Notizie PCB - Come possiamo progettare una scheda PCB perfetta?

Tutti sanno che il layout PCB è quello di trasformare un diagramma di circuito in un circuito stampato reale, ma questo non è un processo semplice. Molte persone in paesi stranieri chiamano arte di progettazione PCB. Non è difficile posare una scheda PCB, ma deve essere fatto bene. Non è un compito facile utilizzare un PCB per realizzare perfettamente le sue funzioni.

Le due principali difficoltà nel campo della microelettronica sono l'elaborazione di segnali ad alta frequenza e segnali deboli. A questo proposito, il livello di produzione di PCB è particolarmente importante. Lo stesso design di principio, gli stessi componenti e PCB prodotti da persone diverse hanno risultati diversi., Quindi come possiamo fare una buona scheda PCB? Sulla base della nostra esperienza passata, vorrei parlare delle mie opinioni sui seguenti aspetti:

Uno: chiari obiettivi di progettazione

Ricevendo un compito di progettazione, dobbiamo prima chiarire i suoi obiettivi di progettazione, se si tratta di una scheda PCB ordinaria, una scheda PCB ad alta frequenza, una scheda PCB di elaborazione del segnale piccola o una scheda PCB con elaborazione del segnale sia ad alta frequenza che piccola. Se si tratta di una scheda PCB ordinaria, fintanto che il layout e il cablaggio sono ragionevoli e ordinati e le dimensioni meccaniche sono accurate, se ci sono linee di carico medie e lunghe linee, alcune misure devono essere utilizzate per ridurre il carico e la lunga linea deve essere rafforzata per guidare e l'attenzione è quella di prevenire riflessi di lunga linea. Quando ci sono linee di segnale superiori a 40 MHz sulla scheda, dovrebbero essere fatte considerazioni particolari a queste linee di segnale, come la crosstalk tra le linee. Se la frequenza è più alta, c'è un limite più stretto sulla lunghezza del cablaggio. Secondo la teoria della rete dei parametri distribuiti, l'interazione tra il circuito ad alta velocità e il suo cablaggio è un fattore decisivo e non può essere ignorata nella progettazione del sistema. Man mano che la velocità di trasmissione del gate aumenta, l'opposizione sulle linee di segnale aumenterà di conseguenza e la crosstalk tra linee di segnale adiacenti aumenterà proporzionalmente. Generalmente, il consumo energetico e la dissipazione del calore dei circuiti ad alta velocità sono anche molto grandi, quindi vengono realizzati PCB ad alta velocità. Occorre prestare sufficiente attenzione.

Quando ci sono segnali deboli a livello di millivolt o anche microvolt sulla scheda, queste linee di segnale richiedono particolare attenzione. I piccoli segnali sono troppo deboli e sono molto suscettibili alle interferenze di altri segnali forti. Le misure di schermatura sono spesso necessarie, altrimenti ridurranno notevolmente il rapporto segnale-rumore. Di conseguenza, il segnale utile è sommerso dal rumore e non può essere estratto efficacemente.

La messa in servizio del consiglio dovrebbe essere presa in considerazione anche nella fase di progettazione. La posizione fisica del punto di prova, l'isolamento del punto di prova e altri fattori non possono essere ignorati, perché alcuni piccoli segnali e segnali ad alta frequenza non possono essere aggiunti direttamente alla sonda per la misurazione.

Inoltre, andrebbero presi in considerazione altri fattori rilevanti, come il numero di strati della scheda, la forma del pacchetto dei componenti utilizzati e la resistenza meccanica della scheda. Prima di realizzare una scheda PCB, è necessario avere una buona idea degli obiettivi di progettazione per la progettazione.

due. Comprendere i requisiti di layout e routing delle funzioni dei componenti utilizzati

