Technologie PCB - Comprendre les solutions d'intégrité du signal PCB

Les problèmes d'intégrité du signal ne sont pas causés par un seul facteur, mais par plusieurs facteurs dans la conception du PCB. Les principaux problèmes d'intégrité du signal comprennent la réflexion, la sonnerie, le rebond de terre, la diaphonie, etc. les solutions de diaphonie et de réflexion sont principalement présentées ci - dessous.

3.1 score du son de phase

Par diaphonie, on entend une perturbation parasite du bruit de tension due au couplage électromagnétique à une ligne de transmission adjacente lorsqu'un signal se propage sur une ligne de transmission. Trop de diaphonie peut entraîner un mauvais déclenchement du circuit et empêcher le système de fonctionner correctement.

Comme la diaphonie est inversement proportionnelle à l'espacement des lignes, elle est directement proportionnelle à la longueur parallèle des lignes. La diaphonie varie avec la charge du circuit. Pour la même topologie et le même câblage, plus la charge est importante, plus la diaphonie est importante. La diaphonie est proportionnelle à la fréquence du signal. Dans les circuits numériques, les variations de bord du signal ont le plus grand impact sur la diaphonie. Plus les bords changent rapidement, plus la diaphonie est grande.

Compte tenu des caractéristiques ci - dessus de la diaphonie, on peut la résumer en plusieurs méthodes de réduction de la diaphonie:

(1) réduisez autant que possible le taux de conversion des bords du signal. Lors du choix des dispositifs, tout en respectant les spécifications de conception, il convient de choisir des dispositifs lents dans la mesure du possible et d'éviter l'utilisation mixte de différents types de signaux, car les signaux à variation rapide présentent un risque potentiel de diaphonie pour les signaux à variation lente.

(2) La Diaphonie induite par le couplage capacitif et le couplage inductif augmente avec l'impédance de la charge de la ligne perturbée, de sorte que la réduction de la charge peut réduire l'impact des interférences de couplage.

(3) minimiser les longueurs parallèles entre les lignes de transmission adjacentes ou augmenter la distance entre les lignes de couplage capacitif, lorsque les conditions de câblage le permettent, par exemple en appliquant le principe des 3 W (la distance entre les fils doit être 3 fois la largeur d'une seule ligne ou l'espacement entre deux pistes doit être supérieur à 2 fois la largeur d'une seule ligne). Une méthode plus efficace consiste à isoler les fils de la ligne de terre.

(4) L'insertion d'une ligne de terre entre les lignes de signal PCB adjacentes peut également réduire efficacement la diaphonie Capacitive. Ce fil de terre doit être connecté tous les 1 / 4 de longueur d'onde.

(5) le couplage inductif est difficile à supprimer, donc minimiser le nombre de boucles, réduire la zone de boucle et éviter que les boucles de signal partagent le même fil.

(6) les traces de couche de signal de deux couches adjacentes doivent être verticales, en évitant autant que possible les traces parallèles afin de réduire la diaphonie entre les couches.

(7) la couche superficielle n'a qu'une seule couche de référence et le couplage du câblage de la couche superficielle est plus fort que celui de la couche intermédiaire. Par conséquent, les signaux plus sensibles à la diaphonie doivent être placés sur la couche interne autant que possible.

(8) par terminaison, les extrémités distale et proximale de la ligne de transmission et l'impédance du terminal sont adaptées à la ligne de transmission, ce qui peut réduire considérablement les interférences diaphoniques et réfléchissantes.

3.2 analyse de la réflexion

Lorsqu'un signal se propage sur une ligne de transmission, une réflexion se produit chaque fois qu'un changement d'impédance est rencontré. La principale façon de résoudre les problèmes de réflexion est de faire une adaptation d'impédance terminale.

3.2.1 stratégies typiques de terminaison des lignes de transmission

Dans les systèmes numériques à grande vitesse, la désadaptation d'impédance sur la ligne de transmission provoque une réflexion du signal. La méthode de réduction et d'élimination de la réflexion consiste à adapter l'impédance d'extrémité à l'extrémité d'émission ou à l'extrémité de réception, en fonction de l'impédance caractéristique de la ligne de transmission, de sorte que le coefficient de réflexion de la source ou de la charge soit O. la technique de terminaison doit être utilisée Si la longueur de la ligne de transmission satisfait aux conditions suivantes:

L > tr / 2 tonnes / jour. Dans la formule, l est la longueur de la ligne de transmission; Tr est le temps de montée du signal source; TPD est le délai de transmission de la charge par unité de longueur sur la ligne de transmission.

La terminaison d'une ligne de transmission PCB utilise généralement deux stratégies: adapter l'impédance de la charge à celle de la ligne de transmission, c'est - à - dire la terminaison en parallèle; Adapter l'impédance de la source à celle de la ligne de transmission, c'est - à - dire du terminal série.

(1) terminaison parallèle

La terminaison en parallèle consiste principalement à connecter l'impédance pull - up ou pull - down le plus près possible de l'extrémité de la charge pour permettre l'adaptation d'impédance des bornes. Selon les différents environnements applicatifs, les terminaisons parallèles peuvent être classées en plusieurs types, comme illustré sur la figure 2.

