Technologie PCB - Comment améliorer l'intégrité du signal pour les PCB de systèmes embarqués

Avec les progrès continus de la technologie électronique, les systèmes embarqués seront de plus en plus utilisés. Dans ces nombreuses applications, les gens ne pensent plus aux fonctionnalités et aux performances, mais à la fiabilité et à la compatibilité. Alors, comment améliorer l'intégrité du signal d'un PCB de système embarqué grâce à la technologie de câblage devient une « Question importante».

Il est bien connu que les PCB (Printed Circuit Board) sont le support de base des composants de circuits dans les produits électroniques et que la qualité de leur conception a tendance à affecter directement la fiabilité et la compatibilité des systèmes embarqués. Dans le passé, dans certaines cartes à faible vitesse, la fréquence d'horloge n'était généralement que d'environ 10 MHz. Les principaux défis de la conception d'une carte ou d'un boîtier sont de savoir comment câbler toutes les lignes de signal sur une carte à double couche et comment ne pas endommager le boîtier lors de l'assemblage.

Étant donné que les connexions d'interconnexion n'affectent jamais les performances du système, les caractéristiques électriques des connexions d'interconnexion ne sont pas importantes. En ce sens, les lignes d'interconnexion dans la carte de signalisation à basse vitesse sont lisses et transparentes. Cependant, avec le développement des systèmes embarqués, les circuits utilisés sont essentiellement tous des circuits haute fréquence. Au fur et à mesure que la fréquence d'horloge augmente et que le front montant du signal devient plus court, la tolérance et l'inductance générées par le circuit imprimé au signal passant seront beaucoup plus importantes que la résistance du circuit imprimé lui - même, ce qui affectera gravement l'intégrité du signal. Pour les systèmes embarqués, l'effet d'intégrité du signal devient important lorsque la fréquence d'horloge dépasse 100 MHz ou lorsque le front montant est inférieur à 1 ns.

Dans un PCB, la ligne de signal est le principal vecteur de transmission du signal, et le routage de la ligne de signal déterminera directement la supériorité de la transmission du signal, affectant directement les performances de l'ensemble du système embarqué. Un câblage irrationnel peut sérieusement causer divers problèmes d'intégrité du signal et provoquer des perturbations temporelles, sonores et électromagnétiques (EMI) sur les circuits, ce qui affecte gravement les performances des systèmes embarqués. Pour cela, cet article part des caractéristiques électriques réelles des lignes de signal dans les circuits numériques à grande vitesse, établit un modèle de caractéristiques électriques, identifie les principales causes affectant l'intégrité du signal et les moyens de résoudre les problèmes, et prête attention aux problèmes de câblage et aux méthodes et techniques à suivre.

Intégrité du signal

L'intégrité du signal fait référence à la qualité du signal sur une ligne de signal, c'est - à - dire à la capacité d'un signal à répondre dans un circuit avec le bon rythme et le bon niveau de tension. Un signal avec une bonne intégrité du signal signifie qu'il a une valeur de niveau de tension qui doit être atteinte en cas de besoin. La mauvaise intégrité du signal n'est pas causée par un seul facteur, mais par plusieurs facteurs dans la conception au niveau de la carte. Les problèmes d'intégrité du signal se reflètent dans de nombreux aspects, y compris la latence, la réflexion, la diaphonie, les dépassements, les oscillations et les rebonds à la terre.

Latence: la latence est la transmission du signal à une vitesse limitée sur la ligne de transmission de la carte PCB. Le signal est émis de l'extrémité émission vers l'extrémité réception, pendant laquelle il y a un retard de transmission. Le retard du signal affecte la synchronisation embarquée; Le retard de transmission dépend principalement de la longueur du fil et de la constante diélectrique du milieu autour du fil. Dans les systèmes numériques à grande vitesse, la longueur de la ligne de transmission du signal est le facteur le plus direct affectant la différence de phase des impulsions d'horloge. Par différence de phase d'une impulsion d'horloge, on entend l'instant où deux signaux d'horloge produits simultanément arrivent en désynchronisation à la réception. La différence de phase des impulsions d'horloge réduit la prévisibilité de l'arrivée des bords du signal. Si la différence de phase des impulsions d'horloge est trop importante, un signal d'erreur sera généré à la réception.

Réflexion: une réflexion est l'écho d'un signal sur une ligne de signal. Lorsque le temps de retard du signal est beaucoup plus long que le temps de conversion du signal, la ligne de signal doit être utilisée comme ligne de transmission. Lorsque l'impédance caractéristique de la ligne de transmission ne correspond pas à l'impédance de la charge, une partie de la puissance du signal (tension ou courant) est transmise à la ligne et atteint la charge, mais une partie est réfléchie. Si l'impédance de charge est inférieure à l'impédance d'origine, la réflexion est négative; Sinon, la réflexion est positive. Des variations de géométrie de câblage, des terminaisons de fils incorrectes, des transmissions à travers les connecteurs et des discontinuités dans le plan d'alimentation peuvent tous conduire à de telles réflexions.

