Progettazione PCB - Quali sono le precauzioni per la progettazione PCB ad alta velocità

(1) Determinazione dei segnali ad alta velocità

Il ritardo per pollice unitario sul PCB è di 0,167ns. Tuttavia, se ci sono molti vias, molti pin del dispositivo e molti vincoli impostati sul cavo di rete, il ritardo aumenterà. Generalmente, il tempo di aumento del segnale dei dispositivi logici ad alta velocità è di circa 0,2ns. Se ci sono chip GaAs sulla scheda, la lunghezza massima del cablaggio è 7,62mm.

Che Tr sia il tempo di aumento del segnale e Tpd sia il ritardo di propagazione della linea del segnale. Se Tr⥠4Tpd, il segnale cade in una zona sicura. Se 2Tpdâ Ÿ¥ Trâ Ÿ¥ 4Tpd, il segnale cade nella regione di incertezza. Se Tr⤠2Tpd, il segnale cade nell'area problematica. Per i segnali che cadono in aree incerte e aree problematiche, dovrebbero essere utilizzati metodi di cablaggio ad alta velocità.

(2) Effetto della linea di trasmissione

Sulla base del modello di linea di trasmissione sopra definito, per riassumere, la linea di trasmissione porterà i seguenti effetti all'intera progettazione del circuito.

2.1 Segnale riflesso

Se una traccia non è terminata correttamente (corrispondenza terminale), l'impulso del segnale dall'estremità motrice viene riflesso all'estremità ricevente, causando effetti inaspettati e distorcendo il profilo del segnale. Quando la distorsione è molto significativa, può causare una varietà di errori e causare errori di progettazione. Allo stesso tempo, aumenta la suscettibilità di segnali distorti al rumore, che può anche causare guasti di progettazione. Se la situazione di cui sopra non è considerata sufficiente, EMI aumenterà significativamente, il che non solo influenzerà i risultati della propria progettazione, ma causerà anche il guasto dell'intero sistema. Le ragioni principali dei segnali riflessi sono: tracce troppo lunghe; linee di trasmissione che non sono terminate da corrispondenza, capacità o induttanza eccessiva e disallineamento di impedenza.

2.2 Errori di ritardo e tempistica

Il ritardo del segnale e gli errori di temporizzazione si manifestano come: il segnale non salta per un periodo di tempo in cui il segnale cambia tra le soglie alte e basse del livello logico. Un ritardo eccessivo del segnale può causare errori di temporizzazione e confusione delle funzioni del dispositivo. I problemi di solito sorgono quando ci sono più ricevitori. Il progettista del circuito deve determinare il ritardo di tempo peggiore per garantire la correttezza del progetto. Il motivo del ritardo del segnale: il driver è sovraccarico e il cablaggio è troppo lungo.

2.3 Più volte di superamento della soglia di livello logico errore

Il segnale può superare la soglia del livello logico molte volte durante il processo di transizione, il che porta a questo tipo di errore. L'errore di attraversare la soglia del livello logico più volte è una forma speciale di oscillazione del segnale, cioè, l'oscillazione del segnale avviene vicino alla soglia del livello logico e multipli che attraversano la soglia del livello logico causeranno il disturbo della funzione logica. Cause dei segnali riflessi: tracce lunghe, linee di trasmissione non definite, capacità o induttanza eccessiva e disallineamento di impedenza.

2.4 Sovraccarico e sottotiro

Overshoot e undershoot provengono da due motivi: la traccia è troppo lunga o il segnale cambia troppo velocemente. Sebbene la maggior parte delle estremità riceventi dei componenti sia protetta da diodi di protezione in ingresso, a volte questi livelli di overshoot supereranno di gran lunga la gamma di tensione di alimentazione dei componenti e danneggeranno i componenti.

(3) Metodi per evitare effetti sulle linee di trasmissione

Considerate le influenze introdotte dai problemi della linea di trasmissione di cui sopra, parliamo dei metodi per controllare queste influenze dai seguenti aspetti.

3.1 Controllare rigorosamente la lunghezza dei cavi di rete chiave

Se c'è un bordo di transizione ad alta velocità nella progettazione, deve essere considerato il problema dell'effetto della linea di trasmissione sul PCB. I circuiti integrati veloci con frequenze di clock molto alte che sono comunemente utilizzati al giorno d'oggi hanno tali problemi. Ci sono alcuni principi di base per risolvere questo problema: se i circuiti CMOS o TTL sono utilizzati per la progettazione, la frequenza di funzionamento è inferiore a 10MHz e la lunghezza del cablaggio non dovrebbe essere superiore a 7 pollici. La lunghezza del cablaggio non dovrebbe essere superiore a 1,5 pollici a 50MHz. Se la frequenza di funzionamento raggiunge o supera 75MHz, la lunghezza del cablaggio dovrebbe essere di 1 pollice. La lunghezza massima del cablaggio per i chip GaAs dovrebbe essere di 0,3 pollici. Se questo standard viene superato, ci saranno problemi di linea di trasmissione.