Sappiamo che alcuni componenti speciali hanno particolari requisiti nel layout e nel routing, come l'amplificatore di segnale analogico utilizzato da LOTI e APH. L'amplificatore di segnale analogico richiede un alimentatore stabile e un piccolo ripple. Tenere la parte del piccolo segnale analogico il più lontano possibile dal dispositivo di alimentazione. Sulla scheda OTI, la piccola parte di amplificazione del segnale è anche appositamente attrezzata con una copertura di schermatura per schermare le interferenze elettromagnetiche randagi. Il chip GLINK utilizzato sulla scheda NTOI utilizza la tecnologia ECL, che consuma molta energia e genera calore. Particolare attenzione deve essere data al problema della dissipazione del calore nel layout. Se si utilizza una dissipazione naturale del calore, il chip GLINK deve essere posizionato in un luogo con una circolazione dell'aria relativamente regolare., E il calore irradiato non può avere un grande impatto su altri chip. Se la scheda è dotata di altoparlanti o altri dispositivi ad alta potenza, può causare un grave inquinamento all'alimentazione elettrica. Anche a questo punto va prestata sufficiente attenzione.

Tre. Considerazioni relative al layout dei componenti

Il primo fattore che deve essere considerato nella disposizione dei componenti è la prestazione elettrica. Mettere insieme il più possibile componenti strettamente connessi, specialmente per alcune linee ad alta velocità, rendendoli il più brevi possibile quando si distribuiscono segnali di potenza e piccoli dispositivi di segnale. Essere separati. Sulla premessa di soddisfare le prestazioni del circuito, i componenti devono essere posizionati ordinatamente e splendidamente e facili da testare. Anche le dimensioni meccaniche della scheda e la posizione della presa devono essere attentamente considerate.

Il tempo di messa a terra e il ritardo di trasmissione sulla linea di interconnessione nel sistema ad alta velocità sono anche i primi fattori da considerare nella progettazione del sistema. Il tempo di trasmissione sulla linea di segnale ha una grande influenza sulla velocità complessiva del sistema, specialmente per i circuiti ECL ad alta velocità. Anche se il blocco del circuito integrato stesso è molto veloce, è dovuto all'uso di linee di interconnessione ordinarie sul piano posteriore (la lunghezza di ogni linea di 30 cm è circa La quantità di ritardo di 2ns) aumenta il tempo di ritardo, che può ridurre notevolmente la velocità del sistema. Le parti di lavoro sincrone come i registri dei turni e i contatori sincroni sono posizionati meglio sulla stessa scheda plug-in, perché gli orologi su schede plug-in diverse Il tempo di ritardo della trasmissione del segnale non è uguale, il che può causare il registro di turno a produrre un errore grave. Se non può essere posizionato su una scheda, la lunghezza della linea dell'orologio dalla sorgente comune dell'orologio a ogni scheda plug-in deve essere uguale dove la sincronizzazione è la chiave.

In quarto luogo, la considerazione del cablaggio

Con il completamento della progettazione di OTNI e della rete in fibra ottica stellare, ci saranno più schede con linee di segnale ad alta velocità superiori a 100MHz che dovranno essere progettate in futuro. Qui verranno introdotti alcuni concetti di base delle linee ad alta velocità.

1. Linea di trasmissione

Qualsiasi percorso di segnale "lungo" sul circuito stampato può essere considerato come una sorta di linea di trasmissione. Se il tempo di ritardo di trasmissione della linea è molto più breve del tempo di aumento del segnale, i riflessi principali prodotti durante il periodo di aumento del segnale saranno sommersi. Sovraccarico, rinculo e squillo non sono più presenti. Per la maggior parte dei circuiti MOS correnti, dal momento che il rapporto tra tempo di salita e tempo di ritardo di trasmissione della linea è molto più grande, la traccia può essere lunga quanto i metri senza distorsione del segnale. Per circuiti logici più veloci, in particolare ECL ad altissima velocità.

Per i circuiti integrati, a causa dell'aumento della velocità del bordo, se non vengono adottate altre misure, la lunghezza della traccia deve essere notevolmente accorciata per mantenere l'integrità del segnale.