Diaphonie: la diaphonie fait référence au couplage entre deux lignes de signal entre lesquelles une inductance mutuelle et une capacité créent du bruit. Le couplage capacitif induit un courant de couplage, le couplage inductif induit une tension de couplage. Le bruit de diaphonie provient du couplage électromagnétique entre les réseaux de lignes de signalisation, entre les systèmes de signalisation et les systèmes de distribution et entre les pores. Les enroulements croisés peuvent provoquer de fausses horloges, des erreurs de données intermittentes, etc., affectant ainsi la qualité de transmission des signaux voisins. En réalité, la diaphonie ne peut pas être complètement éliminée, mais peut être contrôlée dans la limite de ce que le système peut supporter. Les paramètres de la couche PCB, l'espacement des lignes de signal, les caractéristiques électriques des extrémités de conduite et de réception et la méthode de terminaison de base ont tous une certaine influence sur la diaphonie.

Overshot et downshot: un overshot est le premier pic ou creux au - dessus de la tension de consigne. Pour le front montant, il s'agit de la tension la plus élevée; Pour le Front descendant, il se réfère à la tension la plus basse. Une impulsion descendante est lorsque le prochain creux ou pic dépasse la tension de consigne. Un dépassement trop important peut entraîner le fonctionnement de la diode de protection, ce qui entraîne sa défaillance prématurée. Un nombre excessif d'impulsions descendantes peut entraîner des erreurs d'horloge ou de données (mauvais fonctionnement).

Oscillations et oscillations annulaires: le phénomène d'oscillation est un dépassement et un recul répétés. L'oscillation du signal est une oscillation provoquée par l'inductance et la capacité de la transition de ligne, appartenant à l'état sous - amorti, et l'oscillation environnante appartenant à l'état sur - amorti. Les oscillations et les oscillations surround sont également causées par de nombreux facteurs tels que la réflexion. L'oscillation peut être réduite par une terminaison appropriée, mais il n'est pas possible de l'éliminer complètement.

Bruit de rebond de terre et bruit de retour: lorsque de grandes surtensions électriques apparaissent dans le circuit, elles provoquent un bruit de rebond de terre. Par exemple, lorsqu'un grand nombre de sorties de puce sont simultanément conductrices, il y aura un courant transitoire important entre la puce et la carte. Si le plan d'alimentation circule, l'inductance et la résistance de l'encapsulation de la puce et du plan d'alimentation provoqueront un bruit d'alimentation qui créera des fluctuations et des variations de tension sur le plan de masse réel, et ce bruit affectera l'action des autres composants. Une augmentation de la capacité de charge, une diminution de la résistance de charge, une augmentation de l'inductance de la terre et une augmentation du nombre de dispositifs de commutation entraînent tous une augmentation du rebond de la terre.

Analyse des caractéristiques électriques des canaux de transmission

Dans les PCB multicouches, la plupart des lignes de transmission sont disposées non seulement sur une seule couche, mais également en quinconce sur plusieurs couches, et chaque couche est connectée par un via. Ainsi, dans un PCB multicouche, un canal de transmission typique comprend principalement trois parties: une ligne de transmission, un coin de câblage et un via. Dans le cas des basses fréquences, les lignes imprimées et les trous de passage de trace peuvent être considérés comme des connexions électriques ordinaires reliant les broches de différents dispositifs, ce qui n'affecte pas beaucoup la qualité du signal. Cependant, dans le cas des hautes fréquences, les lignes d'impression, les coins et les perçages doivent être pris en compte non seulement pour leur connectivité, mais aussi pour leurs propriétés électriques aux hautes fréquences et l'influence des paramètres parasites.

Analyse des caractéristiques électriques des lignes de transmission dans les PCB haute vitesse

Dans la conception de PCB à grande vitesse, il est inévitable d'utiliser un grand nombre de fils de connexion de signal, et ils diffèrent en longueur. Le temps de retard du signal traversant la ligne de connexion ne peut être négligé par rapport au temps de variation du signal lui - même. Le signal est sur la ligne de connexion à la vitesse des ondes électromagnétiques. Pour la transmission, la ligne de connexion est à ce moment - là un réseau complexe de résistances, de capacités et d'inductances qu'il faut décrire par un modèle de système de paramètres distribués, c'est - à - dire un modèle de ligne de transmission.

Une ligne de transmission est utilisée pour transmettre un signal d'une extrémité à l'autre. Il se compose de deux fils d'une certaine longueur, l'un appelé chemin de signal et l'autre appelé chemin de retour. Dans les circuits basse fréquence, les caractéristiques de la ligne de transmission se manifestent par des caractéristiques électriques purement résistives. En a, à mesure que la fréquence du signal transmis augmente, l'impédance Capacitive entre les fils diminue et l'impédance inductive sur les fils augmente. Les lignes de signal ne seront plus purement résistives, c'est - à - dire que le signal ne sera pas seulement transmis sur les fils, mais aussi dans le milieu entre les conducteurs. Si la fréquence du signal augmente encore, lorsque jÍl > > R, 1 / (jÍc) < pour un fil homogène, la résistance R, l'inductance parasite l et la capacité parasite C de la ligne de transmission sont uniformément réparties, quel que soit l'environnement extérieur (c'est - à - dire L1 = L2 = â = ln; C1 = c2 = â = Cn + 1).