Dati PCB - Come è fatta una buona scheda PCB

Tutti sanno che fare una scheda PCB significa trasformare uno schema progettato in un vero e proprio circuito stampato. Per favore, non sottovalutare questo processo. Ci sono molte cose che funzionano in linea di principio, ma sono difficili da raggiungere in ingegneria, o Cosa gli altri possono ottenere, altri non possono, quindi non è difficile creare una scheda PCB, ma non è una cosa facile fare un buon lavoro di una scheda PCB. 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 schede PCB è particolarmente importante. Lo stesso design di principio, gli stessi componenti e le schede PCB prodotte da persone diverse hanno caratteristiche diverse. Quindi come possiamo fare una buona scheda PCB? Sulla base della nostra esperienza passata, vorrei parlare delle mie opinioni sui seguenti aspetti:

1.per chiarire gli obiettivi di progettaQuando si riceve un compito di progettazione, prima di tutto, è necessario chiarire l'obiettivo di progettazione, se si tratta di una scheda PCB ordinaria, una scheda PCB ad alta frequenza, una scheda PCB di elaborazione di piccoli segnali, o una scheda PCB con elaborazione sia ad alta frequenza che a piccoli segnali. 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 a medio carico e linee lunghe, devono essere utilizzati determinati metodi per ridurre il carico. Quando ci sono più di 40 MHz linee di segnale sulla scheda, particolare attenzione dovrebbe essere data a queste linee di segnale, come la crosstalk tra le linee. Secondo la teoria della rete dei parametri distribuiti, l'interazione tra circuiti ad alta velocità e il loro cablaggio è un fattore decisivo, che non può essere ignorato nella progettazione del sistema. Con l'aumento della velocità di trasmissione del gate, l'opposizione sulla linea di segnale aumenterà di conseguenza e la crosstalk tra linee di segnale adiacenti aumenterà proporzionalmente. Di solito, anche il consumo energetico e la dissipazione del calore dei circuiti ad alta velocità sono grandi. Quando ci sono segnali deboli di livello millivolt o anche di livello microvolt sulla scheda, è necessaria particolare attenzione per queste linee di segnale. Poiché il piccolo segnale è troppo debole, è molto facile essere interferiti da altri segnali forti e spesso sono necessarie misure di schermatura. Riduce notevolmente il rapporto segnale-rumore. Di conseguenza, il segnale utile è sopraffatto dal rumore e non può essere estratto efficacemente. La messa in servizio del consiglio dovrebbe essere presa in considerazione anche nella fase di progettazione. Fattori quali la posizione fisica del punto di prova e l'isolamento del punto di prova non possono essere ignorati, perché alcuni piccoli segnali e segnali ad alta frequenza non possono essere aggiunti direttamente alla sonda per la misurazione. Inoltre, dovrebbero essere presi in considerazione altri fattori correlati, come il numero di strati della scheda, la forma del pacchetto dei componenti utilizzati e la resistenza meccanica della scheda. Prima di fare una scheda PCB, è necessario conoscere gli obiettivi di progettazione del design.2. Comprendere la funzione dei componenti utilizzati per il layout e i requisiti di cablaggio Sappiamo che alcuni componenti speciali hanno requisiti speciali per il layout e il cablaggio, come gli amplificatori di segnale analogici utilizzati in loti e aph. Gli amplificatori di segnale analogici richiedono alimentazione stabile e piccola ondulazione. La parte del piccolo segnale analogico dovrebbe essere tenuta lontana dal dispositivo di alimentazione il più possibile. 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 adotta il processo ECL, che consuma molta energia e genera calore. Particolare attenzione deve essere data al problema della dissipazione del calore durante il layout. Se si utilizza la dissipazione naturale del calore, il chip GLINK deve essere posizionato in un luogo in cui la circolazione dell'aria è relativamente regolare., e il calore dissipato non può avere un grande impatto su altri chip. Se la scheda è dotata di altoparlanti o altri dispositivi ad alta potenza, può causare grave inquinamento all'alimentazione elettrica, che dovrebbe anche essere prestata abbastanza attenzione.3. Considerazione della disposizione del componenteUno dei primi fattori da considerare nella disposizione dei componenti è la prestazione elettrica. I componenti che sono strettamente correlati al cablaggio dovrebbero essere posizionati insieme il più possibile. Soprattutto per alcune linee ad alta velocità, il layout dovrebbe essere il più breve possibile. Segnale di alimentazione e piccoli dispositivi di segnale per separare. Sulla premessa di soddisfare le prestazioni del circuito, è anche necessario considerare che i componenti sono posizionati in modo ordinato e bello, il che è conveniente per il test. Anche le dimensioni meccaniche della scheda e la posizione della presa devono essere attentamente considerate. I tempi di messa a terra e di propagazione delle interconnessioni nei sistemi ad alta velocità sono anche le prime considerazioni 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 la velocità del blocco del circuito integrato stesso è molto alta, a causa dell'uso di linee di interconnessione ordinarie sul piano posteriore (circa 30 cm di lunghezza). 