Conception électronique - Détails du chemin de retour de circuit PCB à grande vitesse

1. Concepts de base du reflux

Le principe d'un schéma de carte de circuit imprimé numérique est que les signaux numériques sont transmis d'une porte logique à l'autre et que les signaux sont transmis de la borne de sortie au récepteur via un fil, ce qui semble être un flux unidirectionnel, de sorte que de nombreux ingénieurs numériques pensent que la boucle n'est pas pertinente, après tout, le pilote de l'appareil et le récepteur sont désignés comme des modes de tension, Pourquoi penser au courant! En fait, la théorie de base des circuits nous dit que les signaux sont transportés par un courant électrique, en particulier par le Mouvement des électrons, et l'une des caractéristiques d'un flux d'électrons est que les électrons ne restent jamais nulle part, tant que le courant reviendra certainement, alors le courant circule toujours dans la boucle, et les circuits des signaux facultatifs existent tous en boucle fermée. Pour la transmission de signaux haute fréquence, il s'agit en fait du processus de charge d'un condensateur diélectrique pris en sandwich entre la ligne de transmission et la couche continue.

2. Effets du reflux

Le reflux est généralement réalisé dans un circuit numérique au moyen d'une masse et d'un plan d'alimentation. Les trajets de retour des signaux haute fréquence et basse fréquence sont différents. Le retour du signal basse fréquence sélectionne le chemin d'impédance et le retour du signal haute fréquence sélectionne le chemin d'impédance.

Lorsqu'un courant circule du conducteur du signal à l'extrémité réceptrice du signal à travers la ligne de signal, il y a toujours un retour en sens inverse: de la broche de masse de la charge, à travers le plan cuivré, à la source du signal, le courant circule à travers la ligne de signal formant une boucle fermée. La fréquence du bruit provoqué par le courant traversant le plan cuivré est égale à la fréquence du signal et plus la fréquence du signal est élevée, plus la fréquence du bruit est élevée. La porte logique ne répond pas au signal d'entrée, mais à la différence entre le signal d'entrée et la broche de référence. Le circuit de terminaison à point unique répond à la différence entre le signal d'entrée et son plan logique de référence, de sorte que les interférences dans le plan de référence terrestre sont tout aussi importantes que les interférences sur le trajet du signal. La porte logique et la broche d'entrée de référence spécifiée répondent, on ne sait pas laquelle est spécifiée par la broche de référence (généralement négative pour TTL, généralement positive pour ECL, mais pas toutes), et par nature, a un bon effet sur le bruit aléatoire et la capacité d'anti - interférence du signal différentiel du Plan de glissement de puissance.

Lorsque de nombreux signaux numériques synchronisent la carte PCB du commutateur (comme le bus de données CPU, le bus d'adresse, etc.)

Le courant de charge transitoire circule dans le sol à partir ou à travers le circuit d'alimentation, car les impédances sur la ligne d'alimentation et au sol créent simultanément un bruit de commutation (SSN) et il y aura un bruit de rebond du plan de masse (Play) au sol. Et lorsque la zone d'enveloppement des lignes d'alimentation et des lignes de terre sur la carte d'impression est grande, leur énergie rayonnée est également plus grande, par conséquent, nous avons analysé l'état de commutation de la puce numérique, pris des mesures pour contrôler le mode de retour afin de réduire la zone d'enveloppement pour atteindre Le but du rayonnement.

Description de l'exemple:

Ic1 est la sortie du signal, ic2 est l'entrée du signal (pour un modèle PCB simplifié, on suppose que la réception contient la résistance sous - jacente) et la troisième couche est la couche. Les terres d'ic1 et d'ic2 proviennent de la troisième couche. Le coin supérieur droit de la couche top est le plan d'alimentation connecté au pôle positif de l'alimentation. C1 et C2 sont des condensateurs de découplage de ic1 et ic2 respectivement. L'alimentation et la masse de la puce représentée sur les figures sont à la fois l'alimentation du signal émis et la masse du signal reçu.

En basse fréquence, si la borne S1 délivre un niveau haut, l'ensemble de la boucle de courant est une source d'alimentation par le fil au plan d'alimentation VCC, puis par le chemin orange dans ic1, puis par la borne S1, par le fil de la deuxième couche dans ic2 par la borne R1, puis dans la couche GNd, pour revenir à la borne négative de l'alimentation par le chemin rouge.

Aux hautes fréquences, les caractéristiques de distribution du PCB peuvent avoir un impact important sur le signal. Ce qui est communément appelé reflux est un problème fréquemment rencontré dans les signaux haute fréquence. Lorsque S1 à R1 avec l'augmentation du signal de courant, le champ magnétique externe varie très rapidement, ce qui peut provoquer l'induction d'un courant inverse près du conducteur, si la troisième couche de la couche de terre est un plan complet, alors un courant de marquage en pointillés bleus peut être généré sur la couche de terre, si la puissance de la couche top a un plan complet, Les lignes bleues pointillées de la couche supérieure auront également un reflux. Or, la boucle de signal possède une boucle de courant, une énergie rayonnée et la capacité de coupler des signaux externes. (l'effet de chimiotaxie à haute fréquence rayonne également de l'énergie vers l'extérieur, et le principe est le même.)

