Progettazione PCB - Competenze di cablaggio per circuiti ad alta frequenza

(1) Competenze di cablaggio per circuiti ad alta frequenza

I circuiti ad alta frequenza tendono ad avere alta integrazione e alta densità di cablaggio. L'uso di schede multistrato non è solo necessario per il cablaggio, ma anche un mezzo efficace per ridurre le interferenze.

Meno il piombo si piega tra i pin dei dispositivi a circuito ad alta frequenza, meglio è. Il cavo di piombo del cablaggio del circuito ad alta frequenza è meglio adottare una linea retta completa, che deve essere girata. Può essere girato da 45° linea rotta o arco circolare. Questo requisito è utilizzato solo per migliorare la resistenza di fissaggio del foglio di rame nei circuiti a bassa frequenza, mentre nei circuiti ad alta frequenza, questo è soddisfatto. Un requisito può ridurre l'emissione esterna e l'accoppiamento reciproco dei segnali ad alta frequenza.

Più breve è il cavo del pin del dispositivo del circuito ad alta frequenza, meglio è.

Meno strati di piombo dei pin del dispositivo ad alta frequenza si alternano, meglio è. Cioè, meno vias (Via) utilizzati nel processo di connessione dei componenti, meglio è. Si misura che uno via può portare circa 0.5pF capacità distribuita e ridurre il numero di vias può aumentare significativamente la velocità.

Per il cablaggio di circuiti ad alta frequenza, prestare attenzione al crosstalk introdotto dalle linee di segnale in un routing parallelo stretto. Se la distribuzione parallela non può essere evitata, una grande area può essere disposta sul lato opposto delle linee di segnale parallele per ridurre notevolmente le interferenze. È quasi inevitabile correre orizzontalmente nello stesso strato, ma le direzioni dei due strati adiacenti devono essere perpendicolari l'uno all'altro.

Almeno un condensatore di disaccoppiamento ad alta frequenza dovrebbe essere impostato vicino a ciascun blocco di circuito integrato (IC) e il condensatore di disaccoppiamento dovrebbe essere il più vicino possibile alla Vcc del dispositivo.

Quando il cavo di terra analogico (AGND), il cavo di terra digitale (DGND), ecc. sono collegati al cavo di terra pubblico, dovrebbe essere utilizzato il choke ad alta frequenza. Nell'assemblaggio effettivo del collegamento di strozzatura ad alta frequenza, viene spesso utilizzata la perla di ferrite ad alta frequenza con un filo al centro. Può essere utilizzato come induttore nello schema schematico e un pacchetto di componenti e cablaggio sono definiti separatamente per esso nella libreria di componenti PCB. Spostarlo manualmente in una posizione appropriata vicino alla linea di terra comune.

(2) Metodo di progettazione di compatibilità elettromagnetica (EMC) in PCB

La scelta del materiale di base PCB e l'impostazione del numero di strati PCB, la selezione dei componenti elettronici e le caratteristiche elettromagnetiche dei componenti elettronici, il layout dei componenti, la lunghezza e la larghezza delle linee di interconnessione tra i componenti, ecc. limitano la compatibilità elettromagnetica del PCB. Il circuito integrato (IC) sul PCB è la principale fonte di energia di interferenza elettromagnetica (EMI).

1. regole di cablaggio nella progettazione di compatibilità elettromagnetica (EMC) del circuito digitale ad alta frequenza PCB

I cavi di segnale digitale ad alta frequenza dovrebbero essere corti, generalmente più piccoli di 2inch (5cm), e più corti, meglio è.

Le linee di segnale principali sono meglio concentrate al centro della scheda PCB.

Il circuito di generazione dell'orologio dovrebbe essere vicino al centro della scheda PCB e la ventola dell'orologio dovrebbe essere cablata in catena a margherita o parallela.

La linea di alimentazione deve essere il più lontano possibile dalla linea di segnale digitale ad alta frequenza o separata dalla linea di terra. La distribuzione dell'alimentatore deve essere bassa induttanza (progettazione multicanale). Lo strato di potenza nel PCB multistrato è adiacente allo strato di terra, che è equivalente a un condensatore, che svolge un ruolo filtrante. La linea elettrica e la linea di terra sullo stesso strato dovrebbero essere il più vicino possibile. La lamina di rame intorno allo strato di potenza dovrebbe essere ritratta 20 volte la distanza tra i due strati piani rispetto allo strato di terra per garantire che il sistema abbia migliori prestazioni EMC. Il piano di terra non deve essere diviso. Se la linea del segnale ad alta velocità deve essere divisa sul piano di potenza, diversi condensatori a ponte a bassa impedenza dovrebbero essere posizionati vicino alla linea del segnale.

I cavi utilizzati per i terminali di ingresso e uscita dovrebbero cercare di evitare di essere adiacenti e paralleli. È meglio aggiungere fili di terra tra i fili per evitare l'accoppiamento di feedback.

