Dati PCB - La tecnologia di routing migliora l'integrità della scheda PCB incorporata

1 Angolo di stagno

I circuiti stampati sono il supporto di base dei componenti del circuito e dei dispositivi nei prodotti elettronici  , e la sua qualità progettuale spesso influisce direttamente sull'affidabilità e sulla compatibilità dei sistemi embedded. In the past, in alcuni circuiti a bassa velocità, the clock frequency was generally only about 10 MHz. La sfida principale della progettazione di circuiti stampati o pacchetti era come instradare tutte le linee di segnale sulla scheda a doppio strato e come assemblare senza distruggere il pacchetto. Le caratteristiche elettriche delle interconnessioni non sono critiche poiché le interconnessioni non hanno influenzato le prestazioni del sistema. In questo senso, le linee di interconnessione nel circuito a bassa velocità del segnale sono libere e trasparenti. Tuttavia, con lo sviluppo di sistemi embedded, i circuiti utilizzati sono fondamentalmente circuiti ad alta frequenza. Due to the increase of the clock frequency, even the ascending edge of the signal is shortened, and the capacitive and inductive reaction of the printed circuit to the passing signal will be much greater than The resistance of the printed circuit itself seriously affects the integrity of the signal. Per sistemi incorporati, signal integrity effects become important when clock frequencies exceed 100 MHz or rising edges are less than 1 ns. Questo articolo parte dalle reali caratteristiche elettriche delle linee di segnale nei circuiti digitali ad alta velocità, establishes an electrical characteristics model, trova le ragioni principali che influenzano l'integrità del segnale e come risolvere i problemi, e fornisce i problemi a cui prestare attenzione nel cablaggio e i metodi e le competenze da seguire.

2.Integrità del segnale

Generalmente, Si può considerare che l'integrità del segnale dovrebbe comprendere i seguenti significati: la distorsione della forma d'onda del segnale dovrebbe essere controllata entro un certo intervallo, the timing diagram of the signal flow can meet the logic requirements, e il processo di generazione e trasmissione del segnale è stabile nello stato di scoppio. La distruzione dell'integrità del segnale è dovuta principalmente a due motivi. Primo, a causa di interferenze esterne, in particolare l'interferenza del canale di conduzione, compreso l'effetto di riflessione causato dal disallineamento dell'impedenza del canale di trasmissione, la forma d'onda originale è distrutta; secondly, Il segnale digitale sarà naturalmente Un effetto di dispersione spettrale si verifica, modifica della forma d'onda originale. Quando la frequenza dell'orologio è relativamente alta, such as when the clock reaches 10MHz or more or the edge time of the pulse reaches 1ns or less, Scopriremo che non è facile portare il segnale dove è previsto. There are many factors that affect signal integrity issues, incluso jitter , delay, rimbalzo a terra, reflections, crosstalk, switching noise, disallineamento dell'alimentazione elettrica, attenuazione, allungamento del polso, timing confusion, ecc. Signal integrity issues always involve the entire process of the signal, Quindi la garanzia dell'integrità del segnale richiede l'ambiente fisico in cui funziona l'intero segnale. To do this, è necessario modellare il sistema di integrità del segnale. Il modello del sistema di integrità del segnale dovrebbe includere tre parti: la sorgente completa del segnale, il canale di coordinamento fisico del segnale, e la ricezione completa del segnale. I contenuti principali delle tre parti sono i seguenti:

(1) sorgente di segnale completa: assicurare l'integrità del segnale generato. Questi includono la garanzia dell'alimentazione elettrica, filtro del rumore, potenziale del suolo, common mode elimination, garanzia dell'impedenza di uscita, etc.

(2) Il canale di coordinamento fisico del segnale: Assicurarsi che il segnale non cambi durante la trasmissione. Questi includono: crosstalk, ritardi, channel dips, riflessi e risonanze, larghezza di banda, attenuazione, controllo dell'impedenza, collegamento del circuito e altro ancora.

(3) Ricevimento completo del segnale: assicurare la ricezione ad alta efficienza senza distorsione. Questi includono: input impedance matching, lavoro a terra, multi-terminale network mutual impedance, condensatori di disappamento, filtri condensatori, distribuzione del segnale in rete e problemi di protezione del segnale

2.1 Ritardo: Ritardo significa che il segnale viene trasmesso ad una velocità limitata sulla linea di trasmissione del Scheda PCB. Il segnale viene inviato dal mittente al ricevitore, e c'è un ritardo di trasmissione tra. I ritardi dei segnali hanno un impatto sulla tempistica del sistema; I ritardi di propagazione sono determinati principalmente dalla lunghezza del filo e dalla costante dielettrica del mezzo che circonda il filo. In a high-speed digital system, la lunghezza della linea di trasmissione del segnale è un fattore diretto che influenza la differenza di fase degli impulsi di clock. La differenza di fase degli impulsi dell'orologio si riferisce al tempo asincrono in cui i due segnali dell'orologio generati allo stesso tempo arrivano all'estremità ricevente. La differenza di fase dell'impulso dell'orologio riduce la prevedibilità dell'arrivo del bordo del segnale, and if the clock pulse phase difference is too large, produrrà un segnale errato all'estremità ricevente.

