Technologie PCB - Haute vitesse DSP PCB anti - interférence technologie de conception

Ces dernières années, avec le développement rapide de nouvelles technologies et de nouveaux dispositifs, les dispositifs à grande vitesse sont devenus de plus en plus populaires et la conception de circuits à grande vitesse est devenue une technologie généralement requise par les gens. La puce DSP tms320c62xx, c64xx, c67xx série de dispositifs de la société TI est l'un des dispositifs à haute vitesse en développement rapide. La structure interne du c6000 est une série à virgule fixe et flottante, compatible DSP, la fréquence principale actuelle du processeur est de 100 MHz, - 400 MHz. Grâce au cœur de l'architecture VLIW (advanced very long instruction word) de velocititm, 8 instructions 32 bits peuvent être exécutées en parallèle sur un cycle d'instructions. En raison de sa puissance de calcul à grande vitesse, il est largement utilisé dans les domaines de la communication, de la contre - mesure électronique, du radar, du traitement d'images, etc., qui exigent des capacités de traitement intelligentes et à grande vitesse.

Au fur et à mesure que l'intégration des puces augmente, les puces ont de plus en plus de broches et les boîtiers des dispositifs changent constamment, de DIP à osop, de SOP à pqfp, de pqfp à BGA. Les dispositifs de la série tms320c6000 sont livrés dans un boîtier BGA. Dans les applications de circuit, les boîtiers BGA ont un taux de réussite élevé, un faible taux de réparation et une fiabilité élevée, et les applications sont de plus en plus répandues. Cependant, comme le boîtier BGA appartient au boîtier de patch de réseau sphérique, la mise en œuvre physique du système dans le développement, c'est - à - dire la conception au niveau de la carte, implique de nombreuses techniques de conception de circuits numériques à grande vitesse. Les interférences sonores sont un facteur majeur dans les systèmes à grande vitesse. Le rayonnement et les conflits se produisent dans les circuits à haute fréquence, tandis que la sonnerie, la réflexion et la diaphonie se produisent à des vitesses de bord plus rapides. Les cartes conçues ne fonctionneront pas correctement sans tenir compte des particularités de la disposition et du câblage des signaux à grande vitesse. Par conséquent, le succès de la conception de cartes PCB est une partie très critique du processus de conception de circuits DSP.

1 effet de ligne de transmission

1.1 intégrité du signal

L'intégrité du signal comprend principalement la réflexion, la sonnerie, le rebond à la terre et la diaphonie. Les lignes sur la carte PCB peuvent être équivalentes aux structures capacitives, résistives et inductives en série et en parallèle représentées sur la figure 1. La valeur typique de la résistance série est 0,25 D. / R - 4). 55djft, la valeur de la résistance de shunt est généralement très élevée. Lorsque des résistances parasites, des capacités et des inductances sont ajoutées à une connexion PCB réelle, l'impédance finale sur la connexion est appelée impédance caractéristique zo.

Si l'impédance de la ligne de transmission ne correspond pas à celle de l'extrémité de réception, il en résulte une réflexion et une oscillation du signal.

Circuit équivalent de câblage PCB

La géométrie du câblage, les mauvaises terminaisons, les transmissions à travers les connecteurs et les discontinuités dans le plan d'alimentation peuvent provoquer des réflexions. Lorsque le signal change au fur et à mesure que les niveaux augmentent et diminuent, il y a un dépassement et un recul. Ils peuvent produire des bavures au - dessus ou au - dessous d'un niveau stable en un instant, ce qui peut facilement endommager l'appareil. La sonnerie et les oscillations environnantes du signal sont causées respectivement par une inductance et une capacité inappropriées sur la ligne. La bague peut être réduite par un embout approprié.

Lorsque de grandes surtensions électriques apparaissent dans le circuit, cela provoque un rebond de la terre. S'il y a un courant transitoire important traversant le plan de puissance de la puce et de la carte, l'inductance parasite et la résistance entre le boîtier de la puce et le plan de puissance provoqueront un bruit de puissance. La diaphonie est un problème de couplage entre deux lignes de signal. L'inductance mutuelle et la capacité mutuelle entre les lignes de signal créent du bruit sur la ligne. Le couplage capacitif conduit à un courant de couplage, tandis que le couplage inductif conduit à une tension de couplage. Les paramètres de la couche PCB, l'espacement entre les lignes de signal, les caractéristiques électriques du conducteur et du récepteur et la façon dont les lignes sont connectées ont tous une certaine influence sur la diaphonie.