Ci sono due modi per far funzionare i circuiti ad alta velocità su linee relativamente lunghe senza gravi distorsioni della forma d'onda. TTL adotta il metodo di bloccaggio del diodo Schottky per i bordi che cadono velocemente, in modo che l'overshoot sia bloccato ad una caduta di tensione del diodo inferiore al potenziale di terra. A livello di "Hà", questo riduce l'ampiezza del contraccolpo. Il bordo ascendente più lento permette l'overshoot, ma è attenuato dall'impedenza di uscita relativamente elevata (50～80Ω) del circuito nello stato "H€". Inoltre, a causa della maggiore immunità dello stato di livello "H", il problema del kickback non è molto evidente. Per i dispositivi della serie HCT, se il morsetto del diodo Schottky e il metodo di terminazione della resistenza di serie sono combinati, migliorerà L'effetto sarà più evidente.

Quando c'è fan-out lungo la linea del segnale, il metodo di formatura TTL introdotto sopra sembra essere alquanto inadeguato ad una velocità di bit più elevata e ad una velocità di bordo più veloce. Poiché ci sono onde riflesse nella linea, tendono ad essere sintetizzate ad un'alta bit rate, causando gravi distorsioni del segnale e ridotta capacità anti-interferenza. Pertanto, al fine di risolvere il problema di riflessione, un altro metodo è solitamente utilizzato nel sistema ECL: il metodo di corrispondenza dell'impedenza di linea. In questo modo, la riflessione può essere controllata e l'integrità del segnale può essere garantita.

In senso stretto, per i dispositivi TTL e CMOS convenzionali con velocità di bordo più lente, le linee di trasmissione non sono molto necessarie. Per i dispositivi ECL ad alta velocità con velocità di bordo più elevate, le linee di trasmissione non sono sempre necessarie. Ma quando si utilizzano le linee di trasmissione, hanno i vantaggi di prevedere il ritardo di connessione e controllare la riflessione e l'oscillazione attraverso la corrispondenza dell'impedenza. 1

Esistono cinque fattori fondamentali per decidere se utilizzare una linea di trasmissione. Essi sono: (1) la velocità di bordo del segnale di sistema, (2) la distanza di connessione (3) il carico capacitivo (quanta ventola fuori), (4) il carico resistivo (il metodo di terminazione della linea); (5) ammissibile La percentuale di reazione e superamento (il grado di riduzione dell'immunità AC).

2. Diversi tipi di linee di trasmissione

(1) Cavo coassiale e coppia attorcigliata: sono spesso utilizzati nella connessione tra i sistemi. L'impedenza caratteristica del cavo coassiale è solitamente 50Ω e 75Ω, e la coppia attorcigliata è solitamente 110Ω.

(2) Linea di microstrip sul circuito stampato

La linea microstrip è un conduttore di striscia (linea di segnale). Un dielettrico è usato per isolarlo dal piano di terra. Se lo spessore, la larghezza e la distanza tra la linea e il piano di terra sono controllabili, la sua impedenza caratteristica può anche essere controllata. L'impedenza caratteristica Z0 della linea microstrip è:

Nella formula: [Er è la permittività relativa del materiale dielettrico del cartone stampato

6 è lo spessore dello strato dielettrico

W è la larghezza della linea

t è lo spessore della linea

Il tempo di ritardo di trasmissione di una linea microtrip per unità di lunghezza dipende solo dalla costante dielettrica e non ha nulla a che fare con la larghezza o la spaziatura della linea.

(3) Striscia in cartone stampato

Una stripline è una striscia di rame posta al centro di un dielettrico tra due piani conduttivi. Se lo spessore e la larghezza della linea, la costante dielettrica del mezzo e la distanza tra i due piani conduttivi sono controllabili, anche l'impedenza caratteristica della linea è controllabile. L'impedenza caratteristica B della striscia è:

Dove: b è la distanza tra due assi di terra

W è la larghezza della linea

t è lo spessore della linea

Analogamente, il tempo di ritardo di trasmissione di una striscia per unità di lunghezza non ha nulla a che vedere con la larghezza o la spaziatura della linea; dipende solo dalla permittività relativa del mezzo utilizzato.