2.2 Riflessione: la riflessione è l'eco del segnale sulla linea del segnale. Quando il tempo di ritardo del segnale è molto più grande del tempo di transizione del segnale, la linea di segnale deve essere utilizzata come linea di trasmissione. Quando l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione non corrisponde all'impedenza di carico, una parte della potenza del segnale (tensione o corrente) viene trasmessa alla linea e raggiunge il carico, ma una parte è riflessa.Se l'impedenza di carico è inferiore all'impedenza originale, la riflessione è negativa; altrimenti, the reflection is positive. Variazioni nella geometria delle tracce, terminazione del cavo errata, trasmissione tramite connettori e discontinuità del piano di alimentazione possono causare tali riflessi.

2.3 Crosstalk: Crosstalk è l'accoppiamento tra due linee di segnale, l'induttanza reciproca e la capacità reciproca tra le linee del segnale, e il rumore sulla linea del segnale. L'accoppiamento capacitivo induce la corrente di accoppiamento, mentre l'accoppiamento induttivo induce la tensione di accoppiamento. Il rumore delle conversazioni incrociate proviene dall'accoppiamento elettromagnetico tra linee di segnale, between signal systems and power distribution systems, e tra i v.a.. L'avvolgimento incrociato può causare falsi orol, errori di dati intermittenti, etc., e influenzare la qualità di trasmissione dei segnali adiacenti. In reality, crosstalk cannot be completely eliminated, but it can be controlled within the range that the system can tolerate. I parametri dello strato PCB, la distanza tra le linee di segnale, le caratteristiche elettriche dell'estremità motrice e dell'estremità ricevente, e il metodo di terminazione di base hanno tutti una certa influenza sul crosstalk. Quando si cablano PCB Scheda ad alta velocità, se lo spazio di cablaggio è piccolo o la densità di cablaggio è elevata, il problema del crosstalk è molto grave, e l'interferenza elettromagnetica causata da esso inciderà seriamente sul segnale del circuito. Per ridurre le conversazioni incrociate,Le seguenti misure possono essere adottate durante il cablaggio: terminare correttamente le linee di segnale sensibili alle conversazioni incrociate, e ridurre il crosstalk riducendo la capacità di accoppiamento tramite corrispondenza di impedenza.

2.4 Overshoot e undershoot: Overshoot è un valore di picco o valle superiore alla tensione impostata. For the rising edge, si riferisce alla tensione; per il bordo di caduta, it refers to the voltage. Undershoot è quando la valle o picco successivo supera la tensione impostata. Excessive overshoot can cause the protection diode to operate, facendolo fallire prematuramente. Un eccessivo sottoshoot può causare falsi errori di clock o dati (operazioni errate).

2.5 Oscillazione e Oscillazione surround: i fenomeni di oscillazione sono ripetuti overshoot e sottoshoot. L'oscillazione del segnale è l'oscillazione causata dall'induttanza e dalla capacità della transizione sulla linea, which belongs to the under-damped state, mentre l'oscillazione circostante appartiene allo stato sovrasmorzato. Oscillation and surround oscillations, come riflessi, are caused by many factors, e le oscillazioni possono essere ridotte dalla corretta terminazione,ma non può essere completamente eliminato. Rumore di rimbalzo a terra e rumore di ritorno: Quando c'è una grande sovratensione di corrente nel circuito, causerà rumore di rimbalzo del terreno. For example, quando le uscite di un gran numero di chip sono accese contemporaneamente, there will be a large transient current between the chip and the board. L'induttanza e la resistenza del pacchetto del chip e del piano di potenza causeranno rumore dell'alimentazione elettrica, che causerà fluttuazioni di tensione e cambiamenti sul vero piano di terra, e questo rumore influenzerà il comportamento di altri componenti. L'aumento della capacità di carico, la diminuzione della resistenza al carico, l'aumento dell'induttanza del suolo, e l'aumento del numero di dispositivi di commutazione porterà tutti all'aumento del rimbalzo del terreno.