1.2 La solution

Certaines mesures sont nécessaires pour résoudre les problèmes courants:

La couche de puissance n'impose aucune restriction sur la direction du courant et la ligne de retour peut suivre un chemin d'impédance proche de la ligne de signal. Cela pourrait conduire à des boucles de courant, ce qui serait la méthode d'un système à grande vitesse. Cependant, la couche de puissance n'élimine pas le fouillis de ligne et ne prête pas attention au chemin de distribution de puissance, tous les systèmes générant du bruit et provoquant des erreurs. Il existe donc un besoin pour des filtres spéciaux réalisés par des condensateurs de dérivation. Typiquement, une capacité de lshrimp à lop.f est placée sur l'entrée d'alimentation de la carte, tandis qu'une capacité de 0,01 PF au centre de u0.1 est placée entre l'alimentation et la broche de masse de chaque dispositif actif de la carte. La capacité de dérivation agit comme un filtre, plaçant une grande capacité (10af) à l'entrée d'alimentation, produisant un bruit à basse fréquence (60HZ) à l'extérieur de la carte et le bruit généré par les dispositifs actifs sur la carte est un harmonique de 100MHz ou plus. La capacité de dérivation placée entre chaque puce est généralement beaucoup plus faible que celle placée à l'entrée d'alimentation sur la carte.

Par expérience, si vous avez mélangé analogique et numérique dans votre conception, divisez le PCB en sections analogiques et numériques, les périphériques analogiques en sections analogiques, les périphériques numériques en sections numériques et les convertisseurs A / D entre les zones. Le signal analogique et le signal numérique sont câblés dans leurs zones respectives pour s'assurer que le courant de retour du signal numérique ne circule pas vers la masse du signal analogique.

Le Bypass et le découplage empêchent le transfert d'énergie d'un circuit à l'autre. Trois zones de boucle doivent être considérées, la couche d'alimentation, la couche inférieure, les composants et les connexions d'alimentation internes. élargir autant que possible la largeur des lignes d'alimentation et de sol signifie que les lignes de sol sont plus larges que les lignes d'alimentation. La relation entre eux est: ligne de terre > ligne d'alimentation > ligne de signal. Habituellement, la largeur de la ligne de signal est o.2-o.3mm, la largeur la plus mince peut être 0.05 "- '0.7mm, la ligne d'alimentation est 1.2" -' 2.5n 'lrfl. Utilisez une grande surface de fil de cuivre comme fil de terre. Connectez l'endroit inutilisé comme fil de terre à la terre sur la plaque d'impression. Ou peut être fait dans une plaque multicouche, une couche pour l'alimentation et une couche pour le fil de terre. Configurez un condensateur en céramique de 0,01 Centre pour chaque puce de circuit intégré. Si la carte de circuit imprimé a moins d'espace et ne peut pas être installée, des condensateurs électrolytiques au tantale de 1 à 10 puces peuvent être configurés tous les 4 à 10 puces. L'impédance haute fréquence de ce dispositif est faible, inférieure à lq dans la gamme 500 Ki - IZ - 20 MHz et le courant de fuite est faible (inférieur à o.5lla). Des condensateurs de filtrage de découplage doivent être installés à proximité du circuit intégré pour raccourcir les conducteurs des condensateurs et la surface du circuit de courant transitoire, en particulier les condensateurs de dérivation haute fréquence.

Lorsque le système fonctionne à 50 MHz, des problèmes d'effet de ligne de transmission et d'intégrité du signal se posent et les mesures traditionnelles peuvent donner des résultats satisfaisants. Lorsque l'horloge du système atteint 120 MHz, il est nécessaire de considérer l'utilisation de connaissances en conception de circuits à grande vitesse, sinon les PCB conçus sur la base de méthodes traditionnelles ne fonctionneront pas correctement. Par conséquent, la conception de circuits PCB à grande vitesse est devenue une technique de conception que les concepteurs de systèmes électroniques doivent maîtriser.

2 PCB haute vitesse Signal Circuit Design Technique

2.1 câblage de signal à grande vitesse

Les plaques multicouches sont nécessaires pour le câblage des signaux à grande vitesse et sont un moyen efficace de réduire les interférences. Réduire la taille de la carte de circuit imprimé, utiliser pleinement la couche intermédiaire pour définir le blindage, réaliser une mise à la terre étroite, réduire efficacement l'inductance parasite, raccourcir la longueur de transmission du signal, réduire les interférences croisées entre les signaux, etc., sont tous bénéfiques pour la fiabilité du circuit à grande vitesse. Les données ont montré que le niveau de bruit des panneaux à quatre couches était inférieur de 20 dB à celui des panneaux à deux couches lors de la collecte du même matériau lors du huitième Symposium académique national sur l'électronique résistante aux radiations et les impulsions électromagnétiques. Moins il y a de plaques courbes en tête, mieux c'est. Avec une ligne droite complète, une transition est nécessaire. Une courbe de 45 degrés ou une transition en arc de cercle peut être utilisée pour réduire la transmission externe et le couplage des signaux à grande vitesse, ainsi que pour réduire le rayonnement et la réflexion des signaux.