Comme le niveau et le courant du signal haute fréquence varient rapidement, mais que la période de variation est courte, l'énergie requise n'est pas très importante et la puce est donc alimentée par un condensateur de découplage situé à proximité de la puce. Lorsque C1 est suffisamment grand et réagit assez rapidement (les valeurs esr sont très faibles et des condensateurs en céramique sont généralement utilisés. Les condensateurs à plaques ont des esr beaucoup plus faibles que les condensateurs au tantale. Le chemin orange de la couche supérieure et le chemin rouge de la couche GNd peuvent être considérés comme inexistants. (il y a un courant correspondent à l'alimentation de l'ensemble de la carte, mais il n'y a pas de courant correspondent au signal représenté).

Ainsi, selon l'environnement construit sur la figure, l'ensemble du chemin de courant est le suivant: borne positive de la ligne de signal C1 - VCC ic1 - S1 - L2 - R1 - GNd de ic2 - via - jaune de la couche GNd - via - borne négative du condensateur. Comme vous pouvez le voir, il y a un équivalent brun dans la direction verticale du courant qui crée un champ magnétique au milieu, et cet anneau circulaire est également facilement couplé à des perturbations extérieures. Si le signal représenté sur la figure est un signal d'horloge, il y a un ensemble de lignes de données de 8 bits en parallèle, alimentées par la même source d'alimentation de la même puce, avec le même chemin de retour de courant. Si les lignes de données sont retournées simultanément dans le même sens, un courant inverse important peut être induit sur l'horloge, et si les lignes d'horloge ne sont pas bien adaptées, cette diaphonie peut être fatale pour le signal d'horloge. L'intensité de la diaphonie n'est pas directement proportionnelle au niveau haut ou bas de la source d'interférence, mais au taux de variation du courant de la source d'interférence. Pour une charge purement résistive, le courant de diaphonie est proportionnel à di / DT = DV / (t? 10% - 90% * r). Dans la formule, di / DT (taux de variation du courant), DV (amplitude de la source d'interférence) et R (charge de la source d'interférence) font référence aux paramètres de la source d'interférence (di / DT est inversement proportionnel au carré de t égal à? 10% à 90% pour une charge Capacitive). ). Il ressort de la formule que la diaphonie du signal basse fréquence n'est pas nécessairement inférieure à celle du signal haute vitesse. C'est - à - dire, nous disons: un signal 1khz n'est pas nécessairement un signal à basse vitesse, considérez le cas des bords. Pour les signaux avec des bords très raides, il contient de nombreux harmoniques et a une grande amplitude sur toutes les octaves. Par conséquent, lors du choix du dispositif, veillez également à ne pas sélectionner aveuglément les puces qui commutent rapidement, ce qui non seulement est coûteux, mais augmente également les problèmes de diaphonie et de CEM.

Toute couche d'alimentation ou autre surface adjacente, si des condensateurs appropriés sont présents aux deux extrémités du signal, fournissant un chemin de faible réactance au GNd, peut être utilisée comme surface de retour du signal; dans les applications courantes, l'alimentation io de la puce à laquelle correspond l'émetteur - récepteur est généralement la même, Il y a généralement des condensateurs de découplage de 0,01 - 0,1 µF entre l'alimentation et la masse, qui sont situés exactement aux deux extrémités du signal, de sorte que l'effet de retour du plan d'alimentation est secondaire au plan de masse. Dans le cas où l'on utilise d'autres plans de puissance pour le reflux, il n'y a généralement pas de chemin de masse de faible réactance aux deux extrémités du signal. De cette façon, le courant induit dans le plan adjacent trouvera le condensateur le plus proche et retournera à la masse. Si la « capacité proche » est éloignée du début ou de la fin, le retour parcourt également une « longue distance », formant un chemin de retour complet qui est également le chemin de retour du signal voisin. Le même chemin de retour a le même effet que l'interférence de masse commune, ce qui équivaut à une diaphonie entre les signaux.

Pour certaines dérivations de puissance croisées inévitables, des filtres passe - haut en condensateurs ou en série RC peuvent être croisés sur la dérivation (par example des condensateurs 680p de la série des résistances de 10 Ohms, dont la valeur exacte dépend de leur propre type de signal, c'est - à - dire fournissant un chemin de retour haute fréquence, mais isolant également la diaphonie basse fréquence entre les plans mutuels). Cela peut impliquer l'ajout de condensateurs entre les plans d'alimentation, ce qui peut sembler hilarant, mais cela fonctionne certainement. Si certaines spécifications ne le permettent pas, la capacité peut être amenée séparément des deux plans au sol au point de séparation.

Dans le cas où d'autres plans sont utilisés pour le reflux, plusieurs petits condensateurs peuvent être convenablement ajoutés à la masse aux deux extrémités du signal pour fournir un chemin de reflux. Mais c’est souvent difficile à réaliser. La majeure partie de l'espace de surface au voisinage des bornes est occupée par les résistances d'adaptation et les condensateurs de découplage de la puce.

Le bruit de retour est l'un des principaux bruits dans le plan de référence. Il est donc nécessaire d'étudier le trajet et la plage de débit du reflux.