3. Analisi delle caratteristiche elettriche del canale di trasmissione

In a multi-layer Scheda PCB, most of the transmission lines are not only arranged on a single layer, ma sfalsati su più strati, and the layers are connected through vias. Pertanto, in a multi-layer Scheda PCB, un tipico canale di trasmissione comprende principalmente tre parti: linea di trasmissione, trace corner, e via foro. In the case of low frequency, Le linee stampate e le tracce vias possono essere considerate come normali connessioni elettriche che collegano pin di dispositivi diversi, che non avrà molto impatto sulla qualità del segnale. Tuttavia, alle alte frequenze, trace, corner e vias non dovrebbero solo considerare la loro connettivi, ma anche l'influenza delle loro caratteristiche elettriche e dei parametri parassitari alle alte frequenze.

4. Analisi delle caratteristiche elettriche delle linee di trasmissione ad alta velocità Scheda PCBs
Nella progettazione di alta velocità Scheda PCB, è inevitabile utilizzare un gran numero di linee di collegamento del segnale, e le lunghezze sono diverse. Il tempo di ritardo del segnale che passa attraverso la linea di collegamento non può essere ignorato rispetto al tempo di cambiamento del segnale stesso, e il segnale è trasmesso alla velocità delle onde elettromagnetiche. For upstream transmission, La linea di collegamento in questo momento è una rete complessa con resistenza, capacitance, e induttanza, che deve essere descritto da un modello di sistema a parametri distribuiti, che è, the transmission line model. Una linea di trasmissione è utilizzata per trasmettere un segnale da un'estremità all'altra e consiste di 2 fili con una certa lunghezza, uno è chiamato percorso del segnale e l'altro è chiamato percorso di ritorno. In circuiti a bassa frequenza, transmission lines behave as purely resistive electrical properties. In alta velocità Scheda PCBs, man mano che aumenta la frequenza del segnale di trasmissione, the capacitive impedance between the wires decreases, e l'impedenza induttiva sui fili aumenta, and the signal wire will no longer behave as a pure resistance, che è, the signal will not only be transmitted on the wire, ma anche si propaga nel mezzo tra conduttori. For a uniform wire, la resistenza R, the parasitic inductance L and the parasitic capacitance C of the transmission line are evenly distributed (ie, L1=L2=¦=Ln; C1=C2=¦=Cn+1) without considering the external environment change.

5. Analisi delle caratteristiche elettriche dei vias ad alta velocità Scheda PCBs
Via, di solito si riferisce a un foro in un circuito stampato, è un fattore importante nella progettazione di multistrato Scheda PCBs. Vias può essere utilizzato per l'installazione fissa di componenti plug-in o l'interconnessione tra strati. Dal punto di vista dei processi, I vias sono generalmente suddivisi in tre categorie: vias ciechi, buried vias, e per via endovenosa. I fori ciechi si trovano sulla superficie superiore e inferiore del circuito stampato, con una certa profondità, e sono utilizzati per il collegamento del circuito di strato superficiale e del circuito di strato interno sottostante. La profondità del foro e il diametro del foro di solito non superano un certo rapporto.I vias sepolti si riferiscono ai fori di collegamento situati nello strato interno del circuito stampato, che non si estendono alla superficie del circuito stampato. I fori passanti passano attraverso l'intero circuito e possono essere utilizzati per l'interconnessione tra strati o come fori di montaggio per componenti. Perché il foro passante è più facile da realizzare nel processo e il costo è inferiore, Il circuito stampato generale utilizza il foro passante invece degli altri due tipi di fori passanti. I fori passanti indicati di seguito sono considerati come fori passanti. Come linea di trasmissione speciale, I vias non solo generano capacità parassitaria a terra, ma anche induttanza parassitaria nei circuiti ad alta velocità. L'impatto della capacità parassitaria della via sul circuito è principalmente quello di rallentare o deteriorare il bordo ascendente del segnale digitale, riduzione della velocità del circuit. Minore è il valore di capacità parassitaria della via, the smaller the impact. L'effetto principale dell'induttanza parassitaria via è quello di ridurre l'efficacia del condensatore bypass dell'alimentazione elettrica e rendere l'intero effetto filtrante dell'alimentazione elettrica peggiore.

