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(1) Sfide affrontate dalla progettazione di sistemi elettronici
Con l'aumento su larga scala della complessità e dell'integrazione della progettazione del sistema, i progettisti di sistemi elettronici sono impegnati nella progettazione del circuito superiore a 100MHZ e la frequenza operativa del bus ha raggiunto o superato 50MHZ e alcuni addirittura hanno superato 100MHZ. Attualmente, circa il 50% dei progetti ha una frequenza di clock superiore a 50MHz e quasi il 20% dei progetti ha una frequenza di clock superiore a 120MHz.
Quando il sistema funziona a 50MHz, ci saranno effetti della linea di trasmissione e problemi di integrità del segnale; quando l'orologio di sistema raggiunge i 120MHz, a meno che non vengano utilizzate conoscenze di progettazione del circuito ad alta velocità, i PCB progettati sulla base di metodi tradizionali non funzioneranno. Pertanto, la tecnologia di progettazione di circuiti ad alta velocità è diventata un metodo di progettazione che i progettisti di sistemi elettronici devono adottare. La controllabilità del processo di progettazione può essere raggiunta solo utilizzando le tecniche di progettazione dei progettisti di circuiti ad alta velocità.
(2) Che cosa è un circuito ad alta velocità
Si ritiene generalmente che se la frequenza di un circuito logico digitale raggiunge o supera 45MHZ ~ 50MHZ e il circuito che lavora sopra questa frequenza ha occupato una certa quota dell'intero sistema elettronico (ad esempio, 1/3), è chiamato circuito ad alta velocità.
Infatti, la frequenza armonica del bordo del segnale è superiore alla frequenza del segnale stesso. Sono i bordi in salita e in caduta del segnale (o salti di segnale) che causano risultati inaspettati nella trasmissione del segnale. Pertanto, è generalmente convenuto che se il ritardo di propagazione della linea è superiore a 1/2 del tempo di salita dell'estremità di azionamento del segnale digitale, tali segnali sono considerati segnali ad alta velocità e producono effetti sulla linea di trasmissione.
La trasmissione del segnale avviene nell'istante in cui cambia lo stato del segnale, come il tempo di salita o caduta. Il segnale passa un periodo di tempo fisso dall'estremità di guida all'estremità di ricezione. Se il tempo di trasmissione è inferiore a 1/2 del tempo di salita o caduta, il segnale riflesso dall'estremità ricevente raggiungerà l'estremità di guida prima che il segnale cambi stato. Al contrario, il segnale riflesso raggiungerà l'estremità dell'unità dopo che il segnale cambia stato. Se il segnale riflesso è forte, la forma d'onda sovrapposta può cambiare lo stato logico.
(3) Determinazione dei segnali ad alta velocità
Qui sopra abbiamo definito i presupposti per l'insorgere degli effetti della linea di trasmissione, ma come facciamo a sapere se il ritardo della linea è superiore a 1/2 del tempo di aumento del segnale dell'estremità dell'azionamento? Generalmente, il valore tipico del tempo di aumento del segnale può essere dato nel manuale del dispositivo e il tempo di propagazione del segnale è determinato dalla lunghezza effettiva del cablaggio nella progettazione PCB. La figura seguente mostra la relazione corrispondente tra il tempo di aumento del segnale e la lunghezza di cablaggio ammissibile (ritardo).
Il ritardo per pollice unitario sul PCB è di 0,167ns. Tuttavia, se ci sono molti vias, molti pin del dispositivo e molti vincoli impostati sul cavo di rete, il ritardo aumenterà. Generalmente, il tempo di aumento del segnale dei dispositivi logici ad alta velocità è di circa 0,2ns. Se ci sono chip GaAs sulla scheda, la lunghezza massima del cablaggio è 7,62mm.