Quando lo spessore del foglio di rame è 50um e la larghezza è 1-1.5mm, la temperatura del filo sarà inferiore a 3 gradi Celsius attraverso una corrente di 2A. Per quanto possibile, i fili della scheda PCB dovrebbero essere il più ampio possibile. Per i circuiti integrati, in particolare i cavi di segnale dei circuiti digitali, solitamente 4mil-12mil larghezza del cavo è utilizzata. I cavi di alimentazione e di massa sono meglio usare una larghezza del cavo superiore a 40mil. La distanza minima dei fili è determinata principalmente dalla resistenza di isolamento e dalla tensione di rottura tra i fili nel peggiore dei casi, di solito viene selezionata una distanza del filo di oltre 4mil. Al fine di ridurre la conversazione incrociata tra i fili, la distanza tra i fili può essere aumentata se necessario e il filo di terra può essere inserito come isolamento tra i fili.

In tutti gli strati del PCB, i segnali digitali possono essere instradati solo nella parte digitale del circuito stampato e i segnali analogici possono essere instradati solo nella parte analogica del circuito stampato. La terra del circuito a bassa frequenza dovrebbe essere messa a terra in parallelo in un unico punto il più possibile. Quando il cablaggio effettivo è difficile, può essere parzialmente collegato in serie e quindi messo a terra in parallelo. Per realizzare la divisione degli alimentatori analogici e digitali, il cablaggio non può attraversare il divario tra gli alimentatori divisi. La linea di segnale che deve attraversare lo spazio tra gli alimentatori divisi dovrebbe essere posizionata sullo strato di cablaggio vicino al terreno di grande area.

Ci sono due problemi principali di compatibilità elettromagnetica causati dall'alimentazione elettrica e dalla terra in PCB, uno è il rumore di alimentazione e l'altro è il rumore di terra. Secondo le dimensioni della corrente della scheda PCB, cercare di allargare la larghezza della linea elettrica e ridurre la resistenza del ciclo. Allo stesso tempo, rendere la direzione della linea elettrica e della linea di terra coerente con la direzione della trasmissione dei dati, che aiuta a migliorare la capacità anti-rumore. Attualmente, il rumore dell'alimentazione elettrica e del piano di terra può essere impostato al valore predefinito solo attraverso la misurazione di prodotti prototipo o la capacità di disaccoppiamento condensatore da parte di ingegneri esperti sulla base della loro esperienza.

2. Regole di layout nella progettazione di compatibilità elettromagnetica (EMC) del circuito digitale ad alta frequenza PCB

Il layout del circuito deve ridurre il ciclo di corrente e accorciare il più possibile la connessione tra componenti ad alta frequenza. La distanza tra i componenti sensibili non dovrebbe essere troppo vicina e i componenti in ingresso e in uscita dovrebbero essere il più lontano possibile.

Disporre la posizione di ogni unità di circuito funzionale in base al flusso del circuito, in modo che il layout sia conveniente per la circolazione del segnale e il segnale sia mantenuto nella stessa direzione possibile.

Prendete il componente principale di ogni circuito funzionale come centro e disponetevi intorno ad esso. I componenti dovrebbero essere disposti uniformemente, ordinatamente e compattamente sul PCB e le connessioni di piombo tra i componenti dovrebbero essere accorciate il più possibile.

Il PCB è diviso in aree indipendenti e ragionevoli del circuito analogico e aree del circuito digitale e i convertitori A/D sono posizionati attraverso le partizioni.

Uno dei metodi convenzionali di progettazione di compatibilità elettromagnetica PCB è quello di configurare condensatori di disaccoppiamento appropriati su ogni parte chiave del PCB.

(Tre), analisi dell'integrità del segnale (SI)

L'integrità del segnale (Signal Integrity) indicata come SI, si riferisce alla qualità del segnale sulla linea del segnale e alla capacità del segnale di rispondere con la corretta temporizzazione e tensione nel circuito.

L'alta velocità di commutazione dei chip a circuito integrato (IC) o dei dispositivi logici, la disposizione errata dei componenti di terminazione o il cablaggio errato dei segnali ad alta velocità possono causare come riflessione, crosstalk, overshoot e undershoot. Problemi di integrità del segnale come sottoshoot) e squillo (squillo) possono causare l'uscita di dati errati e il circuito potrebbe non funzionare correttamente o addirittura non funzionare affatto.

Integrità e progettazione del segnale PCB

Nella progettazione PCB, i progettisti PCB devono integrare il layout e il cablaggio dei componenti e quali metodi di risoluzione dei problemi SI dovrebbero essere utilizzati in ogni caso per risolvere meglio il problema di integrità del segnale della scheda PCB. In alcuni casi, la scelta del IC può determinare il numero e la gravità dei problemi SI. Tempo di commutazione o velocità di bordo si riferisce alla velocità di transizione dello stato IC. Più veloce è la velocità di bordo IC, maggiore è la possibilità di problemi SI. È molto importante terminare correttamente il dispositivo.

Il metodo comunemente usato per ridurre i problemi di integrità del segnale nella progettazione PCB è quello di aggiungere componenti di terminazione sulla linea di trasmissione. Nel processo di terminazione, è necessario pesare i requisiti del numero di componenti, della velocità di commutazione del segnale e del consumo energetico del circuito. Ad esempio, l'aggiunta di componenti di terminazione significa che i progettisti di PCB hanno meno spazio per il cablaggio e sarà più difficile aggiungere componenti di terminazione nelle fasi successive del processo di layout, perché lo spazio appropriato deve essere riservato a nuovi componenti e cablaggi. Pertanto, all'inizio del layout PCB, è necessario capire se i componenti di terminazione devono essere posizionati.