Technologie PCB - Qu'est-ce que la conception de PCB à grande vitesse

Qu'est-ce que la conception de PCB à haute vitesse? La conception de PCB à grande vitesse se réfère à la conception de la carte de circuit qui peut prendre en charge la transmission de signal à grande vitesse, ces signaux se réfèrent généralement aux signaux numériques à grande vitesse, aux signaux analogiques à grande vitesse et ainsi de suite. La conception de PCB à grande vitesse dans le choix des matériaux, la conception de la mise en page, la conception du câblage et d'autres aspects des exigences spéciales pour s'assurer que l'intégrité et la stabilité du signal dans le processus de transmission, le signal dans le processus de transmission n'est pas déformé, n'atténue pas et pour répondre aux exigences de performance du système.

Qu'est - ce qu'un signal haute vitesse?

En réponse à ce problème, cadence, une société de logiciels EDA de renommée mondiale, l'a défini comme suit:

Tout signal supérieur à 50 MHz est un signal à grande vitesse;

On reconnaîtra un signal à grande vitesse lorsque la longueur du chemin de transmission dans la zone où se trouve le signal est supérieure à 1 / 6 µm;

Que le signal soit à grande vitesse ou non est indépendant de la fréquence, par défaut général: un signal est considéré comme à grande vitesse lorsque son front montant / descendant est inférieur à 50 ps;

Lorsque le signal est transmis le long du chemin de transmission, il peut être considéré comme un signal à grande vitesse si des effets cutanés graves et une perte de puissance se produisent.

Qu'est - ce qu'un circuit haute vitesse

On considère généralement que si la fréquence du circuit logique numérique atteint ou dépasse 45MHZ ~ 50MHZ, et que le circuit fonctionnant au-dessus de cette fréquence a représenté une certaine quantité de l'ensemble du système électronique (disons, 1/3), il est appelé circuit à grande vitesse.

En effet, la fréquence harmonique du bord du signal est supérieure à celle du signal lui-même. C'est le bord montant et le bord descendant (ou saut du signal) qui provoque le résultat inattendu de la transmission du signal. Par conséquent, il est généralement convenu que si le retard de propagation de ligne est supérieur au temps de montée de l'extrémité entraînante d'un signal numérique 1/2, ce signal est considéré comme un signal à grande vitesse et produit un effet de ligne de transmission.

La transmission du signal a lieu au moment où l'état du signal change, par example au moment de la montée ou de la descente. Le signal passe d'un conducteur à un récepteur pendant une période fixe. Si le temps de transmission est inférieur à 1 / 2 du temps de montée ou de descente, le signal réfléchi du récepteur atteindra le pilote avant que l'état du signal ne change. Au lieu de cela, le signal réfléchi atteindra le pilote après que l'état du signal ait changé. Si le signal réfléchi est fort, les formes d'onde superposées peuvent changer d'état logique.

Détermination des signaux à grande vitesse

Nous avons défini ci-dessus les conditions préalables pour l'apparition d'effet de ligne de transmission, mais comment savoir si le retard de ligne est supérieur à 1/2 du temps de montée du signal du conducteur? En général, la valeur typique du temps de montée du signal peut être donnée dans le manuel du dispositif, et le temps de trajet du signal dans la conception de PCB est déterminé par la longueur réelle du câblage. La figure ci-dessous montre la correspondance entre le temps de montée du signal et la longueur de câblage autorisée (retard).

Le retard par unité de pouce sur le PCB est de 0,167ns. Cependant, s'il y a beaucoup de trous, de broches et de contraintes sur le câble réseau, le retard augmentera. Typiquement, le temps de montée du signal pour les dispositifs logiques à grande vitesse est d'environ 0,2ns. S'il y a une puce GaAs sur la carte, la longueur du câblage est de 7,62 mm.

Définir Tr comme temps de montée du signal et Tpd comme retard de propagation de ligne du signal. Si Trâ ¥4Tpd, le signal tombe dans la zone de sécurité. Si 2Tpd, le signal tombe dans la région d'incertitude. Si Trâ¤2Tpd, le signal tombe dans la zone problématique. Pour les signaux tombant dans des zones incertaines et problématiques, des méthodes de câblage à grande vitesse devraient être utilisées.

Qu'est-ce que la ligne de transmission

Le câblage sur la carte PCB peut être équivalent aux structures capacitives, résistives et inductives en série et en parallèle présentées ci - dessous. La valeur typique de la résistance série est de 0,25 - 0,55 ohm / pied. La résistance parallèle est généralement très élevée en raison de la présence de la couche isolante. Après avoir ajouté une résistance parasite, une capacité et une inductance au câblage PCB réel, l'impédance finale sur le câblage est appelée impédance caractéristique zo. Plus le diamètre du fil est large, plus il est proche de la ligne d'alimentation / masse, ou plus la constante diélectrique de la couche isolante est élevée, plus l'impédance caractéristique est faible. Si les impédances de la ligne de transmission et de la réception ne sont pas adaptées, le signal de courant de sortie et l'état stable final du signal seront différents, ce qui entraînera la réflexion du signal sur la réception, puis son renvoi à l'émetteur du signal et sa réflexion à nouveau. À mesure que l'énergie diminue, l'amplitude du signal réfléchi diminue jusqu'à ce que la tension et le courant du signal se stabilisent. Cet effet est appelé oscillation, et les oscillations du signal apparaissent généralement sur les fronts montant et descendant du signal.

Effet ligne de transmission

Sur la base du modèle de ligne de transmission défini ci-dessus, on peut conclure que la ligne de transmission aura les effets suivants sur la conception globale du circuit.