Plus les broches entre les broches d'un dispositif de circuit à grande vitesse sont courtes, mieux c'est. Plus la longueur du fil est longue, plus les valeurs de l'inductance et de la capacité de distribution sont grandes, ce qui entraîne des réflexions, des oscillations, etc. dans les systèmes de circuits à grande vitesse. Moins il y a d'alternances entre les couches de fils entre les broches d'un dispositif de circuit à grande vitesse, mieux c'est, c'est moins de trous utilisés lors de la connexion des éléments. On estime que les Vias peuvent apporter une capacité répartie de l'ordre de 0,5 PF, ce qui augmente considérablement le retard du circuit. Dans le câblage de circuits à grande vitesse, il convient de noter les « interférences croisées» introduites par les itinéraires quasi parallèles des lignes de signal. Si la distribution parallèle ne peut pas être évitée, une grande surface de « masse » peut être placée à l'arrière de la ligne de signal parallèle pour réduire les interférences. Dans les deux couches adjacentes, les directions des lignes droites doivent être perpendiculaires entre elles.

Forcer un boîtier de ligne de terre pour les lignes de signal ou les unités locales particulièrement importantes. Une ligne de base protégée peut être ajoutée à la périphérie lorsque le signal d'horloge, le signal analogique à grande vitesse, etc. non perturbable se déplace, le câble de signal à protéger étant pris en sandwich. Les différentes lignes de signal ne peuvent pas former de boucles et les lignes de masse ne peuvent pas former de boucles de courant. Si un circuit de câblage de boucle est généré, il causera beaucoup d'interférences dans le système. L'utilisation du câblage à chaîne chrysanthème * peut efficacement éviter les boucles lors du câblage. Un ou plusieurs condensateurs de découplage haute fréquence doivent être disposés à proximité de chaque bloc IC. Une Self haute fréquence est utilisée lorsque les lignes de terre analogiques et numériques sont connectées à une ligne de terre commune. Certaines lignes de signal à grande vitesse doivent être traitées spécifiquement: les signaux différentiels exigent qu'elles soient sur la même couche et aussi près que possible des lignes parallèles, et ne permettent pas l'insertion de signaux entre les lignes de signal différentiel et exigent des longueurs égales.

Le câblage des signaux à grande vitesse doit éviter autant que possible la formation de branches ou de pieux résiduels. Les lignes de signal à haute fréquence sont susceptibles de produire un rayonnement électromagnétique plus important lorsqu'elles marchent sur la surface. En câblage des lignes de signal à haute fréquence entre l'alimentation et les fils et en absorbant les ondes électromagnétiques à travers l'alimentation et la couche inférieure, le rayonnement produit sera considérablement réduit.

2.2 câblage de signal d'horloge à grande vitesse

Les circuits d'horloge occupent une place importante dans les circuits numériques. Le c64xdsp est membre de la plate - forme c6000 et offre des vitesses de traitement élevées. Le c64xdsp peut être cadencé jusqu'à 1,1 GHz, soit 10 fois plus que le c62xdsp précédent. Par conséquent, les exigences en matière de câblage d'horloge seront de plus en plus élevées dans la conception d'applications futures pour les systèmes électroniques modernes basés sur DSP. La ligne de signal d'horloge à grande vitesse est prioritaire, généralement lors du câblage, vous devez Prioriser la ligne de signal d'horloge principale du système. La ligne de signal d'horloge à grande vitesse a une fréquence élevée, ce qui nécessite que la ligne soit la plus courte possible pour assurer la distorsion du signal.

Horloge haute fréquence, particulièrement sensible aux interférences sonores. La protection et le blindage des lignes de signal d'horloge haute fréquence sont nécessaires pour réduire les interférences.

Les horloges à haute fréquence (au - dessus de 20 MHz, ou montant le long de 5 NS) doivent avoir une protection de ligne de terre avec une largeur de ligne d'au moins 10 rail et une largeur de ligne de terre d'au moins 20 mil. L'extrémité de la ligne de sol de protection de la ligne de signal à haute fréquence doit être bien en contact avec le sol à travers le trou et se connecter au sol tous les 5em environ. L'escorte de la ligne de sol et la longueur de la ligne de données sont sensiblement les mêmes, il est recommandé de tirer Le fil manuellement; Le côté émission de l'horloge doit être connecté en série avec une résistance d'amortissement d'environ 22 - 220q. Le routage du signal d'horloge à grande vitesse est conçu sur la même couche autant que possible, et il n'y a pas d'autres sources d'interférence et de routage autour de la ligne du signal d'horloge à grande vitesse. Pour les connexions d'horloge haute fréquence, une connexion en étoile ou une connexion point à point est recommandée. La connexion en T doit assurer la longueur du bras, etc., en minimisant l'excès de LS, et le cuivre doit être utilisé sous l'oscillateur à cristal ou la puce d'horloge pour éviter les interférences. Évitez les interférences causées par le bruit du signal par ces lignes.