3. Linea di trasmissione non terminata

Se il tempo di ritardo della linea è molto più breve del tempo di aumento del segnale, la linea di trasmissione può essere utilizzata senza terminazione di serie o terminazione parallela. Se un cavo non terminato ha un ritardo di andata e ritorno (il tempo necessario per un segnale di viaggiare sulla linea di trasmissione una volta) che impulso Il tempo di aumento del segnale è breve, quindi il kickback causato dalla non terminazione è circa il 15% dell'oscillazione logica. La lunghezza massima del percorso di apertura è approssimativamente:

Lmaxï¼ tr/2tpd

Dove: tr è il tempo di salita

tpd è il tempo di ritardo di trasmissione per unità di lunghezza della linea

4. Terminare la linea di trasmissione

All'estremità ricevente di una linea, una resistenza pari all'impedenza caratteristica della linea viene utilizzata per terminare, quindi la linea di trasmissione è chiamata connessione terminale parallela. Viene utilizzato principalmente per ottenere le migliori prestazioni elettriche, compresa la guida di carichi distribuiti.

A volte, al fine di risparmiare il consumo energetico, un condensatore 104 è collegato in serie alla resistenza terminale per formare un circuito di terminazione CA, che può efficacemente ridurre la perdita di CC.

Una resistenza è collegata in serie tra il driver e la linea di trasmissione e il terminale della linea non è più collegato alla resistenza di terminazione. Questo metodo di terminazione è chiamato terminazione di serie. L'overshoot e l'anello sulla linea più lunga possono essere controllati da smorzamento di serie o tecnologia di terminazione di serie. Lo smorzamento di serie si ottiene utilizzando una piccola resistenza (generalmente da 10 a 75Ω) collegata in serie con l'uscita del cancello di azionamento. Questo metodo di smorzamento è adatto Utilizzato in combinazione con linee la cui caratteristica impedenza è controllata (come cavi backplane, circuiti stampati senza piani di terra, e la maggior parte dei fili di avvolgimento, ecc.).

Nella terminazione di serie, la somma del valore della resistenza di serie e dell'impedenza di uscita del circuito (cancello di azionamento) è uguale all'impedenza caratteristica della linea di trasmissione. Il cablaggio dell'estremità della connessione di serie ha gli svantaggi che può utilizzare solo il carico combinato al terminale e il tempo di ritardo della trasmissione è più lungo. Tuttavia, questo può essere superato utilizzando linee di trasmissione ridondanti terminate in serie.

5. Confronto tra diversi metodi di terminazione

Sia il collegamento parallelo che il collegamento in serie hanno i loro vantaggi. Quale utilizzare o entrambi dipende dalle preferenze del progettista e dai requisiti di sistema. Il vantaggio principale della connessione parallela è che il sistema è veloce e il segnale viene trasmesso sulla linea senza distorsioni. Il carico sulla linea lunga non influenzerà il tempo di ritardo della trasmissione del cancello di azionamento che guida la linea lunga né la velocità del bordo del segnale della stessa, ma aumenterà il tempo di ritardo della trasmissione del segnale lungo la linea lunga. Quando si guida un grande ventilatore-out, il carico può essere distribuito lungo la linea di diramazione corta, invece del terminale in cui il carico deve essere raggruppato sulla linea come nella terminazione di serie.

Il metodo di terminazione di serie rende il circuito avere la capacità di guidare diverse linee di carico parallele. L'incremento del tempo di ritardo causato dal carico capacitivo del cablaggio del terminale di serie è circa il doppio del corrispondente cablaggio del terminale parallelo e il cortocircuito è causato dal carico capacitivo. La velocità rallenta e il tempo di ritardo del drive gate aumenta. Tuttavia, il reticolo della connessione in serie è più piccolo di quello della connessione parallela. La ragione principale è che l'ampiezza del segnale trasmesso lungo la connessione di serie è solo la metà dello swing logico. La corrente di commutazione è solo la metà della corrente di commutazione della terminazione parallela e l'energia del segnale è piccola e la crosstalk è piccola.