· Signaux réfléchis Signaux réfléchis

· Erreurs de retard et de timing

· Erreurs de franchissement de seuils de niveau logique multiples Fausse commutation

· super et sous - tonalité

· Bruit induit (ou crosstalk)

· EMI rayonnement

Signal réfléchi

Si une ligne n'est pas terminée correctement (correspondance de terminaux), l'impulsion de signal du pilote est réfléchie au récepteur, provoquant un effet inattendu qui déforme le profil de signal. Lorsque la distorsion de distorsion est très importante, elle peut conduire à une variété d'erreurs, entraînant une défaillance de conception. Dans le même temps, la distorsion du signal à la sensibilité au bruit augmente, provoquera également une défaillance de conception. Si la situation ci-dessus n'est pas suffisamment considérée, l'EMI augmentera considérablement, ce qui affectera non seulement les résultats de conception, mais provoquera également la défaillance de l'ensemble du système.

Les principales causes des signaux réfléchis sont les suivantes: trop long câblage; Lignes de transmission terminées inégalées, capacité ou inductance excédentaire et défauts d'impédance.

Erreurs de retard et de timing

Les erreurs de retard et de temporisation du signal sont: le signal reste inchangé pendant une période de temps lorsque le signal change entre les seuils élevés et bas du niveau logique. Un retard de signal excessif peut conduire à des erreurs de temporisation et à un dysfonctionnement du dispositif.

Les problèmes surviennent généralement quand il y a plusieurs récepteurs. Le concepteur de circuit doit déterminer le délai dans le mauvais cas pour s'assurer que la conception est correcte. Cause du retard du signal : Le pilote est surchargé et le câble est trop long.

Erreur de seuil croisé Multi - niveaux logiques

Le signal peut franchir le seuil de niveau logique plusieurs fois lors du saut, ce qui entraîne ce type d'erreur. L'erreur de franchissement multiple du seuil de niveau logique est une forme spéciale d'oscillation du signal, c'est-à-dire que l'oscillation du signal se produit près du seuil de niveau logique, le franchissement multiple du seuil de niveau logique entraînera un dysfonctionnement logique. Les signaux réfléchis sont causés par: un câblage trop long, des lignes de transmission non interrompues, une capacité ou une inductance excédentaires et des incompatibilités d'impédance.

dépassement et downshoot

Le dépassement et le downshoot proviennent de deux raisons : une ligne trop longue ou un changement de signal trop rapide. Bien que la plupart des récepteurs d'éléments soient protégés par des diodes de protection d'entrée, parfois ces niveaux de dépassement peuvent dépasser la plage de tension d'alimentation de l'élément, endommageant l'élément.

Voix de la phase

Crosstalk signifie que lorsque un signal passe à travers une ligne de signal, les signaux pertinents seront induits sur les lignes de signal adjacentes sur la carte PCB, ce qui est appelé crosstalk.

Plus le câble de signal est proche du câble de mise à la terre, plus la distance entre les lignes sera grande et moins le signal de diaphonie sera produit. Les signaux asynchrones et les signaux d'horloge sont plus enclins à la diaphonie. Le moyen d'éliminer la diaphonie est donc d'éliminer les signaux diaphoniques ou de masquer les signaux fortement perturbés.

Radiation électromagnétique

Interférence électromagnétique (EMI), entraînant un rayonnement électromagnétique excessif et une sensibilité au rayonnement électromagnétique. EMI signifie que lorsqu'un système numérique est alimenté, il émet des ondes électromagnétiques dans son environnement, ce qui interfère avec le bon fonctionnement des appareils électroniques dans son environnement. La raison principale est que le circuit fonctionne trop souvent et que la disposition et le câblage ne sont pas raisonnables. Actuellement, il existe des outils logiciels pour la simulation EMI, mais les émulateurs EMI sont très coûteux et il est difficile de définir les paramètres de simulation et les conditions limites, ce qui affectera directement la précision et l'utilité des résultats de simulation. La pratique habituelle est d'appliquer les règles de conception qui contrôlent l'EMI à chaque maillon de la conception afin d'obtenir une conduite et un contrôle des règles pour chaque maillon de la conception.

Points clés de la conception PCB haute vitesse: Guide de mise en page et de câblage

Spécification raisonnable de la mise en page et du câblage, est d'assurer l'intégrité du signal, d'éviter la discontinuité du crosstalk, du rayonnement et de l'impédance et d'autres problèmes EMI communs. Les spécifications suivantes peuvent être plus grandes pour éviter une série de problèmes dans la conception de PCB à grande vitesse.

1. couche de masse, couche de puissance et couche d'empilage: Assurez-vous que le PCB empilé sous la ligne de transmission à grande vitesse a une masse uniforme et ne traversera pas l'écart entre la couche de masse et la couche de puissance.

2. Impédance caractéristique: une largeur d'alignement spécifique doit être imposée sur la ligne de transmission pour s'assurer que l'impédance caractéristique et l'impédance d'entrée ont des valeurs spécifiques sur l'interconnexion à grande vitesse.

3. Espacement des lignes de transmission: maintenir un espacement suffisant entre les alignements sur le PCB pour éviter la diaphonie évidente et s'assurer que le signal ne dépasse pas la tolérance au bruit du récepteur.

4.Intégrité de la puissance: Placez les couches de puissance et de masse côte à côte, en particulier la partie du PDN qui alimente les composants à grande vitesse pour éviter des sonneries excessives.

Routage de paire 5.Bus et différentiel: faire respecter les correspondances de chronologie sur les bus parallèles et les paires différentielles pour assurer un écart minimum entre les signaux critiques.

6.Component Placement: Assurez-vous que les composants critiques à haute vitesse sont placés dans la mise en page du PCB afin que tous les signaux critiques puissent être acheminés avec des transitions de couche minimales.