Tecnología de PCB - Comprender las soluciones de integridad de la señal de PCB

Los problemas de integridad de la señal no son causados por un solo factor, sino por múltiples factores en el diseño de pcb. Los principales problemas de integridad de la señal incluyen reflejos, zumbidos, rebotes en tierra, comentarios, etc. a continuación se presentan principalmente soluciones de comentarios y reflejos.

3.1 puntuación de crosstalk

La conversación cruzada se refiere a la interferencia indeseable de ruido de voltaje causada por el acoplamiento electromagnético a líneas de transmisión adyacentes cuando la señal se propaga en la línea de transmisión. Una conversación cruzada excesiva puede provocar un desenlace incorrecto del circuito y hacer que el sistema no funcione correctamente.

Debido a que la conversación cruzada es inversamente proporcional a la distancia entre líneas, es proporcional a la longitud paralela de la línea. La conversación cruzada cambia a medida que cambia la carga del circuito. Para la misma estructura topológica y cableado, cuanto mayor sea la carga, mayor será la conversación cruzada. La conversación cruzada es proporcional a la frecuencia de la señal. En los circuitos digitales, los cambios de borde de la señal tienen el mayor impacto en la conversación cruzada. Cuanto más rápido cambie el borde, mayor será la conversación cruzada.

En vista de las características anteriores de la conversación cruzada, se pueden resumir los siguientes métodos para reducir la conversación cruzada:

(1) reducir la velocidad de conversión del borde de la señal tanto como sea posible. Al seleccionar el dispositivo, mientras se cumplen las especificaciones de diseño, se debe seleccionar el dispositivo lento en la medida de lo posible y evitar el uso mixto de diferentes tipos de señales, ya que las señales que cambian rápidamente tienen un riesgo potencial de conversación cruzada con las señales que cambian lentamente.

(2) las conversaciones cruzadas causadas por el acoplamiento capacitivo e inductor aumentan a medida que aumenta la resistencia de la carga de la línea perturbada, por lo que reducir la carga puede reducir el impacto de la interferencia de acoplamiento.

(3) minimizar la longitud paralela entre líneas de transmisión adyacentes o aumentar la distancia entre líneas de acoplamiento capacitivo cuando las condiciones de cableado lo permitan, por ejemplo, utilizando el principio 3W (la distancia entre los cables debe ser tres veces mayor que la anchura de una sola línea o la distancia entre dos trazas debe ser dos veces mayor que la anchura de una sola línea). Una forma más eficaz es aislar los cables de los cables de tierra.

(4) la inserción de un cable de tierra entre las líneas de señal de PCB adyacentes también puede reducir efectivamente la conversación cruzada capacitiva. Este cable de tierra debe conectarse cada 1 / 4 de longitud de onda.

(5) el acoplamiento inductor es difícil de inhibir, por lo que minimizar el número de circuitos, reducir el área del circuito y evitar que el circuito de señal comparta el mismo cable.

(6) los rastros de la capa de señal de las dos capas adyacentes deben ser verticales, evitando los rastros paralelos en la medida de lo posible para reducir la conversación cruzada entre capas.

(7) la capa superficial solo tiene una capa de referencia, y el acoplamiento del cableado de la capa superficial es más fuerte que el acoplamiento de la capa intermedia. Por lo tanto, las señales más sensibles a las conversaciones cruzadas deben colocarse tanto como sea posible en la capa Interior.

(8) a través de la conexión final, los extremos lejanos y cercanos de la línea de transmisión y la resistencia terminal coinciden con la línea de transmisión, lo que puede reducir considerablemente la interferencia cruzada y reflexiva.

3.2 análisis de reflexión

Cuando la señal se propaga en la línea de transmisión, se produce un reflejo siempre que se encuentra con un cambio de resistencia. El principal método para resolver el problema de reflexión es realizar la coincidencia de Resistencia terminal.

3.2.1 estrategia típica de terminación de líneas de transmisión

En los sistemas digitales de alta velocidad, el desajuste de resistencia en la línea de transmisión puede causar reflexión de señal. La forma de reducir y eliminar la reflexión es realizar una coincidencia de resistencia final en el extremo de transmisión o en el extremo receptor de acuerdo con la resistencia característica de la línea de transmisión, de modo que el coeficiente de reflexión de la fuente o el coeficiente de reflexión de la carga sea O. si la longitud de la línea de transmisión cumple las siguientes condiciones, se utilizará la tecnología de terminación:

L > TR / 2tpd. En la fórmula, l es la longitud de la línea de transmisión; RT es el tiempo de subida de la señal de origen; TPD es el retraso de transmisión de carga por unidad de longitud en la línea de transmisión.

La terminación de la línea de transmisión de PCB generalmente adopta dos estrategias: emparejar la resistencia de la carga con la resistencia de la línea de transmisión, es decir, la terminación paralela; Emparejar la resistencia de la fuente con la resistencia de la línea de transmisión, es decir, el terminal serie.

(1) terminación paralela

El extremo paralelo consiste principalmente en conectar la resistencia de tracción hacia arriba o hacia abajo al extremo de carga lo más cerca posible para lograr la coincidencia de Resistencia del terminal. Dependiendo del entorno de aplicación, la terminación paralela se puede dividir en varios tipos, como se muestra en la figura 2.