(2) TERMINAL série

La terminaison série est réalisée en insérant une résistance dans la ligne de transmission la plus proche possible de l'alimentation. La terminaison série est effectuée pour adapter l'impédance de la source du signal. La résistance de la résistance série insérée plus l'impédance de sortie de la source d'entraînement doit être supérieure ou égale à l'impédance de la ligne de transmission.

Cette stratégie inhibe le signal réfléchi par la charge (entrée de Haute impédance à la fin de la charge sans absorption d'énergie) en rendant le coefficient de réflexion de la source nul, puis réfléchi de la source vers la fin de la charge.

3.2.2 techniques de terminaison des différentes unités de traitement

Les solutions techniques d'adaptation d'impédance et de terminaison varient en fonction de la longueur d'interconnexion et de la série de dispositifs logiques dans le circuit. Ce n'est que dans des cas spécifiques qu'une méthode de terminaison correcte et appropriée peut être utilisée pour réduire efficacement la réflexion du signal.

D'une manière générale, pour une source pilotée par un procédé CMOS, sa valeur d'impédance de sortie est relativement stable, proche de celle de la ligne de transmission, de sorte que l'utilisation de la technologie de terminaison série pour un dispositif CMOS donne de meilleurs résultats; Alors que le processus TTL pilote la source pour que l'impédance de sortie soit différente lorsque la logique de sortie est haute et basse.

À ce stade, l'utilisation du schéma parallèle de terminaison Thevenin est une meilleure stratégie; Les dispositifs ECL ont généralement une très faible impédance de sortie. Le circuit ECL utilise donc une résistance de terminaison pull - down en réception du circuit ECL pour absorber l'énergie. Technologie terminale universelle.

Bien entendu, la méthode décrite ci - dessus n'est pas absolue. Les différences de circuits spécifiques, le choix de la topologie du réseau et le nombre de charges à la réception sont tous des facteurs qui peuvent influencer la politique de terminaison. Ainsi, lors de la mise en oeuvre d'un plan de terminaison de circuit dans un circuit à grande vitesse, il est nécessaire de choisir un schéma de terminaison approprié en fonction de la situation pour obtenir les meilleurs résultats de terminaison.

4. Analyse et modélisation de l'intégrité du signal

La modélisation et la simulation rationnelles des circuits sont les solutions d'intégrité du signal les plus courantes. Dans la conception de circuits à grande vitesse, l'analyse de simulation montre de plus en plus d'avantages. Il fournit aux concepteurs des résultats de conception précis et intuitifs qui facilitent la détection précoce des problèmes et leur modification rapide, réduisant ainsi le temps de conception et les coûts de conception. Il existe trois modèles couramment utilisés: le modèle spice, le modèle Ibis et le modèle verilog - a.

Spice est un simulateur de circuit analogique puissant et universel. Il se compose de deux parties: les équations du modèle et les paramètres du modèle.

Grâce aux équations du modèle fournies, le modèle Spice peut être étroitement lié à l'algorithme du simulateur, ce qui permet d'obtenir une meilleure efficacité analytique et des résultats d'analyse améliorés; Le modèle Ibis est spécialisé dans les modèles d'analyse de l'intégrité du signal numérique au niveau de la carte PCB et du système.

Il utilise la forme de tables I / V et V / t pour décrire les caractéristiques des cellules E / s et des broches de circuits intégrés numériques. La précision analytique du modèle Ibis dépend principalement du nombre de points de données et de la précision des données dans les tableaux 1 / V et V / t. Le volume de calcul du modèle Ibis est faible par rapport au modèle spice.

5. Vérification par simulation

Un example de circuit d'un émetteur - récepteur asynchrone est utilisé pour afficher les résultats. Dans un environnement analogique, le signal d'excitation est réglé sur 50ns, l'alimentation est réglée sur 5V et les autres paramètres sont définis par défaut. Les broches U3 - 5 du réseau rtsb ont été simulées. La situation simulée est illustrée à la figure 3:

La courbe a est la forme d'onde du signal avant terminaison, on voit qu'il y a une forte réflexion du signal; Les courbes B et C sont des formes d'onde du signal après la résistance de fin de masse, la valeur de la résistance de fin étant différente; La courbe D est la forme d'onde du signal après la terminaison de Thevenin. On voit sur la figure que la résistance de terminaison permet essentiellement d'éliminer la réflexion. L'inconvénient est qu'une résistance de terminaison à la masse provoque une chute de la tension de niveau haut de la masse, tandis qu'une résistance de terminaison à l'alimentation provoque une montée du niveau bas de l'alimentation.

Basé sur le développement continu de la technologie microélectronique, l'utilisation de dispositifs à grande vitesse et la conception de systèmes numériques à grande vitesse sont de plus en plus nombreuses. Le débit de données du système, le taux d'horloge et la densité de PCB continuent d'augmenter, et les exigences de conception pour les cartes PCB sont de plus en plus élevées. C'est une question d'intégrité du signal.

Afin d'assurer une bonne intégrité du signal du PCB, il est nécessaire de synthétiser divers facteurs d'influence, de rationaliser la disposition et le câblage, améliorant ainsi les performances du produit.