Technologie PCB - Signaux dans la conception de carte PCB Numérique haute vitesse

Avec l'augmentation de la vitesse de commutation de sortie des circuits intégrés et l'augmentation de la densité des PCB, l'intégrité du signal est devenue l'une des préoccupations essentielles dans la conception de PCB numériques à grande vitesse. Des facteurs tels que les paramètres des composants et des PCB, la disposition des composants sur les PCB, le câblage des lignes de signal à grande vitesse, etc. peuvent tous causer des problèmes d'intégrité du signal.

Pour la mise en page de PCB, l'intégrité du signal nécessite une mise en page de la carte qui n'affecte pas le calendrier ou la tension du signal, tandis que pour la mise en page du circuit, l'intégrité du signal nécessite des composants de terminaison, des stratégies de mise en page et des informations de routage.

Des vitesses de signal élevées sur les circuits imprimés, une disposition incorrecte des composants de terminaison ou un câblage incorrect des signaux à grande vitesse peuvent tous entraîner des problèmes d'intégrité du signal, ce qui peut entraîner une sortie incorrecte du système, des circuits qui ne fonctionnent pas correctement ou même pas du tout. Comment concevoir un PCB prendre pleinement en compte les facteurs d'intégrité du signal et les mesures de contrôle efficaces dans le processus est devenu un sujet brûlant dans l'industrie de la conception de PCB aujourd'hui

1. Problèmes d'intégrité du signal

Une bonne intégrité du signal signifie que le signal peut répondre avec le bon timing et les valeurs de niveau de tension lorsque cela est nécessaire. Inversement, des problèmes d'intégrité du signal surviennent lorsque le signal ne répond pas correctement.

Les problèmes d'intégrité du signal peuvent entraîner ou entraîner directement des distorsions du signal, des erreurs de synchronisation, des données incorrectes, des adresses et des lignes de contrôle, des défaillances du système et même des pannes du système. Les problèmes d'intégrité du signal ne sont pas causés par un seul facteur, mais par la conception au niveau de la carte. Causé par plusieurs facteurs.

La vitesse de commutation IC, la disposition incorrecte des composants de terminaison ou le câblage incorrect des signaux à grande vitesse peuvent tous entraîner des problèmes d'intégrité du signal. Les principaux problèmes d'intégrité du signal comprennent: retard, réflexion, bruit de commutation synchrone, oscillations, rebond de terre, diaphonie, etc.

2. Définition de l’intégrité du signal

L'intégrité du signal fait référence à la capacité d'un signal à répondre au bon rythme et à la bonne tension dans un circuit. C'est l'état dans lequel le signal n'est pas endommagé, il représente la qualité du signal sur la ligne de signal.

2.1 retards

Par retard, on entend que le signal est transmis à une vitesse limitée sur les fils du PCB, le signal étant transmis de l'extrémité émettrice à l'extrémité réceptrice, pendant laquelle il y a un retard de transmission. Le retard du signal affecte la synchronisation du système, le retard de transmission dépendant 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 deux signaux d'horloge produits simultanément et dont le temps d'arrivée à la réception n'est pas synchronisé.

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. Comme le montre la figure 1, le retard de la ligne de transmission est devenu une partie importante de la période des impulsions d'horloge.

2.2 réflexion

La réflexion est un écho sur une sous - ligne de transmission. La ligne de signal doit être utilisée comme ligne de transmission lorsque le temps de retard du signal (delay) est très supérieur au temps de transition du signal (transition time). 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.

2.3 bruit de commutation synchrone (SSN)

Lorsque de nombreux signaux numériques sur la carte PCB sont commutés de manière synchrone (comme le bus de données de la CPU, le bus d'adresses, etc.), un bruit de commutation synchrone est généré en raison de l'impédance de la ligne d'alimentation et de la ligne de masse, et un bruit de rebond du plan de masse (bombe à la terre) apparaît également sur la ligne de masse.

L'intensité du SSN et du rebond de masse dépend également des caractéristiques d'E / s du circuit intégré, de l'impédance de la couche d'alimentation et de la couche plane du PCB, ainsi que de la disposition et du câblage des dispositifs à grande vitesse sur le PCB.

2.4 cordes (String)

Par diaphonie, on entend le couplage entre deux lignes de signal, l'inductance mutuelle et la capacité mutuelle entre les lignes de signal provoquant du bruit sur la ligne. 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 des fausses horloges, des erreurs de données intermittentes, etc., affectant ainsi la qualité de transmission des signaux voisins. En fait, nous n'avons pas besoin d'éliminer complètement la diaphonie, il suffit de la contrôler dans les limites de ce que le système peut supporter pour atteindre l'objectif.

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.

2.5 overtune et sous - tonalité

Un dépassement est lorsque le premier pic ou creux dépasse une tension définie. Le front montant fait référence à la tension la plus élevée et le Front descendant 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).

2.6 sonnerie et détourage

Le phénomène d'oscillation est un dépassement et un abaissement répétés. Les oscillations du signal sont celles induites par l'inductance et la capacité de la transition de ligne et appartiennent à l'état sous - amorti et les oscillations environnantes 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.

2.7 bruit de rebond de terre et bruit d'écho

Lorsque de grandes surtensions électriques apparaissent dans le circuit, elles provoquent un bruit de rebond du plan de masse. Par example, lorsqu'un grand nombre de sorties de puce sont simultanément conductrices, un grand nombre de courants transitoires circuleront à travers le plan d'alimentation de la puce et de la carte. L'inductance et la résistance du boîtier de la puce et du plan d'alimentation provoquent un bruit de puissance qui crée des fluctuations et des variations de tension sur le plan de masse réel (OV). Ce bruit affecte les actions 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 simultanément une augmentation du rebond de la terre.

En raison de la Division du plan de masse (y compris l'alimentation et la mise à la terre), par exemple, le plan de masse est divisé en une mise à la terre numérique, une mise à la terre analogique, une mise à la terre blindée, etc., un bruit de retour du plan de masse est généré lorsque le signal numérique atteint la zone de mise à la terre analogique.

De même, le plan d'alimentation peut également être divisé en 2,5 V, 3,3 V, 5 V, etc. par conséquent, dans la conception de PCB Multi - tension, une attention particulière doit être accordée au bruit de rebond et au bruit de retour du plan de masse.