(2) terminales serie

La conexión final en serie se realiza insertando resistencias en líneas de transmisión lo más cercanas posible a la fuente de alimentación. El extremo serie está conectado para coincidir con la resistencia de la fuente de señal. La resistencia de la resistencia de la serie insertada más la resistencia de salida de la fuente de accionamiento debe ser mayor o igual a la resistencia de la línea de transmisión.

La estrategia inhibe las señales reflejadas desde la carga (introduciendo alta resistencia en el extremo de la carga, sin absorber energía) al hacer que el coeficiente de reflexión del extremo de la fuente sea cero y luego reflejado desde el extremo de la fuente hasta el extremo de la carga.

3.2.2 tecnología de terminación de diferentes dispositivos de proceso

Las soluciones tecnológicas de emparejamiento de impedancias y terminación varían con la longitud de interconexión y la serie de dispositivos lógicos en el circuito. Solo en casos específicos se pueden utilizar métodos de terminación correctos y adecuados para reducir efectivamente la reflexión de la señal.

En términos generales, para la fuente de accionamiento del proceso cmos, su valor de resistencia de salida es relativamente estable y cercano al valor de resistencia de la línea de transmisión, por lo que el uso de la tecnología de terminación en serie para dispositivos CMOS obtendrá mejores resultados; La fuente de accionamiento del proceso ttl es que cuando la lógica de salida es alta y baja, la resistencia de salida es diferente.

En este momento, es una mejor estrategia usar el esquema paralelo de terminación de thevin; Los dispositivos ecl suelen tener una resistencia de salida muy baja. Por lo tanto, el circuito ecl utiliza una resistencia de terminación desplegable en el extremo receptor del circuito ecl para absorber energía. tecnología de terminación universal.

Por supuesto, el método anterior no es absoluto. Las diferencias en circuitos específicos, la selección de topologías de red y el número de cargas en el extremo receptor son factores que afectan la estrategia de terminación. Por lo tanto, al implementar el plan de terminación del Circuito en el circuito de alta velocidad, es necesario seleccionar el plan de terminación adecuado de acuerdo con la situación para obtener el mejor efecto de terminación.

4. análisis y modelado de la integridad de la señal

El modelado y simulación de circuitos razonables son las soluciones de integridad de señal más comunes. En el diseño de circuitos de alta velocidad, el análisis de simulación muestra cada vez más ventajas. Proporciona a los diseñadores resultados de diseño precisos e intuitivos, lo que facilita la detección temprana de problemas y la modificación oportuna, reduciendo así el tiempo de diseño y reduciendo los costos de diseño. Hay tres modelos comunes: el modelo spice, el modelo Ibis y el modelo verilog - A.

Spice es un potente simulador de circuito analógico universal. Consta de dos partes: la ecuación del modelo y los parámetros del modelo.

Debido a la ecuación del modelo proporcionada, el modelo Spice puede estar estrechamente vinculado al algoritmo del simulador y puede obtener una mejor eficiencia de análisis y resultados de análisis; El modelo Ibis se utiliza específicamente para modelos de análisis de integridad de señales digitales a nivel de tablero de PCB y sistema.

Utiliza la forma de tablas I / V y V / T para describir las características de las unidades y Pines I / o de circuitos integrados digitales. La precisión del análisis del modelo Ibis depende principalmente del número de puntos de datos y la precisión de los datos en las tablas 1 / V y V / T. En comparación con el modelo spice, el modelo IBIS tiene una menor cantidad de cálculo.

5. verificación de simulación

Se utiliza un circuito de muestra de un transceptor asíncrono para mostrar los resultados. En el entorno simulado, la señal de excitación se establece en 50 ns, la fuente de alimentación se establece en 5v y otras se establecen por defecto. Se simula el pin U3 - 5 de la red rtsb. La simulación se muestra en la figura 3:

La curva a es la forma de onda de la señal antes de la terminación, y se puede ver que hay un grave reflejo de la señal; Las curvas B y c son la forma de onda de señal después de conectar la resistencia en el extremo de tierra, con diferentes valores de resistencia en el extremo; La curva D es la forma de onda de la señal después de la terminación de thevenin. como se puede ver en la imagen, la resistencia de terminación básicamente elimina el reflejo. La desventaja es que la resistencia terminal al suelo hace que el voltaje alto del suelo disminuya, mientras que la resistencia terminal a la fuente de alimentación hace que el nivel bajo de la fuente de alimentación aumente.

Sobre la base del desarrollo continuo de la tecnología microelectrónica, el uso de dispositivos de alta velocidad y el diseño de sistemas digitales de alta velocidad son cada vez más numerosos. La velocidad de datos del sistema, la velocidad del reloj y la densidad de PCB están aumentando constantemente, y los requisitos de diseño de las placas de PCB son cada vez más altos. Se trata de una cuestión de integridad de la señal.

Para garantizar que los PCB tengan una buena integridad de la señal, es necesario integrar diversos factores de influencia, diseñar y cableado razonablemente, mejorando así el rendimiento del producto.