Che Tr sia il tempo di aumento del segnale e Tpd sia il ritardo di propagazione della linea del segnale. Se Tr⥠4Tpd, il segnale cade in una zona sicura. Se 2Tpdâ Ÿ¥ Trâ Ÿ¥ 4Tpd, il segnale cade nella regione di incertezza. Se Tr⤠2Tpd, il segnale cade nell'area problematica. Per i segnali che cadono in aree incerte e aree problematiche, dovrebbero essere utilizzati metodi di cablaggio ad alta velocità.
(4) Cos'è una linea di trasmissione
Le tracce sulla scheda PCB possono essere equivalenti alle strutture di capacità, resistenza e induttanza in serie e parallele mostrate nella figura sottostante. Il valore tipico della resistenza di serie è 0,25-0,55 ohm/piede. A causa dello strato isolante, la resistenza della resistenza parallela è solitamente molto alta. Dopo aver aggiunto resistenza parassitaria, capacità e induttanza al cablaggio PCB effettivo, l'impedenza finale sul cablaggio è chiamata impedenza caratteristica Zo. Più ampio è il diametro del filo, più vicino alla potenza/terra, o maggiore è la costante dielettrica dello strato di isolamento, minore è l'impedenza caratteristica. Se l'impedenza della linea di trasmissione e dell'estremità ricevente non corrispondono, il segnale corrente di uscita e lo stato stabile finale del segnale saranno diversi, il che fa sì che il segnale venga riflesso all'estremità ricevente e questo segnale riflesso sarà trasmesso nuovamente all'estremità di trasmissione del segnale e riflesso indietro. Man mano che l'energia diminuisce, l'ampiezza del segnale riflesso diminuirà fino a quando la tensione e la corrente del segnale non si stabilizzano. Questo effetto è chiamato oscillazione, e l'oscillazione di un segnale può spesso essere vista sui bordi in salita e in caduta del segnale.
(5) Effetto linea di trasmissione
Sulla base del modello di linea di trasmissione sopra definito, per riassumere, la linea di trasmissione porterà i seguenti effetti all'intera progettazione del circuito.
# Segnali riflessi #
⢠Errori di ritardo e tempistica
⢠Attraversando ripetutamente la soglia di livello logico errore Falso switching
♪ Overshoot / Undershoot
⢠Rumore indotto (o crosstalk)
# Radiazioni EMI #
5.1 Segnale riflesso
Se una traccia non è terminata correttamente (corrispondenza terminale), l'impulso del segnale dall'estremità motrice viene riflesso all'estremità ricevente, causando effetti inaspettati e distorcendo il profilo del segnale. Quando la distorsione è molto significativa, può causare una varietà di errori e causare errori di progettazione. Allo stesso tempo, aumenta la suscettibilità del segnale distorto al rumore, che può anche causare guasti di progettazione. Se la situazione di cui sopra non è considerata sufficiente, EMI aumenterà significativamente, il che non solo influenzerà i risultati della propria progettazione, ma causerà anche il guasto dell'intero sistema.
Le ragioni principali dei segnali riflessi sono: tracce troppo lunghe; linee di trasmissione che non sono terminate da corrispondenza, capacità o induttanza eccessiva e disallineamento di impedenza.
5.2 Errori di ritardo e tempistica
Il ritardo del segnale e gli errori di temporizzazione si manifestano come: il segnale non salta per un periodo di tempo in cui il segnale cambia tra le soglie alte e basse del livello logico. Un ritardo eccessivo del segnale può causare errori di temporizzazione e confusione delle funzioni del dispositivo.
I problemi di solito sorgono quando ci sono più ricevitori. Il progettista del circuito deve determinare il ritardo di tempo peggiore per garantire la correttezza del progetto. Il motivo del ritardo del segnale: il driver è sovraccarico e il cablaggio è troppo lungo.
5.3 Errore multiplo di superamento della soglia di livello logico
Il segnale può superare la soglia del livello logico molte volte durante il processo di transizione, causando questo tipo di errore. L'errore di attraversare la soglia del livello logico più volte è una forma speciale di oscillazione del segnale, cioè, l'oscillazione del segnale avviene vicino alla soglia del livello logico e attraversare la soglia del livello logico più volte causerà il disturbo della funzione logica. Cause dei segnali riflessi: tracce lunghe, linee di trasmissione non definite, capacità o induttanza eccessiva e disallineamento di impedenza.
