Technologie PCB - Analyse de l'intégrité du signal dans la conception de circuits à grande vitesse

À mesure que la fréquence d'horloge du système et le temps de montée augmentent, la conception de l'intégrité du signal devient de plus en plus importante. Malheureusement, la plupart des concepteurs de circuits numériques ne réalisent pas l'importance du problème d'intégrité du signal ou ne le réalisent pas avant les dernières étapes de la conception.

Cet article décrit l'impact de l'intégrité du signal dans la conception de circuits matériels numériques à grande vitesse. Cela inclut des questions telles que le contrôle d'impédance caractéristique, l'adaptation des bornes, l'alimentation et le plan de masse, le routage du signal et la diaphonie. La maîtrise de ces connaissances peut permettre aux concepteurs de circuits numériques de remarquer les problèmes potentiels d'intégrité du signal à un stade précoce de la conception du circuit, et peut également aider la conception à éviter l'impact de l'intégrité du signal sur les performances de la conception.

Bien que l'intégrité du signal ait toujours été l'une des expériences de conception essentielles pour les ingénieurs en matériel, elle a longtemps été négligée dans la conception de circuits numériques. À l'ère de la conception de circuits logiques à basse vitesse, la prise en compte de l'intégrité du signal est considérée comme un gaspillage d'efficacité, car les problèmes liés à l'intégrité du signal se posent rarement. Cependant, avec l'augmentation des taux d'horloge et des temps de montée au cours des dernières années, la nécessité et la conception de l'analyse de l'intégrité du signal ont également augmenté. Malheureusement, la plupart des concepteurs ne le remarquent pas et la question de l'intégrité du signal est rarement prise en compte dans la conception.

Les circuits numériques modernes peuvent atteindre des fréquences allant jusqu'à gigahertz et avoir un temps de montée de 50 ps. À cette vitesse, la négligence sur la piste de conception du PCB est même d'un pied, et les problèmes de tension, de latence et d'interface qui en résultent ne se limitent pas à cette ligne, mais affectent également la carte entière et les cartes adjacentes.

Ce problème est particulièrement grave dans les circuits hybrides. Par exemple, pensez à avoir un ADC haute performance dans le système pour recevoir numériquement des signaux analogiques. La propagation de l'énergie sur le port de sortie numérique d'un dispositif ADC peut atteindre 130db (1000000000000000000 fois) plus facilement que sur le port d'entrée analogique. Tout bruit sur le port numérique ADC. L'intégrité du signal dans la conception n'est pas un processus mystérieux. Il est essentiel de reconnaître les problèmes potentiels à un stade précoce de la conception et d'éviter efficacement les problèmes qui en découlent à un stade ultérieur. Cet article traite de certains défis clés en matière d'intégrité du signal et de la façon de les relever.

Assurer l’intégrité du signal:

1. Isolement

Les composants sur la carte PCB ont divers taux de bord et diverses différences de bruit. Le moyen le plus direct d'améliorer le si est d'obtenir une isolation physique des composants sur le PCB basée sur les valeurs limites et la sensibilité du dispositif. L'image ci - dessous en est un exemple. Dans cet example, on considérera notamment l'alimentation, les ports d'E / s numériques et la logique haute vitesse qui sont des circuits à haut risque pour les circuits d'horloge et de conversion de données. Dans la première disposition, placez l'horloge et le convertisseur de données à proximité du dispositif de bruit. Le bruit peut être couplé à un circuit sensible et réduire ses performances. Une isolation efficace du circuit dans la deuxième disposition favorisera l'intégrité du signal pour la conception du système.

2. Impédance, réflexion et correspondance de terminal

Le contrôle d'impédance et l'adaptation des bornes sont des problèmes fondamentaux dans la conception de circuits à grande vitesse. Généralement, les circuits RF sont considérés comme la partie la plus importante de chaque conception de circuit, mais certaines conceptions de circuits numériques avec des fréquences plus élevées que la RF négligent l'impédance et l'adaptation des bornes.

En raison de la désadaptation d'impédance, les circuits numériques subissent plusieurs effets mortels, comme le montre la figure suivante:

A. le signal numérique provoquera une réflexion entre l'entrée du dispositif récepteur et la sortie du dispositif émetteur. Le signal réfléchi rebondit et se propage le long des deux extrémités de la ligne jusqu'à ce qu'il soit complètement absorbé aux extrémités.