3.2 Pianificare ragionevolmente la struttura topologica del cablaggio

Un altro modo per risolvere l'effetto della linea di trasmissione è selezionare il percorso di cablaggio corretto e la topologia del terminale. La struttura topologica del cablaggio si riferisce alla sequenza di cablaggio e alla struttura di cablaggio di un cavo di rete. Quando si utilizzano dispositivi logici ad alta velocità, a meno che la lunghezza del ramo di traccia non sia mantenuta breve, i segnali con bordi che cambiano rapidamente saranno distorti dalle tracce di ramo sulla traccia del tronco del segnale. In circostanze normali, il routing PCB utilizza due topologie di base, vale a dire Daisy Chain routing e Star distribution.

Per il cablaggio a catena a margherita, il cablaggio parte dall'estremità di azionamento e raggiunge ogni estremità di ricezione a turno. Se si utilizza una resistenza di serie per modificare le caratteristiche del segnale, la posizione della resistenza di serie dovrebbe essere vicina all'estremità dell'azionamento. In termini di controllo dell'interferenza armonica di alto ordine del cablaggio, il cablaggio a catena margherita ha l'effetto migliore. Tuttavia, questo metodo di cablaggio ha il tasso di distribuzione più basso e non è facile distribuire al 100%. Nella progettazione effettiva, rendiamo la lunghezza del ramo nel cablaggio della catena a margherita il più breve possibile. Il valore di lunghezza sicura dovrebbe essere: Stub Delay <= Trt *0.1.

La struttura della topologia a stella può efficacemente evitare il problema asincrono del segnale dell'orologio, ma è molto difficile completare manualmente il cablaggio sulla scheda PCB ad alta densità. Utilizzare un router automatico è il modo migliore per completare il cablaggio a stella. Le resistenze di terminazione sono richieste su ogni ramo. La resistenza della resistenza terminale deve corrispondere all'impedenza caratteristica del collegamento. Questo può essere calcolato manualmente o con strumenti CAD per calcolare il valore di impedenza caratteristica e il valore di resistenza corrispondente al terminale.

Il terminale di corrispondenza della resistenza di serie non produrrà consumo energetico aggiuntivo, ma rallenterà la trasmissione del segnale. Questo metodo è utilizzato per i circuiti di azionamento bus in cui il ritardo di tempo ha poco effetto. Il vantaggio del terminale di corrispondenza della resistenza di serie è che può ridurre il numero di dispositivi di bordo e la densità del cablaggio.

L'ultimo metodo è quello di separare il terminale corrispondente. In questo modo, il componente corrispondente deve essere posizionato vicino all'estremità ricevente. Il vantaggio è che non tirerà giù il segnale e il rumore può essere evitato molto bene. Tipicamente utilizzato per segnali di ingresso TTL (ACT, HCT, FAST).

Inoltre, devono essere presi in considerazione anche il tipo di pacchetto e il tipo di installazione della resistenza corrispondente del terminale. Generalmente, le resistenze di montaggio superficiale SMD hanno induttanza inferiore rispetto ai componenti passanti, quindi i componenti confezionati SMD diventano la prima scelta. Se si scelgono resistenze in linea ordinarie, ci sono anche due opzioni per l'installazione: verticale e orizzontale.

Nella modalità di installazione verticale, un perno di montaggio della resistenza è molto corto, che può ridurre la resistenza termica tra la resistenza e il circuito stampato, in modo che il calore della resistenza possa essere dissipato più facilmente nell'aria. Ma un'installazione verticale più lunga aumenterà l'induttanza della resistenza. L'installazione orizzontale ha induttanza inferiore a causa della minore installazione. Tuttavia, la resistenza surriscaldata andrà alla deriva. Nel peggiore dei casi, la resistenza diventerà un circuito aperto, causando l'errore di corrispondenza della terminazione della traccia PCB e diventando un potenziale fattore di guasto.

3.3 Metodi per sopprimere le interferenze elettromagnetiche

Una buona soluzione al problema dell'integrità del segnale migliorerà la compatibilità elettromagnetica (EMC) della scheda PCB. Uno dei punti molto importanti è garantire che la scheda PCB abbia una buona messa a terra. È molto efficace utilizzare uno strato di segnale con uno strato di terra per progetti complessi. Inoltre, ridurre al minimo la densità del segnale dello strato più esterno del circuito stampato è anche un buon modo per ridurre la radiazione elettromagnetica. Questo metodo può essere realizzato utilizzando la tecnologia "strato di superficie" di progettazione "Build-up" e produzione PCB. Lo strato superficiale è realizzato aggiungendo una combinazione di un sottile strato isolante e micro-fori utilizzati per penetrare questi strati su un PCB di processo comune. La resistenza e la capacità possono essere sepolte sotto lo strato superficiale e la densità di traccia per unità di area sarà quasi raddoppiata. Ridurre le dimensioni del PCB. La riduzione dell'area PCB ha un impatto enorme sulla topologia della traccia, il che significa che il ciclo corrente è ridotto, la lunghezza della traccia del ramo è ridotta e la radiazione elettromagnetica è approssimativamente proporzionale all'area del ciclo corrente; Allo stesso tempo, la caratteristica di piccole dimensioni significa che è possibile utilizzare dispositivi confezionati con piede, che a sua volta riduce la lunghezza del filo, riducendo così il ciclo di corrente e migliorando le caratteristiche di compatibilità elettromagnetica.

In sintesi, quanto sopra è la progettazione di circuiti stampati ad alta velocità.