5.4 Sovraccarico e sottotiro
Overshoot e undershoot provengono da due motivi: la traccia è troppo lunga o il segnale cambia troppo velocemente. Sebbene la maggior parte delle estremità riceventi dei componenti sia protetta da diodi di protezione in ingresso, a volte questi livelli di overshoot supereranno di gran lunga la gamma di tensione di alimentazione dei componenti e danneggeranno i componenti.
5.5 Conversazione incrociata
Il crosstalk si manifesta come quando un segnale passa attraverso una linea di segnale, il segnale pertinente sarà indotto sulla linea di segnale adiacente ad esso sul PCB. Lo chiamiamo crosstalk.
Più la linea del segnale è vicina al suolo, maggiore è la spaziatura della linea e minore è il segnale crosstalk generato. I segnali asincroni e i segnali di clock sono più inclini al crosstalk. Pertanto, il metodo di crosstalk è quello di rimuovere il segnale crosstalk o schermare il segnale che è seriamente interferito.
5.6 Radiazioni elettromagnetiche
EMI (Electro-Magnetic Interference) si riferisce all'interferenza elettromagnetica. I problemi causati includono l'eccessiva radiazione elettromagnetica e la suscettibilità alle radiazioni elettromagnetiche. EMI si manifesta nel fatto che quando un sistema digitale è acceso, irradia onde elettromagnetiche nell'ambiente circostante, interferendo così con il normale funzionamento delle apparecchiature elettroniche nell'ambiente circostante. La ragione principale è che la frequenza di funzionamento del circuito è troppo alta e il layout è irragionevole. Esistono strumenti software per la simulazione EMI, ma i simulatori EMI sono molto costosi ed è difficile impostare parametri di simulazione e condizioni di confine, che influenzeranno direttamente l'accuratezza e la praticabilità dei risultati della simulazione. L'approccio più comune è quello di applicare le varie regole progettuali per il controllo EMI in ogni aspetto della progettazione, in modo da realizzare il rule-driven e il controllo in ogni aspetto della progettazione.
(6) Metodi per evitare effetti sulle linee di trasmissione
Considerate le influenze introdotte dai problemi della linea di trasmissione di cui sopra, parliamo dei metodi per controllare queste influenze dai seguenti aspetti.
6.1 Controllare rigorosamente la lunghezza dei cavi di rete chiave
Se c'è un bordo di transizione ad alta velocità nella progettazione, deve essere considerato il problema dell'effetto della linea di trasmissione sul PCB. I circuiti integrati veloci con frequenze di clock molto alte che sono comunemente utilizzati al giorno d'oggi hanno tali problemi. Ci sono alcuni principi di base per risolvere questo problema: se i circuiti CMOS o TTL sono utilizzati per la progettazione, la frequenza di funzionamento è inferiore a 10MHz e la lunghezza del cablaggio non dovrebbe essere superiore a 7 pollici. La lunghezza del cablaggio non dovrebbe essere superiore a 1,5 pollici a 50MHz. Se la frequenza di funzionamento raggiunge o supera 75MHz, la lunghezza del cablaggio dovrebbe essere di 1 pollice. La lunghezza massima del cablaggio per i chip GaAs dovrebbe essere di 0,3 pollici. Se questo standard viene superato, ci saranno problemi di linea di trasmissione.
6.2 Pianificare ragionevolmente la topologia del cablaggio
Un altro modo per risolvere l'effetto della linea di trasmissione è selezionare il percorso di cablaggio corretto e la topologia del terminale. La struttura topologica del cablaggio si riferisce alla sequenza di cablaggio e alla struttura di cablaggio di un cavo di rete. Quando si utilizzano dispositivi logici ad alta velocità, a meno che la lunghezza del ramo di traccia non sia mantenuta breve, i segnali con bordi che cambiano rapidamente saranno distorti dalle tracce di ramo sulla traccia del tronco del segnale. In circostanze normali, il routing PCB utilizza due topologie di base, vale a dire Daisy Chain routing e Star distribution.
