Progettazione PCB - Percorso del backflow PCB del circuito ad alta velocità

1. Concetti di base di reflusso

Il principio del diagramma del circuito stampato digitale, la trasmissione dei segnali digitali da un cancello logico ad un altro cancello logico, il segnale attraverso un cavo dal terminale di uscita al ricevitore, sembra essere un flusso unidirezionale, molti ingegneri digitali quindi credono che i circuiti loop non siano correlati, dopotutto, driver e ricevitore del dispositivo sono specificati come la modalità di tensione, perché considerare anche attuale! Infatti, la teoria di base del circuito ci dice che il segnale è trasmesso dalla corrente elettrica, nello specifico, è il movimento dell'elettronica, flusso elettronico è una delle caratteristiche dell'elettronica non rimanere mai da nessuna parte, ovunque il flusso di corrente è destinato a tornare, quindi corrente scorre sempre nel loop, circuiti di segnali arbitrari sotto forma di un ciclo chiuso. Per la trasmissione del segnale ad alta frequenza, è in realtà il processo di ricarica del condensatore dielettrico inserito tra la linea di trasmissione e lo strato DC.

2. Effetto del backflow

Il backflow è solitamente realizzato nei circuiti digitali per mezzo del piano di terra e di potenza. Il percorso di backflow del segnale ad alta frequenza e del segnale a bassa frequenza è diverso. Il backflow del segnale a bassa frequenza seleziona il percorso di impedenza e il backflow del segnale ad alta frequenza seleziona il percorso di reazione induttiva.

Quando la corrente scorre dal driver del segnale attraverso la linea del segnale e all'estremità ricevente del segnale, c'è sempre una corrente di ritorno nella direzione opposta: dal perno di terra del carico, attraverso il piano rivestito di rame, alla sorgente del segnale e la corrente che scorre attraverso la linea del segnale per formare un ciclo chiuso. La frequenza del rumore causata dalla corrente che scorre attraverso il piano rivestito di rame è equivalente alla frequenza del segnale e più alta è la frequenza del segnale, maggiore è la frequenza del rumore. Il gate logico non risponde al segnale di ingresso, ma alla differenza tra il segnale di ingresso e il pin di riferimento. Un circuito chiuso a punto singolo risponde alla differenza tra il segnale in ingresso e il suo piano di riferimento logico, quindi i disturbi nel piano di riferimento a terra sono altrettanto importanti quanto i disturbi nel percorso del segnale. Cancelli logici e pin di riferimento designati per rispondere, non sappiamo quale è specificato dal pin di riferimento (per TTL, è solitamente un potere negativo, per ECL è solitamente positivo, ma non tutto), in termini di natura, la capacità anti-interferenza del segnale differenziale del rumore casuale e del piano scorrevole di potenza ha un buon effetto.

Quando la scheda PCB di molti commutatori sincroni del segnale digitale (come bus dati della CPU, bus di indirizzo, ecc.), che solleva

il flusso di corrente di carico transitorio dal circuito di alimentazione o dal circuito a terra, perché il cavo di alimentazione e sull'impedenza di terra, produce il rumore di commutazione simultanea (SSN), a terra ci sarà rumore di rimbalzo del piano di terra (per giocare). E quando la linea di alimentazione e la linea di messa a terra sull'area surround della scheda stampata è più grande, la loro energia di radiazione è anche più grande, quindi, analizziamo lo stato di commutazione del chip digitale, adottiamo misure per controllare la modalità backflow, per ridurre l'area surround, lo scopo della radiazione.

Esempio di spiegazione:

IC1 è l'estremità di uscita del segnale, IC2 è l'estremità di ingresso del segnale (per il modello PCB semplificato, si presume che l'estremità ricevente contenga una resistenza sottostante), e il terzo strato è lo strato. La terra di IC1 e IC2 deriva dal terzo orizzonte. L'angolo superiore destro dello strato superiore è un piano di alimentazione collegato al polo positivo dell'alimentazione elettrica. C1 e C2 sono i condensatori di disaccoppiamento di IC1 e IC2, rispettivamente. L'alimentazione elettrica e la messa a terra del chip mostrati nella figura sono sia l'alimentazione elettrica che la terra dei segnali di trasmissione e ricezione.

A bassa frequenza, se il terminale S1 esce ad alto livello, l'intero ciclo corrente è l'alimentazione elettrica attraverso il cavo al piano di alimentazione VCC e poi attraverso il percorso arancione in IC1, e poi fuori dal terminale S1, attraverso il secondo strato di cavo attraverso il terminale R1 in IC2 e poi nello strato GND, attraverso il percorso rosso indietro al terminale negativo di potenza.

Alle alte frequenze, le caratteristiche di distribuzione del PCB possono influenzare notevolmente il segnale. Quello che viene spesso definito backflow è un problema riscontrato frequentemente nei segnali ad alta frequenza. Quando S1 a R1 con il segnale di corrente elettrica crescente, il campo magnetico esterno cambia molto velocemente, può rendere il conduttore vicino all'induzione di una corrente inversa, se il terzo strato del piano di terra è piano completo, allora può produrre linee tratteggiate blu sul piano di terra che etichettano la corrente, se la potenza dello strato superiore ha un piano completo, Ci sarà anche un backflow lungo la linea tratteggiata blu al livello TOP. Ora il loop del segnale ha il loop corrente, l'energia irradiata, la capacità di accoppiare il segnale esterno. (L'effetto della pelle alle alte frequenze irradia anche energia verso l'esterno, e il principio è lo stesso.)