Dans le câblage de signal à grande vitesse et le câblage de signal d'horloge à grande vitesse, il est nécessaire de jouer moins de ll et moins de branches pendant le câblage pour éviter les résidus et la réflexion et le croisement du signal. L'influence des Vias et des résidus (Stub) dans les circuits imprimés à grande vitesse se manifeste non seulement par l'influence sur le signal, mais aussi par la variation de l'impédance du conducteur. Cependant, les concepteurs ont tendance à ignorer l'effet des trous et des souches sur l'impédance.

Choisissez un trou de taille raisonnable. Par exemple, pour une conception de PCB avec 4 à 10 couches, les options courantes sont 10mil / 20mil (perçage / PAD) ou 16mil / 30mil. Pour certains petits PCB de haute densité, des trous de 8mil / 18mil peuvent également être utilisés. Envisagez d'utiliser une plus grande taille pour réduire l'impédance de la ligne d'alimentation ou du canal de ligne de masse. Placez les broches d'alimentation et de mise à la terre près du trou. Plus le fil entre la broche et le trou est court, mieux c'est. Dans le même temps, les broches de l'alimentation et de la mise à la terre doivent être aussi épaisses que possible pour réduire l'impédance.

Les puces de niveau système à haute densité sont encapsulées dans un BGA ou un COB avec un espacement des broches de plus en plus réduit. L'espacement des billes est aussi bas que o.6mm et continuera à diminuer, rendant les lignes de signal de l'encapsulateur impossibles à dessiner à l'aide d'outils de câblage traditionnels. Au 8ème Symposium académique national sur les électrons résistants aux radiations et les impulsions électromagnétiques (249), il existe actuellement deux façons de résoudre ce problème: (1) dessiner une ligne de signal à partir de la couche inférieure à travers un trou sous la balle; (2) en utilisant un câblage très mince et un câblage à angle libre, trouver des canaux de connexion dans un réseau de grille sphérique. Pour de tels dispositifs haute densité encapsulés BGA ou COB, le câblage avec une largeur et un espace très réduits est la seule option viable. Ce n'est qu'alors que le rendement élevé et la fiabilité élevée peuvent être garantis et que les exigences de conception à grande vitesse peuvent être satisfaites.

2.3 conception des plots d'encapsulation BGA

Avec le développement de la technologie d'encapsulation de dispositif, la taille relative de l'encapsulation de dispositif devient de plus en plus petite. Les appareils de la série tms320c6000 ont jusqu'à 352 broches, car les broches BGA sont très rapprochées et les trous sont proches des broches, ce qui crée une grande inductance. Il est également nocif pour les signaux à haute vitesse, alors essayez d'utiliser des trous plus petits lorsque le BGA est dispersé. Il existe une correspondance entre la taille du plot BGA et l'espacement des pieds BGA, mais ne peut pas être plus grand que le diamètre de la bille de broche BGA, généralement environ 1 / 10 ~ 1 / 5. Les trous dans le Plot BGA et les Plots sur la surface de l'élément doivent être bloqués et enduits d'huile verte. Pour le soudage BGA, aucun autre composant n'apparaîtra dans le 2era environnant.

Conclusion

Le processeur de signal numérique est le traitement du signal. Avec la popularité des dispositifs à haute fréquence, la densité des cartes de circuits imprimés augmente, les interférences augmentent et l'amélioration de la qualité du signal a été placée au premier plan de la conception. La conception de carte PCB pour DSP haute vitesse est un processus très complexe. Plusieurs facteurs doivent être pris en compte lors de la conception de circuits à grande vitesse, qui correspondent les uns aux autres. Si les dispositifs à grande vitesse sont disposés à proximité les uns des autres, la latence peut être réduite, mais des effets thermiques diaphoniques et importants peuvent survenir. Il est également paradoxal que les signaux à grande vitesse doivent être câblés dans la couche interne autant que possible, tandis que les perforations doivent être moins nombreuses. Par conséquent, dans la conception, nous devons prendre en compte tous les facteurs favorables pour une conception complète du circuit.

Ce n'est que de cette façon que vous pouvez concevoir une carte de circuit imprimé de haute qualité avec une forte capacité anti - interférence, une performance stable et un temps réel élevé.