B. Le signal réfléchi provoque un effet de sonnerie du signal passant par la ligne de transmission, la sonnerie affectera la tension et le retard du signal ainsi que la détérioration complète du signal.

C. un chemin de signal non adapté peut entraîner le rayonnement du signal dans l'environnement.

Le problème posé par la désadaptation de l'impédance peut être minimisé en terminant la résistance. La résistance terminale est typiquement un ou deux composants discrets placés sur la ligne de signal à proximité de l'extrémité de réception. La méthode simple consiste à mettre en série une petite résistance.

La résistance terminale limite le temps de montée du signal et absorbe une partie de l'énergie réfléchie. Il est à noter que l'utilisation de l'adaptation d'impédance n'élimine pas complètement le facteur perturbateur. Cependant, l'impédance terminale permet de contrôler efficacement l'intégrité du signal en sélectionnant soigneusement le dispositif approprié.

Toutes les lignes de signal n'ont pas besoin d'un contrôle d'impédance, tel que les caractéristiques d'impédance caractéristique et d'impédance de borne des spécifications PCI compactes.

Pour les autres normes et les concepteurs qui n'ont pas besoin de spécifications de contrôle d'impédance, ils ne sont pas particulièrement concernés. Les critères finaux peuvent varier selon l'application. Il faut donc tenir compte de la longueur de la ligne de signal (corrélation et retard TD) et du temps de montée du signal (tr). La règle générale pour le contrôle d'impédance est que TD (retard) doit être supérieur à 1 / 6 de tr.

3. Couche électrique interne et Division de la couche électrique interne

Les facteurs que les concepteurs de circuits numériques négligeront dans la conception de boucles de courant comprennent la prise en compte de la transmission de signaux à une seule extrémité entre deux circuits de porte (comme le montre la figure ci - dessous). Le courant circule de la grille a à la grille B, puis revient du plan de masse à la grille a.

Il peut y avoir deux problèmes dans l'image ci - dessus:

A. le plan de masse entre les points a et b doit être relié par un chemin de faible impédance. S'il y a une grande impédance connectée entre les plans de masse, un retour de tension se produit entre les broches du plan de masse. Cela entraînera inévitablement une distorsion de l'amplitude du signal et une superposition du bruit d'entrée pour tous les appareils.

B. la zone de la boucle de courant doit être aussi petite que possible. Cette boucle est comme une antenne. En général, une plus grande zone de boucle augmentera les chances de rayonnement et de conduction de la boucle. Chaque concepteur de circuit souhaite que le courant de boucle puisse suivre directement la ligne de signal, de sorte que la zone de boucle soit minimale.

L'utilisation d'une grande zone de mise à la terre peut résoudre les deux problèmes ci - dessus en même temps. Une grande surface de mise à la terre peut fournir une petite impédance entre tous les points de mise à la terre tout en permettant au courant de retour de revenir le plus directement possible le long de la ligne de signal.

Une erreur commune des concepteurs de PCB est de faire des trous et des fentes sur le plan de masse. Le diagramme ci - dessous montre la direction du courant lorsque la ligne de signal se trouve sur la couche géoélectrique à fentes. Le courant de boucle sera forcé de contourner la fente, ce qui créera inévitablement une grande boucle de circulation.

En général, il n'est pas possible de rainurer le plan d'alimentation au sol. Cependant, dans certains cas, la fente est inévitable et les concepteurs de PCB doivent d'abord s'assurer qu'aucune boucle de signal ne traverse la zone de fente. La même règle s'applique aux circuits à signaux mixtes.

Sauf si plusieurs plans de masse sont utilisés dans la carte PCB. En particulier dans les circuits ADC haute performance, une couche de masse séparant les signaux analogiques, les signaux numériques et les circuits d'horloge peut être utilisée pour réduire efficacement les interférences entre les signaux. Encore une fois, il est important de souligner que la fente est inévitable dans certains cas et que les concepteurs de PCB doivent d'abord s'assurer qu'aucune boucle de signal ne traverse la zone de fente.