2ns ritardo) aumenta il tempo di ritardo, che può ridurre notevolmente la velocità del sistema. Componenti di lavoro sincroni come i registri dei turni e i contatori sincroni sono posizionati sulla stessa scheda, perché i segnali dell'orologio a schede diverse sono Il tempo di ritardo della trasmissione non è uguale, il che può causare l'errore master del registro di turno. Se non può essere posizionato su una scheda, la lunghezza delle linee di clock dalla sorgente comune dell'orologio a ciascuna scheda plug-in deve essere uguale nei punti in cui la sincronizzazione è critica.4. La considerazione del cablaggio Con il completamento della progettazione della rete OTNI e della fibra stellare, ci saranno più schede con linee di segnale ad alta velocità superiori a 100MHz da progettare in futuro. Qui verranno introdotti alcuni concetti di base delle linee ad alta velocità. Linea di trasmissione: Qualsiasi percorso del segnale "lungo" su un circuito stampato può essere considerato una linea di trasmissione. Se il tempo di ritardo di propagazione della linea è molto più breve del tempo di aumento del segnale, eventuali riflessi prodotti durante l'aumento del segnale saranno annegati. Overshoot, kickback e squillo non sono più presenti. Per la maggior parte dei circuiti MOS correnti, poiché il rapporto tra tempo di salita e tempo di ritardo di trasmissione in linea è molto più grande, le tracce possono essere misurate in 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 delle tracce 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 utilizza il bloccaggio a diodi Schottky per i bordi a caduta rapida, in modo che l'overshoot sia bloccato a una caduta a diodi sotto il potenziale del suolo. Questo riduce la magnitudine del successivo kickback, il bordo ascendente più lento permette l'overshoot, ma è attenuato dall'impedenza di uscita relativamente elevata (50-80Ω) del circuito nello stato di livello "H". Inoltre, a causa dell'elevata immunità dello stato di livello "H", il problema del rinculo non è molto evidente. Per i dispositivi della serie HCT, se vengono utilizzati i metodi di chiusura del diodo Schottky e della resistenza di serie, il miglioramento sarà migliorato. l'effetto sarà più evidente. A velocità di bit più elevate e velocità di bordo più elevate, i metodi di formatura TTL descritti sopra sono alquanto inadeguati quando c'è fan-out lungo la linea del segnale. A causa delle onde riflesse nella linea, tendono a combinarsi ad alte velocità di bit, causando gravi distorsioni del segnale e ridotta immunità alle interferenze. 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 è possibile controllare i riflessi e garantire l'integrità del segnale. 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 linee di trasmissione, hanno il vantaggio di essere in grado di prevedere ritardi del filo e controllare riflessi e oscillazioni attraverso la corrispondenza dell'impedenza.4.1 Ci sono cinque fattori fondamentali per decidere se utilizzare una linea di trasmissione:Essi sono: (1) velocità del bordo del segnale del sistema, (2) distanza di cablaggio (3) carico capacitivo (quanto fan-out), (4) carico resistivo (metodo di terminazione della linea); (5) Percentuale ammissibile kickback e overshoot (riduzione dell'immunità AC).4.2. Diversi tipi di linee di trasmissione (1) Cavo coassiale e coppia attorcigliata: sono spesso utilizzati nella connessione tra 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 di microstrip è un conduttore di striscia (linea di segnale) separato dal piano di terra da un dielettrico. Se lo spessore, la larghezza e la distanza dal piano di terra della linea sono controllabili, anche la sua impedenza caratteristica è controllabile. (3) Stripline nel bordo stampato: La stripline è una stripline di rame posizionata al centro del dielettrico tra due strati di 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.4.3 Terminare la linea di trasmissione Quando l'estremità ricevente di una linea è terminata con una resistenza pari all'impedenza caratteristica della linea, la linea di trasmissione è chiamata linea di terminazione parallela. Pricipalmente è utilizzato per ottenere prestazioni elettriche, compreso l'azionamento di carichi distribuiti. A volte, al fine di risparmiare il consumo energetico, un condensatore 104 è collegato in serie con la resistenza terminale per formare un circuito di terminazione CA, che può efficacemente ridurre la perdita DC. Una resistenza è collegata in serie tra il driver e la linea di trasmissione e l'estremità della linea non è più collegata alla resistenza terminale. Questo metodo di terminazione è chiamato terminazione di serie. Sovraccarico e squillo su linee più lunghe possono essere controllati con tecniche di smorzamento in serie o terminazione in serie. Lo smorzamento di serie è ottenuto utilizzando una piccola resistenza (solitamente