Poiché il livello del segnale ad alta frequenza e la corrente cambiano rapidamente, ma il periodo di cambiamento è breve, l'energia richiesta non è molto grande, quindi il chip è alimentato dal condensatore di disaccoppiamento vicino al chip. Quando C1 è abbastanza grande e la reazione è abbastanza veloce (con un valore ESR molto basso, vengono solitamente utilizzati condensatori ceramici. L'ESR dei condensatori chip è molto più basso dei condensatori al tantalio., il percorso arancione sullo strato superiore e il percorso rosso sullo strato GND possono essere considerati inesistenti. (c'è una corrente corrispondente all'alimentazione di tutta la scheda, ma non la corrente corrispondente al segnale mostrato).

Pertanto, secondo l'ambiente costruito nella figura, l'intero percorso corrente è il seguente: terminale positivo di C1 - VCC della linea di segnale IC1 -S1-L2 -R1- GND di IC2 - attraverso foro - percorso giallo dello strato GND - attraverso foro - condensatore terminale negativo. Come potete vedere, c'è una corrente marrone equivalente nella direzione verticale della corrente, che induce un campo magnetico nel mezzo, e questo toro è anche facilmente accoppiato a interferenze esterne. Se il segnale come mostrato nella figura è un segnale di clock, c'è un gruppo di linee dati a 8 bit in parallelo, alimentate dallo stesso alimentatore dello stesso chip, il percorso corrente di backflow è lo stesso. Se le linee dati vengono capovolte nella stessa direzione allo stesso tempo, una grande corrente inversa può essere indotta sull'orologio, e questa crosstalk può essere fatale per il segnale dell'orologio se le linee dell'orologio non sono ben abbinate. L'intensità del crosstalk non è proporzionale al livello alto o basso della sorgente di interferenza, ma è proporzionale al tasso di cambio corrente della sorgente di interferenza. Per un carico puramente resistivo, la corrente trasversale è proporzionale a dI/dt=dV / (T? 10% - 90% * R). Nella formula, dI/dt (tasso di cambio corrente), dV (ampiezza della sorgente di interferenza) e R (carico della sorgente di interferenza) si riferiscono ai parametri della sorgente di interferenza (per il carico capacitivo, dI/dt è lo stesso di T? 10% al 90% del quadrato è inversamente proporzionale). Si può vedere dalla formula che il crosstalk dei segnali a bassa frequenza non è necessariamente inferiore a quello dei segnali ad alta velocità. Cioè, abbiamo detto: il segnale 1KHz non è necessariamente un segnale a bassa velocità, per considerare la situazione del bordo. Per un segnale con un bordo molto ripido, contiene molte armoniche e ha una grande ampiezza a tutte le ottave. Pertanto, quando si selezionano i dispositivi, dovremmo anche prestare attenzione a non scegliere ciecamente chip con velocità di commutazione veloce, che non solo costerà alto, ma aumenterà anche i problemi di crosstalk e EMC.

Qualsiasi strato di alimentazione adiacente o altra superficie che abbia condensatori appropriati ad entrambe le estremità del segnale per fornire un percorso di bassa reattività al GND può essere utilizzato come superficie di backflow del segnale. Nelle applicazioni comuni, l'alimentazione IO del chip corrispondente al ricetrasmettitore è spesso la stessa e ci sono generalmente condensatori di disaccoppiamento 0.01-0.1uF tra l'alimentazione elettrica e la terra, e questi condensatori sono solo ad entrambe le estremità del segnale, quindi l'effetto di backflow del piano di potenza è secondo solo al piano di terra. Con l'uso di altri piani di potenza per il backflow, spesso non c'è un percorso di bassa reattività a terra ad entrambe le estremità del segnale. In questo modo, la corrente indotta nel piano adiacente troverà il condensatore più vicino e tornerà a terra. Se la "capacità vicina" è lontana dall'inizio o dalla fine, il backflow passerà anche attraverso una "lunga distanza" per formare un percorso completo di backflow, e questo percorso è anche il percorso di backflow dei segnali adiacenti. Lo stesso percorso di backflow ha lo stesso effetto dell'interferenza di terra comune, che equivale a crosstalk tra i segnali.

Per alcune inevitabili spaccature di potenza incrociata, i filtri passa-alto costituiti da condensatori o serie RC possono essere collegati attraverso le spaccature (ad esempio, condensatori della serie 680p di resistenze da 10 ohm, il valore specifico dipende dal loro tipo di segnale, cioè per fornire un percorso di backflow ad alta frequenza, ma anche per isolare la conversazione incrociata a bassa frequenza tra piani reciproci). Questo può comportare l'aggiunta di condensatori tra piani di potenza, che può sembrare comico, ma certamente funziona. Se alcune specifiche non lo consentono, la capacità può essere disegnata a terra separatamente dai due piani nel punto di divisione.

Nel caso di utilizzare altri piani per fare il reflusso, diversi condensatori piccoli possono essere opportunamente aggiunti al suolo ad entrambe le estremità del segnale per fornire un percorso di reflusso. Ma questo è spesso difficile da raggiungere. La maggior parte dello spazio superficiale vicino al terminale è occupato dalla resistenza corrispondente e dal condensatore di disaccoppiamento del chip.

Il rumore di backflow è uno dei principali rumori nel piano di riferimento. Pertanto, è necessario studiare il percorso e l'intervallo di flusso della corrente di ritorno.