Technologie PCB - Conception de bus parallèles et solutions d'interférence pour applications haute fréquence

Dans la conception électronique moderne, la conception de PCB est essentielle et le bus sert de canal clé pour la communication entre divers appareils, fournissant une base pour la performance et l'efficacité de la conception de PCB. Cet article explorera en profondeur les caractéristiques, les avantages et les inconvénients et les scénarios d'application des bus parallèles et série dans la conception de PCB à grande vitesse pour aider les ingénieurs de conception à mieux comprendre et choisir le type de bus approprié.

Un bus est un chemin physique partagé de communication entre deux ou plusieurs dispositifs, un ensemble de lignes de signal et un lien commun entre plusieurs composants pour transmettre des informations entre eux. Selon leur mode de fonctionnement, les bus sont principalement de deux types: parallèle et série.

Le bus parallèle est conçu pour permettre la transmission simultanée de plusieurs bits de données. Cette structure de bus est similaire à une route spacieuse pouvant accueillir plusieurs véhicules circulant simultanément et est généralement utilisée dans des situations où la transmission de données est plus exigeante. L'avantage d'un bus parallèle est la rapidité de transmission des données car plusieurs signaux peuvent être transmis simultanément. Cependant, à mesure que les taux de transmission de données augmentent, des problèmes d'intégrité du signal et d'interférence surviennent. Les connexions de bus parallèles nécessitent plus de lignes de signal, ce qui entraîne une complexité de conception accrue et, en fonctionnement à haute fréquence, les problèmes de diaphonie et de latence entre les signaux ne peuvent être ignorés.

Contrairement aux bus parallèles, les bus série transmettent les données les unes après les autres dans l'ordre des bits. Les signaux série utilisent généralement moins de lignes de signal, ce qui rend le câblage plus simple et plus clair. Comme la transmission de données ne nécessite qu'un ou plusieurs fils, le bus série est particulièrement important pour réduire l'espace occupé sur le PCB et réduire la complexité du produit fini.

Les bus série sont généralement plus résistants aux interférences, en particulier dans le cas de l'utilisation de signaux différentiels, où chaque paire de lignes différentielles est composée d'un pôle positif et d'un pôle négatif, ce qui améliore l'intégrité du signal. Bien que le bus série transmette moins de bits par unité de temps, des débits de données plus élevés peuvent être atteints en utilisant des débits de propagation plus élevés.

Le bus parallèle convient aux applications nécessitant une bande passante élevée et une faible latence. Les applications courantes incluent le transfert de données au sein d'un ordinateur et la connexion de périphériques hautes performances tels que des cartes graphiques. Les bus parallèles sont capables de transmettre simultanément plusieurs bits de données, ce qui leur confère un avantage significatif lors du traitement de grandes quantités de données. Par exemple, les bus informatiques traditionnels tels que PCI et pcie utilisent le parallélisme pour le transfert rapide de données. Cependant, à des fréquences de fonctionnement élevées, de graves interférences peuvent survenir entre les lignes de signaux parallèles, de sorte que les concepteurs doivent tenir compte du maintien de l'intégrité du signal et de la gestion des interférences lors de l'utilisation de bus parallèles. Des techniques de câblage et de régulation du signal appropriées peuvent réduire efficacement l'impact de ces problèmes.

Par rapport aux bus parallèles, les bus série fonctionnent mieux pour la transmission de données sur de longues distances et l'échange de données à grande échelle. Le bus série est simple à câbler et peu coûteux, ce qui en fait l'un des principaux choix de communication moderne. Les applications comprennent diverses normes d'interface telles que I2C, SPI et USB, largement utilisées pour la connexion entre capteurs, microcontrôleurs et autres périphériques. La conception du bus série lui confère des avantages en termes d'immunité aux interférences, ce qui le rend adapté aux environnements où les interférences électromagnétiques sont sévères. Par exemple, le bus CAN est un Protocole de communication série couramment utilisé dans les applications automobiles et industrielles, et ses puissants mécanismes de détection des erreurs et de redondance garantissent une transmission fiable des données dans des environnements complexes.