Dans les couches de puissance avec des différences spéculaires, il convient également de prêter attention à l'aire des zones inter - couches (comme illustré sur la figure ci - dessous). Sur les bords de la plaque, il y a un effet radiatif de la couche de plan de puissance sur la couche de plan de masse. L'énergie électromagnétique qui fuit du bord peut endommager les plaques adjacentes. Voir la figure A ci - dessous. Réduire de manière appropriée la surface de la couche de plan d'alimentation (voir la figure B ci - dessous) de sorte que les couches de terre se chevauchent dans une certaine zone. Cela réduira l'impact des fuites électromagnétiques sur les plaques adjacentes.

4. Câblage de signal

Le câblage physique des lignes de signal est le plus important pour assurer l'intégrité du signal. Les concepteurs CB sont souvent soumis à des pressions de travail non seulement pour terminer la conception dans les plus brefs délais, mais aussi pour assurer l'intégrité du signal. Comprendre comment équilibrer les problèmes possibles et les écarts entre les signaux facilitera le processus de conception du système. Les courants à grande vitesse ne gèrent pas efficacement les discontinuités dans les lignes de signal. Le problème de la discontinuité du signal est le plus susceptible de se produire dans la figure A ci - dessous. Dans les circuits à basse vitesse, il n'est généralement pas nécessaire de prendre en compte les discontinuités du signal, mais dans les circuits à grande vitesse, il faut tenir compte de ce problème. Ainsi, dans la conception du circuit, la continuité du signal peut être efficacement garantie en utilisant le procédé illustré par la figure B / C ci - dessous.

Il existe un autre problème commun avec le câblage du signal dans la conception de circuits à grande vitesse. S'il n'y a pas de cause particulière, tous les courts - circuits doivent être éliminés autant que possible. Dans la conception de circuits haute fréquence, un court - circuit est comme un rayonnement causé par l'adaptation d'impédance d'une ligne de signal.

Dans le câblage de la conception de circuits à grande vitesse, une attention particulière doit être accordée au câblage des paires différentielles. La paire différentielle est pilotée par deux lignes de signal parfaitement complémentaires. Les paires différentielles évitent les interférences sonores et augmentent le taux S / n. Cependant, la différence a des exigences particulièrement élevées pour le câblage des lignes de signal:

1. Les deux fils doivent être aussi près que possible du câblage;

2. Les deux lignes doivent avoir exactement la même longueur;

Comment acheminer correctement les lignes de signal de paires différentielles entre deux appareils qui ne sont pas disposés ensemble est un problème crucial.

Sur la figure A ci - dessus, il y a un risque d'incertitude dû à l'incohérence des longueurs des deux lignes de signal. La bonne façon de câblage devrait être comme indiqué dans la figure B ci - dessus. La règle générale pour le câblage différentiel est de garder les deux lignes de signal équidistantes et proches l'une de l'autre.

5. Le son de la phase

La diaphonie est une autre préoccupation dans la conception de PCB. La figure suivante montre la zone de diaphonie et la zone électromagnétique associée entre trois paires de lignes de signal parallèles adjacentes dans le PCB. Lorsque l'intervalle entre les lignes de signal est trop faible, les zones électromagnétiques entre les lignes de signal s'influencent mutuellement, provoquant une détérioration du signal, qui est diaphonie.

La diaphonie peut être résolue en augmentant l'espacement des lignes de signal. Cependant, les concepteurs de PCB sont généralement limités par des espaces de câblage de plus en plus serrés et des espacements de lignes de signal de plus en plus étroits; Comme il n'y a pas plus de choix dans la conception, il est inévitable que certains problèmes de diaphonie soient introduits dans la conception. De toute évidence, les concepteurs de PCB doivent être capables de gérer les problèmes de diaphonie. Au fil des ans, de nombreuses règles relatives à l'espacement fiable ont été publiées. Une règle reconnue dans l'industrie est la règle des 3W, c'est - à - dire que la distance entre les lignes de signal adjacentes doit être d'au moins 3 fois la largeur des lignes de signal. Cependant, l'espacement des lignes de signal acceptable dans la pratique dépend de facteurs tels que l'application réelle, l'environnement de travail et la redondance de conception. L'espacement des lignes de signal varie d'une situation à l'autre et est calculé à chaque fois. Par conséquent, lorsque les problèmes de diaphonie sont inévitables, la diaphonie doit être quantifiée. Cela peut être représenté par des techniques de simulation informatique. À l'aide d'un simulateur, les concepteurs peuvent déterminer les effets d'intégrité du signal et * estimer les effets de diaphonie du système.

