreconciliación y falta de ajuste

Ruido inducido (o crosstalk)

· Radiación EMI

Señal reflejada

Si la línea no se termina correctamente (el terminal coincide), el pulso de señal del conductor se refleja en el receptor, lo que provoca un efecto inesperado de la distorsión del contorno de la señal. Cuando la distorsión es muy significativa, 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 causas de las señales reflejadas son las siguientes: cableado demasiado largo; Líneas de transmisión terminadas incomparables, exceso de capacitancia o inductancia y discrepancias de impedancia.

Retraso y errores de tiempo

Los errores de retardo y temporización de la señal son: la señal permanece inalterada durante un período de tiempo cuando la señal cambia entre los umbrales altos y bajos del nivel lógico. El retraso excesivo de la señal puede conducir a errores de temporización y disfunción del dispositivo.

Los problemas suelen ocurrir cuando hay múltiples receptores. 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: El controlador está sobrecargado y el cable es demasiado largo.

Errores de umbral de cruzamiento de niveles lógicos múltiples

La señal puede cruzar el umbral de nivel lógico varias veces durante el salto, dando como resultado este tipo de error. El cruzamiento múltiple del umbral de nivel lógico es una forma especial de oscilación de señal, es decir, la oscilación de señal ocurre cerca del umbral de nivel lógico, cruzar múltiplemente el umbral de nivel lógico conducirá a una disfunción lógica. Las señales reflejadas son causadas por: cableado demasiado largo, líneas de transmisión no terminadas, exceso de capacitancia o inductancia y incompatibilidad de impedancia.

Overshoot y downshoot

El exceso y el descenso provienen de dos razones: línea demasiado larga o cambio de señal demasiado rápido. Aunque la mayoría de los receptores de elementos están protegidos por diodos de protección de entrada, a veces estos niveles de exceso pueden exceder el rango de tensión de alimentación del elemento, dañando el elemento.

Crosstalk

Crosstalk significa que cuando una señal pasa a través de una línea de señal, las señales relevantes se inducirán en las líneas de señal adyacentes en la placa de PCB, que se llama crosstalk.

Cuanto más cerca se encuentra el cable de señal al cable de tierra, mayor es la distancia entre las líneas, y menor es la señal transversal generada. Las señales asíncronas y las señales de reloj son más propensas a la conversación cruzada. Por lo tanto, el método para eliminar la interferencia es eliminar la señal de interferencia o proteger la señal gravemente perturbada.

Radiación electromagnética

Interferencia electromagnética (EMI), que causa radiación electromagnética excesiva y sensibilidad a la radiación electromagnética. La EMI indica que cuando un sistema digital está encendido, irradia ondas electromagnéticas al entorno circundante, interferiendo así con el funcionamiento normal de los dispositivos electrónicos en el entorno circundante. La razón principal es que la frecuencia de trabajo del circuito es demasiado alta y el diseño y el cableado no son razonables. En la actualidad, hay herramientas de software para la simulación de EMI, pero los emuladores de EMI son muy caros y es difícil establecer parámetros de simulación y condiciones límite, lo que afectará directamente a la precisión y la practicabilidad de los resultados de simulación. La práctica común es aplicar las reglas de diseño que controlan la EMI a cada enlace del diseño para realizar la conducción y el control de la regla en cada enlace del diseño.

Puntos clave del diseño de PC de alta velocidad: guía de diseño y cableado

Las especificaciones razonables de diseño y cableado son para garantizar la integridad de la señal y evitar problemas comunes de EMI como comentarios cruzados, radiación e inconsistencias de resistencia. Las siguientes especificaciones pueden ser más grandes para evitar una serie de problemas en el diseño de PCB de alta velocidad.

1. capa de tierra, capa de potencia y capa de apilamiento: Asegúrese de que la PCB apilada bajo la línea de transmisión de alta velocidad tenga una tierra uniforme y no atravese la brecha de la capa de tierra / potencia.

2. resistencia característica: se debe imponer un ancho de alineación específico en la línea de transmisión para garantizar que la resistencia característica y la resistencia de entrada tengan valores específicos en la interconexión de alta velocidad.

3. distancia entre líneas de transmisión: mantener una distancia suficiente entre las alineaciones en el PCB para evitar comentarios cruzados obvios y asegurarse de que la señal no exceda la tolerancia al ruido del receptor.

4. integridad de la fuente de alimentación: colocar la capa de alimentación y la formación de tierra lado a lado, especialmente la parte pdn que alimenta los componentes de alta velocidad, para evitar sonar en exceso.

5.Bus y enrutamiento de pares diferenciales: Aplicar coincidencias de temporización en buses paralelos y pares diferenciales para garantizar una desviación mínima entre señales críticas.

6. colocación de componentes: asegúrese de que los componentes clave de alta velocidad se colocan en el diseño de PCB para que todas las señales clave puedan ser enrutadas con una conversión mínima de capa.