6. Contributo degli angoli della linea di trasmissione ai problemi di integrità del segnale del canale di trasmissione

Quando la linea stampata del PCB Scheda passa attraverso l'angolo, la modifica della larghezza della linea stampata è sì, e cambia anche l'impedenza caratteristica della linea stampata. Poiché la larghezza della traccia diventa più ampia quando passa l'angolo, aumenta la capacità tra la traccia e lo strato di riferimento, e la caratteristica impedenza della traccia diminuisce. Therefore, c'è una discontinuità di impedenza caratteristica all'angolo della linea stampata, che porta alla riflessione del segnale sulla linea stampata e influisce sull'integrità del segnale. Confronto delle caratteristiche di riflessione e trasmissione di angoli di diverse forme geometriche: Comune Scheda PCB printed line corner geometries: Angoli ad angolo retto, angoli arrotondati, angoli smussati interni ed esterni a 45 gradi, e angoli smussati esterni a 45 gradi. Le caratteristiche di riflessione e trasmissione degli angoli di tracce di geometrie diverse sono diverse. L'ordine delle eccellenti caratteristiche di trasmissione è il seguente: angolo retto < angolo arrotondato < 45 gradi taglio smussato dentro ed esterno < 45 gradi taglio smussato esterno e la geometria angolare della linea stampata è curva ad angolo retto e 45 gradi taglio smussato esterno. Sotto la gamma di frequenza di 2GH, the track corner geometry has little effect on the signal transmission characteristics, e il suo effetto aumenta significativamente man mano che la frequenza aumenta, especially for right-angled corners. Si raccomanda che gli angoli della traccia siano piegati ad angolo retto con una geometria smussata di 45 gradi, che ha un impatto minore sull'integrità del segnale. Quando la larghezza della linea del segnale è stretta in un circuito ad alta densità, l'accumulo di ritardo causato dalla capacità parassitaria dell'angolo è generalmente improbabile che abbia un grande impatto sull'integrità del segnale. Ma per circuiti sensibili ad alta frequenza, such as high-frequency clock lines, deve essere considerato l'effetto cumulativo della capacità parassitaria angolare.

7. Utilizzare tecniche di cablaggio per sopprimere i problemi di integrità del segnale

Quando il segnale viene emesso dalla sorgente di azionamento, le correnti e le tensioni che compongono il segnale trattano l'interconnessione come una rete di impedenza. Mentre il segnale si propaga lungo la rete di impedenza, sperimenta costantemente cambiamenti transitori di impedenza causati dall'interconnessione. Se l'impedenza vista dal segnale rimane la stessa, til segnale non è distorto. Una volta che l'impedenza cambia, il segnale è riflesso al cambiamento e distorto mentre viaggia attraverso il resto dell'interconnessione. Se l'impedenza cambia sufficientemente, la distorsione può causare un falso innesco. Nel processo di progettazione di ottimizzazione dell'integrità del segnale, Un importante obiettivo progettuale è quello di progettare tutte le linee di interconnessione come linee di trasmissione uniformi, e ridurre la lunghezza di tutte le linee di trasmissione non uniformi,in modo che l'impedenza percepita dai segnali in tutta la rete rimanga invariata. . Sulla base di questo,si può concludere che alcuni metodi di utilizzo di tecniche di cablaggio per sopprimere i problemi di integrità del segnale: la forma della traccia dei conduttori stampati non dovrebbe essere aggrovigliata, angoli ramificati o duri,cercare di evitare linee e stubs a forma di T; cercare di mantenere la stessa linea di segnale di rete. Larghezza linea, rridurre il cambiamento della larghezza della linea; ridurre la lunghezza della linea di trasmissione, aumentare la larghezza del filo; cercare di aumentare la distanza tra i fili; cercare di ridurre i vias e gli angoli delle linee di segnale ad alta velocità, e ridurre la conversione inter-strato delle linee di segnale; una scelta ragionevole delle dimensioni del vias; ridurre l'area del loop del segnale e la corrente del loop. In conclusione, qualsiasi caratteristica che modifica la sezione trasversale o la geometria della rete cambierà l'impedenza vista dal segnale. La chiave per ridurre i problemi di integrità del segnale nel cablaggio è ridurre l'improvviso cambiamento di impedenza sulla linea di trasmissione, in modo che l'impedenza vissuta dal segnale in tutta la rete rimanga invariata. In breve, nella progettazione del PCB Scheda, è necessario integrare il layout e il cablaggio dei componenti e la soluzione al problema di integrità del segnale che dovrebbe essere utilizzato in ogni caso, in modo da risolvere meglio il problema di integrità del segnale del PCB Scheda.

8. Conclusione

Nell'ampia applicazione di oggi dei sistemi embedded, L'integrità del segnale è diventata un contenuto estremamente importante nel Scheda PCB progettazione di sistemi integrati, che influiscono sul successo o sul fallimento dell'intero Scheda PCB design. Quando il circuito è determinato, i componenti sono selezionati, and the PCB layout is determined, Le tecniche di cablaggio possono essere utilizzate per sopprimere il verificarsi di problemi di integrità del segnale, migliorare l'affidabilità del PCB Scheda, e ridurre la perdita causata da problemi di integrità del segnale. Mirare al problema di integrità del segnale causato dall'ambiente ad alta frequenza del sistema embedded, Questo articolo propone un metodo per sopprimerlo con un cablaggio ragionevole. Attraverso l'analisi di vari fenomeni di integrità del segnale e la modellazione e descrizione delle caratteristiche elettriche delle linee di trasmissione, vie e angoli, alcuni metodi per migliorare l'integrità del segnale utilizzando competenze di cablaggio in Scheda PCB la progettazione è conclusa, che hanno un valore di riferimento pratico.