Tecnologia di cablaggio di due schede PCB

Se scegliere una scheda bifacciale o una scheda multistrato durante la realizzazione di un PCB dipende dalla più alta frequenza operativa, dalla complessità del sistema di circuito e dai requisiti per la densità di assemblaggio. È meglio scegliere una scheda multistrato quando la frequenza dell'orologio supera 200MHZ. Se la frequenza di funzionamento supera 350MHz, è meglio scegliere un circuito stampato con PTFE come strato dielettrico, perché la sua attenuazione ad alta frequenza è più piccola, la capacità parassitaria è più piccola e la velocità di trasmissione è più veloce. Grande e basso consumo energetico, sono richiesti i seguenti principi per il cablaggio del circuito stampato

(1) Quando si progettano le linee di trasmissione del segnale, evitare le curve taglienti per prevenire i riflessi causati da cambiamenti improvvisi nell'impedenza caratteristica della linea di trasmissione. Prova a progettare una linea di arco uniforme con una certa dimensione.

(2) Mantenere quanto più spazio possibile tra tutte le linee di segnale parallele per ridurre la crosstalk. Se ci sono due fili di segnale che sono vicini tra loro, è meglio eseguire un filo di terra tra i due fili, che può svolgere un ruolo di schermatura.

La larghezza della linea stampata può essere calcolata secondo la formula di calcolo dell'impedenza caratteristica sopra menzionata della linea microstrip e della striscia. L'impedenza caratteristica della linea microstrip sul circuito stampato è generalmente compresa tra 50 e 120Ω. Per ottenere una grande impedenza caratteristica, la larghezza della linea deve essere molto stretta. Ma le linee molto sottili non sono facili da realizzare. Considerando vari fattori, è generalmente opportuno scegliere un valore di impedenza di circa 68Ω, perché l'impedenza caratteristica di 68Ω può ottenere il miglior equilibrio tra tempo di ritardo e consumo energetico. Una linea di trasmissione 50Ω consumerà più energia; Naturalmente, un'impedenza più grande può ridurre il consumo energetico, ma aumenterà il tempo di ritardo della trasmissione. La capacità negativa della linea aumenterà il tempo di ritardo della trasmissione e diminuirà l'impedenza caratteristica. Tuttavia, la capacità intrinseca per unità di lunghezza del segmento di linea con impedenza caratteristica molto bassa è relativamente grande, quindi il tempo di ritardo della trasmissione e l'impedenza caratteristica sono meno influenzati dalla capacità di carico. Una caratteristica importante di una linea di trasmissione correttamente terminata è che la linea di diramazione corta non dovrebbe avere alcun effetto sul tempo di ritardo della linea. Quando Z0 è 50Ω. La lunghezza del tronco del ramo deve essere limitata a 2,5 cm o meno. Per evitare di suonare forte.

(4) Se c'è un piccolo amplificatore di segnale sulla scheda, la linea di segnale debole prima dell'amplificazione dovrebbe essere lontana dalla linea di segnale forte e la traccia dovrebbe essere il più breve possibile e, se possibile, utilizzare un cavo di terra per schermarlo.

(5) Se ci sono dispositivi ad alta corrente sul circuito stampato, quali relè, indicatori luminosi, altoparlanti, ecc., i loro fili di terra dovrebbero essere separati per ridurre il rumore sul cavo di terra. I fili di terra di questi dispositivi ad alta corrente dovrebbero collegarsi a un bus di terra indipendente sulla scheda plug-in e sul backplane e questi cavi di terra indipendenti dovrebbero anche essere collegati al punto di terra dell'intero sistema.

(6) Per tavole bifacciali (o linee a quattro strati in schede a sei strati). Le linee su entrambi i lati del circuito dovrebbero essere perpendicolari l'uno all'altro per evitare il crosstalk causato dall'induzione reciproca.