Vous ne pouvez transmettre qu'une seule donnée à la fois, comme une route étroite sur laquelle une seule voiture est autorisée à marcher. Les données doivent être transférées l'une après l'autre et ressemblent à une longue chaîne de données, d'où le nom de "série".

Le meilleur exemple de transmission parallèle est la puce mémoire DDR. Il dispose d'un ensemble de lignes de données d0 - D7, ainsi que dqs et DQM. Cet ensemble de lignes est transmis ensemble. Quel que soit le BIT qui a une erreur, les données ne sont pas transmises correctement. Seulement retransmis. Chaque câble de la ligne de données doit donc être de longueur égale et doit être enroulé plusieurs fois.

Les données série sont différentes. Les données sont transférées une par une et il n'y a pas de connexion entre les bits. Ce BIT n'a pas d'erreur et le BIT suivant ne peut pas être transmis. Les données parallèles sont un ensemble de données dans lequel un bit se trompe et l'ensemble des données ne fonctionnera pas.

Exigences de câblage PCB

Exigences de câblage de bus parallèle:

(1) Il est recommandé que le bus soit mieux câblé à l'intérieur et que la distance entre le bus et les autres câbles soit augmentée autant que possible.

(2) en plus des exigences spéciales, l'impédance de conception à ligne unique est garantie 50 ohms et l'impédance de conception différentielle est garantie 100 ohms.

(3) Il est recommandé que le même ensemble de bus conserve la même longueur de câblage et suive une certaine relation temporelle avec les lignes d'horloge et contrôle la longueur de câblage en se référant aux résultats forts de l'analyse de la séquence.

(4) Il est recommandé d'être aussi proche que possible de l'alimentation E / s ou du plan de référence GNd de cet ensemble de bus pour assurer l'intégrité du plan de référence.

(5) les bus dont le temps de montée est inférieur à 1 NS nécessitent un plan de référence complet et ne doivent pas traverser la subdivision.

(6) les exigences de câblage d'horloge de référence de bus d'adresse inférieure sont recommandées.

(7) Les lignes de serpentin ne doivent pas être espacées de moins de 3 fois la largeur des lignes.

Exigences de câblage de bus série PCB haute vitesse

Pour les bus série avec des fréquences supérieures à 100 Mbps, en plus de suivre les règles générales de commande de diaphonie et de câblage pour les bus parallèles, certaines exigences supplémentaires doivent être prises en compte dans la conception du câblage:

(1) le bus série PCB haute vitesse doit tenir compte des pertes de câblage, déterminer la largeur et la longueur de la ligne.

(2) Il est recommandé que la largeur de la ligne ne soit pas inférieure à 5 Mil dans des conditions normales, le câblage doit être aussi court que possible.

(3) le bus série à grande vitesse ne doit pas être perforé et remplacé, à l'exception du trou traversant éventré.

(4) Lorsque la vitesse des broches d'insertion impliquées dans le bus série est supérieure à 3125 Gbit / s, les Plots d'étanchéité doivent être optimisés pour réduire les effets non radiatifs causés par l'impédance discontinue.

(5) lors du remplacement de la couche de câblage de bus série à grande vitesse, il est recommandé de choisir la couche de câblage avec le plus petit tronc de via. Pour les signaux du connecteur, lorsque l'espace de câblage est limité, une couche de câblage avec de courts troncs traversants est préférentiellement allouée à l'extrémité émettrice.

(6) Il est recommandé de percer un trou de mise à la terre à côté du trou de passage du signal à un débit de 3125 Gbps ou plus, et les condensateurs de couplage AC doivent également être spécialement traités pour éviter les Plots.

(7) Si les Vias de signal à grande vitesse sont traités par contre - perçage, il est nécessaire de prendre en compte les effets de la réduction de la capacité de courant dans le plan de masse de l'alimentation et de l'augmentation de l'inductance de la boucle de filtre après le rétrécissement du goulot d'étranglement du flux.

(8) Le signal à grande vitesse évite la ligne de division de la couche plane et la distance horizontale entre le bord de la ligne de signal et le bord de la ligne de division est garantie à 3 W.

(9) Les signaux bidirectionnels à grande vitesse ne doivent pas être croisés et routés.