Technologie PCB - Qu'est - ce high speed PCB design

1. Défis liés à la conception des systèmes électroniques

Avec l'augmentation massive de la complexité et de l'intégration de la conception du système, les concepteurs de systèmes électroniques sont engagés dans la conception de cartes de circuits imprimés au - dessus de 100 MHz, et la fréquence de fonctionnement du bus a atteint ou dépassé 50 MHz, certains dépassant même 100 MHz. Environ 50% des conceptions actuelles ont une fréquence d'horloge supérieure à 50 MHz et près de 20% ont une fréquence d'horloge supérieure à 120 MHz.

Les effets de ligne de transmission et les problèmes d'intégrité du signal se posent lorsque le système fonctionne à 50 MHz. Lorsque l'horloge du système atteint 120 MHz, la conception de PCB basée sur des méthodes traditionnelles ne fonctionnera pas à moins d'utiliser des connaissances en conception de circuits à grande vitesse. Ainsi, la technologie de conception de circuits à grande vitesse est devenue un moyen de conception que les concepteurs de systèmes électroniques doivent adopter. Le processus de conception ne peut être contrôlé qu'en utilisant les techniques de conception des concepteurs de circuits à grande vitesse.

2. Qu'est - ce qu'un circuit à grande vitesse

On considère généralement que si la fréquence d'un circuit logique numérique atteint ou dépasse 45 MHz à 50 MHz et que les circuits fonctionnant au - dessus de cette fréquence représentent déjà un certain nombre (disons 1 / 3) de l'ensemble du système électronique, on parle alors d'un circuit à grande vitesse.

En effet, la fréquence harmonique des bords du signal est supérieure à celle du signal lui - même. Ce sont les fronts montants et descendants (ou les sauts du signal) qui provoquent des résultats inattendus dans la transmission du signal. Ainsi, il est généralement admis que si le retard de propagation de la ligne est supérieur au temps de montée à l'extrémité pilote du signal numérique 1 / 2, un tel 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 le signal ne change d'état. Au lieu de cela, le signal réfléchi atteindra le pilote après que le signal ait changé d'état. Si le signal réfléchi est fort, la forme d'onde superposée peut changer d'état logique.

3. Détermination du signal à grande vitesse

Ci - dessus, nous avons défini les conditions préalables pour que l'effet de ligne de transmission se produise, mais comment savoir si le retard de ligne est supérieur à 1 / 2 du temps de montée du signal de commande? En général, les valeurs typiques du temps de montée du signal peuvent être données dans le manuel de l'appareil et le temps de propagation du signal dans la conception du PCB est déterminé par la longueur réelle du câblage. La figure suivante montre la correspondance entre le temps de montée du signal et la longueur de câblage autorisée (retard).

La latence par unité de pouce sur le PCB est de 0167ns. Cependant, la latence augmente s'il y a beaucoup de trous, de broches et de restrictions sur le câble réseau. Typiquement, le temps de montée du signal d'un dispositif logique à grande vitesse est d'environ 0,2 ns. s'il y a une puce GaAs sur la carte, la grande longueur de câblage est de 7,62 mm.

Réglez tr sur le temps de montée du signal et TPD sur le délai de propagation de la ligne de signal. Si trâ ¥ 4tpd, le signal tombe dans la zone de sécurité. Si 2tpdâ ¥ trâ ¥ 4tpd, le signal tombe dans la zone d'incertitude. Si trâ2tpd, le signal appartient à la zone à problème. Pour les signaux situés dans des zones incertaines et problématiques, une méthode de câblage à grande vitesse doit être utilisée.

4. Qu'est - ce qu'une 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 couche isolante. Après avoir ajouté des résistances parasites, des capacités et des inductances 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 l'alimentation / de la 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 borne de réception ne sont pas adaptées, les états stables finaux du signal de courant de sortie et du signal seront différents, ce qui entraînera la réflexion du signal sur la borne de réception, qui sera renvoyé à l'émetteur de signal et réfléchi 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.

5. Effet de 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.

· signal réfléchi signal réfléchi

· retards et erreurs de chronométrage

· niveau logique multiple seuil erreur croisée erreur de commutation

Super et sous - tonalité

· bruit induit (ou diaphonie)

· EMI rayonnement

5.1 signaux réfléchis

Si la ligne n'est pas correctement terminée (correspondance des bornes), les impulsions de signal du pilote sont réfléchies au récepteur, ce qui entraîne des effets inattendus qui déforment le profil du signal. Lorsque la distorsion est très grave, elle peut entraîner diverses erreurs qui peuvent entraîner l'échec de la conception. Dans le même temps, la distorsion du signal augmente la sensibilité au bruit, ce qui peut également entraîner un échec de conception. Si ce qui précède n'est pas suffisamment pris en compte, l'EMI augmentera considérablement, ce qui affectera non seulement le résultat de la conception, mais entraînera également une défaillance de l'ensemble du système.

Les principales raisons du signal réfléchi sont les suivantes: câblage trop long; La ligne de transmission terminale ne correspond pas, la capacité ou l'inductance est trop grande et l'impédance ne correspond pas.

5.2 retards et erreurs de timing

Le retard du signal et l'erreur de temporisation sont: le signal reste constant pendant un certain temps lorsqu'il varie entre un seuil haut et un seuil bas du niveau logique. Un retard excessif du signal peut entraîner des erreurs de synchronisation et un dysfonctionnement de l'appareil.

Des problèmes surviennent généralement lorsque plusieurs récepteurs sont présents. Les concepteurs de circuits doivent déterminer le retard dans le mauvais cas pour s'assurer que la conception est correcte. Causes du retard du signal: le conducteur est surchargé, le câble est trop long.

5.3 erreurs de seuil croisé Multi - niveaux logiques

Lors d'un saut, le signal peut franchir plusieurs fois le seuil de niveau logique, ce qui entraîne ce type d'erreur. Le franchissement multiple d'un seuil de niveau logique est une forme particulière d'oscillation du signal, c'est - à - dire que l'oscillation du signal se produit près d'un seuil de niveau logique et que le franchissement multiple d'un niveau logique entraîne un dysfonctionnement logique. Le signal réfléchi est causé par une ligne trop longue, une ligne de transmission non terminée, une capacité ou une inductance trop importante et une impédance mal adaptée.

5.4 haut et bas

Les impulsions montantes et descendantes proviennent de deux raisons: la ligne est trop longue ou le signal change trop rapidement. Bien que la plupart des récepteurs de composants soient protégés par des diodes de protection d'entrée, ces niveaux de dépassement peuvent parfois dépasser la plage de tension d'alimentation du composant, endommageant ainsi le composant.

5.5 diaphonie

Diaphonie signifie que lorsque le signal passe par une ligne de signal, les lignes de signal adjacentes sur la carte PCB induisent un signal pertinent, appelé diaphonie.

Plus le câble de signal est proche du câble de 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.

5.6 rayonnement électromagnétique

Interférence électromagnétique (EMI), ce qui provoque 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 de l'électronique 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. Il est courant d'appliquer les règles de conception qui contrôlent l'EMI à chaque maillon de la conception pour permettre la conduite et le contrôle des règles dans chaque lien de la conception.