6. Découplage de puissance

Le découplage de puissance est maintenant une pratique courante dans la conception de circuits numériques. Le mentionner ici aidera à réduire les problèmes de bruit sur les lignes électriques. Une alimentation propre est essentielle pour concevoir des circuits haute performance. Le bruit à haute fréquence superposé à l'alimentation posera des problèmes pour chaque appareil numérique adjacent. Le bruit typique provient du rebond du sol, du rayonnement du signal ou de l'appareil numérique lui - même. Le moyen le plus simple de résoudre le bruit d'alimentation est d'utiliser des condensateurs pour découpler le bruit haute fréquence au sol. Le condensateur de découplage idéal fournit un chemin de terre de faible impédance pour le bruit à haute fréquence, éliminant ainsi le bruit d'alimentation. Les condensateurs de découplage sont sélectionnés en fonction de l'application pratique. La plupart des concepteurs opteront pour un condensateur monté en surface le plus près possible de la broche d'alimentation et la valeur de la capacité devrait être suffisamment grande pour fournir un chemin de terre à faible résistance pour un bruit d'alimentation prévisible. Un problème généralement rencontré lors de l'utilisation de condensateurs de découplage est que les condensateurs de découplage ne peuvent pas être simplement considérés comme des condensateurs. Il existe plusieurs situations:

A. l'encapsulation du condensateur crée une inductance parasite;

B. le condensateur apportera une résistance équivalente;

C. le fil entre la broche d'alimentation et le condensateur de découplage apporte une certaine inductance équivalente;

D. le fil entre la broche de terre et le plan de terre apportera une certaine inductance équivalente; Les effets qui en résultent:

A. le condensateur aura un effet de résonance sur une fréquence spécifique et l'impédance du réseau résultante aura un impact plus important sur les signaux dans les bandes de fréquences adjacentes;

B. La résistance équivalente (ESR) affecte également le chemin de faible résistance formé par le découplage du bruit à grande vitesse;

Voici un résumé de l’impact que cela a eu sur les designers numériques:

A. les broches sortant des broches VCC et GNd du dispositif doivent être considérées comme de petites inductances. Par conséquent, il est recommandé de rendre les cordons VCC et GNd aussi courts et épais que possible dans la conception.

B. sélection de condensateurs à faible effet ESR, ce qui contribue à améliorer le découplage de l'alimentation;

C. le choix d'un petit condensateur encapsulé réduira l'inductance d'encapsulation. Le remplacement de l'appareil par un boîtier plus petit entraînera des changements dans les caractéristiques de température. Par conséquent, après avoir choisi un petit condensateur encapsulé, il est nécessaire d'ajuster la disposition du dispositif dans la conception.

Dans la conception, le remplacement du condensateur x7r par un condensateur y5v peut assurer un boîtier plus petit et une inductance équivalente plus faible, mais en même temps coûtera plus cher au dispositif pour assurer les caractéristiques à haute température.

Dans la conception, le découplage du bruit de basse fréquence par des condensateurs de grande capacité doit également être pris en compte. L'utilisation de condensateurs électrolytiques séparés et de condensateurs au tantale peut améliorer la rentabilité du dispositif.

7. Résumé:

L'intégrité du signal est l'une des questions les plus importantes dans la conception de circuits numériques à grande vitesse; Voici quelques suggestions pour assurer l'intégrité du signal dans la conception de circuits numériques:

A. isoler physiquement les parties sensibles des Parties bruyantes;

B. Contrôle d'impédance, réflexion et adaptation des bornes de signal;

C. utiliser une alimentation électrique continue et une couche de mise à la terre;

D. essayez d'éviter les angles droits lors du câblage;

E. les paires différentielles ont des longueurs de câblage égales;

F. la diaphonie doit être prise en compte lors de la conception des circuits à grande vitesse;

G. problèmes de découplage de l'alimentation;

Une bonne maîtrise des problèmes mentionnés ci - dessus dans la conception de circuits numériques peut aider les concepteurs de circuits numériques à détecter les problèmes potentiels dans autant de conceptions de circuits que possible à un stade précoce de la conception de circuits.