da 10 a 75 Ω) in serie con l'uscita del cancello di azionamento. Questo metodo di smorzamento è adatto per essere 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-wrap, ecc.). Il valore della resistenza di serie e l'impedenza di uscita del circuito (cancello di azionamento) quando terminato in serie è uguale alla linea di trasmissione. Impedenza caratteristica. Il cablaggio in serie ha gli svantaggi di utilizzare solo carichi grumi alla terminazione e lunghi tempi di ritardo di propagazione. Tuttavia, questo può essere superato utilizzando linee di trasmissione ridondanti terminate in serie. Quale utilizzare, o entrambi, dipende dalle preferenze del progettista e dai requisiti di sistema. Il vantaggio principale del cablaggio di terminazione parallela è l'alta velocità del sistema e la trasmissione completa e priva di distorsioni del segnale sul cavo. Il carico sulla linea lunga non influenzerà il tempo di ritardo di propagazione del cancello di azionamento che guida la linea lunga né la sua velocità di bordo del segnale, ma aumenterà il tempo di ritardo di propagazione del segnale lungo la linea lunga. Quando si guida un grande ventilatore-out, il carico può essere distribuito lungo la linea attraverso il tronco di ramificazione invece del terminale dove il carico deve essere raggruppato insieme come nel terminale di serie. Il metodo di terminazione in serie consente al circuito di guidare diverse linee di carico parallele. L'incremento del tempo di ritardo causato dal carico capacitivo nella linea di terminazione di serie è circa il doppio di quello della linea di terminazione parallela corrispondente, mentre la linea corta ha il bordo dovuto al carico capacitivo. La velocità è rallentata e il tempo di ritardo del portone dell'azionamento è aumentato, tuttavia, il crosstalk del filo terminato in serie è inferiore a quello del filo terminato in parallelo, principalmente perché l'ampiezza del segnale trasmesso lungo il filo terminato in serie è solo metà dell'oscillazione logica, quindi la corrente dell'interruttore è anche solo metà della corrente terminata parallela e l'energia del segnale è piccola e la crosstalk è piccola. Se scegliere una scheda bifacciale o multistrato durante la realizzazione di una scheda PCB dipende dalla frequenza di funzionamento, dalla complessità del sistema di circuito e dai requisiti per la densità di assemblaggio. Scegliere una scheda multistrato quando la frequenza dell'orologio supera 200MHZ. Se la frequenza di funzionamento supera 350MHz, viene selezionato il 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. Per risparmiare il consumo energetico, sono necessari i seguenti principi per il cablaggio del circuito stampato:(1) Ci dovrebbe essere più spazio possibile tra tutte le linee di segnale parallele per ridurre il crosstalk. Se ci sono due linee di segnale vicine l'una all'altra, eseguire un filo di terra tra le due linee, che può fungere da scudo. (2) Quando si progetta la linea di trasmissione del segnale, è necessario evitare le curve taglienti per impedire la riflessione causata dal cambiamento improvviso dell'impedenza caratteristica della linea di trasmissione. (3) La larghezza della linea stampata può essere calcolata secondo la formula di calcolo dell'impedenza caratteristica 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 resa 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 scegliendo un'impedenza caratteristica di 68Ω si ottiene un equilibrio tra tempo di ritardo e consumo energetico. Una linea di trasmissione 50Ω consumerà più energia; Una maggiore impedenza può certamente ridurre il consumo energetico, ma aumenterà il tempo di ritardo della trasmissione. Il tempo di ritardo di propagazione aumenta e l'impedenza caratteristica diminuisce a causa della capacità negativa della linea. Tuttavia, la capacità intrinseca per unità di lunghezza del segmento di linea con bassa impedenza caratteristica 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 i tronchi di ramo dovrebbero avere un effetto limitato sul tempo di ritardo della linea. Quando Z0 è 50Ω. La lunghezza della linea corta del ramo deve essere limitata all'interno di 2,5 cm. Per evitare grandi squilli. (4) 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'una all'altra per evitare l'induzione reciproca e il crosstalk. (5) Se ci sono dispositivi ad alta corrente sulla scheda stampata, quali relè, luci di segnalazione, altoparlanti, ecc., i loro fili di terra dovrebbero essere separati e funzionare separatamente per ridurre il rumore sul cavo di terra. I fili di terra di questi dispositivi ad alta corrente dovrebbero essere collegati a un bus di terra separato sulla scheda plug-in e sul backplane e questi cavi di terra separati dovrebbero anche essere collegati al punto di terra dell'intero sistema. (6) Se c'è un piccolo amplificatore di segnale sulla scheda, la linea di segnale debole prima dell'amplificazione dovrebbe essere tenuta lontana dalla linea di segnale forte e la traccia dovrebbe essere il più breve possibile e la scheda PCB dovrebbe essere schermata con un cavo di terra, se possibile.