Per il cablaggio a catena a margherita, il cablaggio parte dall'estremità di azionamento e raggiunge ogni estremità di ricezione a turno. Se si utilizza una resistenza di serie per modificare le caratteristiche del segnale, la posizione della resistenza di serie dovrebbe essere vicina all'estremità dell'azionamento. In termini di controllo dell'interferenza armonica di alto ordine del cablaggio, il cablaggio a catena margherita ha l'effetto migliore. Tuttavia, questo metodo di cablaggio ha il tasso di distribuzione più basso e non è facile distribuire al 100%. Nella progettazione effettiva, rendiamo la lunghezza del ramo nel cablaggio della catena a margherita il più breve possibile. Il valore di lunghezza sicura dovrebbe essere: Stub Delay <= Trt *0.1.
Ad esempio, la lunghezza dell'estremità del ramo in un circuito TTL ad alta velocità dovrebbe essere inferiore a 1,5 pollici. Questa topologia occupa meno spazio di cablaggio e può essere terminata con un singolo resistore. Tuttavia, questa struttura di cablaggio rende asincrona la ricezione dei segnali alle diverse estremità di ricezione del segnale.
La struttura della topologia a stella può efficacemente evitare il problema asincrono del segnale dell'orologio, ma è molto difficile completare manualmente il cablaggio sulla scheda PCB ad alta densità. Utilizzare un router automatico è il modo migliore per completare il cablaggio a stella. Le resistenze di terminazione sono richieste su ogni ramo. La resistenza della resistenza terminale deve corrispondere all'impedenza caratteristica del collegamento. Questo può essere calcolato manualmente o con strumenti CAD per calcolare il valore di impedenza caratteristica e il valore di resistenza corrispondente al terminale.
Nei due esempi precedenti vengono utilizzate resistenze terminali semplici. In pratica, è possibile selezionare terminali di corrispondenza più complessi. La prima opzione è RC matching terminal. Il terminale di corrispondenza RC può ridurre il consumo energetico, ma può essere utilizzato solo quando il segnale è relativamente stabile. Questo metodo è più adatto per abbinare il segnale della linea dell'orologio. Lo svantaggio è che la capacità nel terminale di corrispondenza RC può influenzare la forma e la velocità di propagazione del segnale.
Il terminale di corrispondenza della resistenza di serie non produrrà consumo energetico aggiuntivo, ma rallenterà la trasmissione del segnale. Questo metodo è utilizzato per i circuiti di azionamento bus in cui il ritardo di tempo ha poco effetto. Il vantaggio del terminale di corrispondenza della resistenza di serie è che può ridurre il numero di dispositivi di bordo e la densità del cablaggio.
L'ultimo metodo è quello di separare il terminale corrispondente. In questo modo, il componente corrispondente deve essere posizionato vicino all'estremità ricevente. Il vantaggio è che non tirerà giù il segnale e il rumore può essere evitato molto bene. Tipicamente utilizzato per segnali di ingresso TTL (ACT, HCT, FAST).
Inoltre, devono essere presi in considerazione anche il tipo di pacchetto e il tipo di installazione della resistenza corrispondente del terminale. Generalmente, le resistenze di montaggio superficiale SMD hanno induttanza inferiore rispetto ai componenti passanti, quindi i componenti confezionati SMD diventano la prima scelta. Se si scelgono resistenze in linea ordinarie, ci sono anche due opzioni per l'installazione: verticale e orizzontale.
Nella modalità di installazione verticale, un perno di montaggio della resistenza è molto corto, che può ridurre la resistenza termica tra la resistenza e il circuito stampato, in modo che il calore della resistenza possa essere dissipato più facilmente nell'aria. Ma un'installazione verticale più lunga aumenterà l'induttanza della resistenza. L'installazione orizzontale ha induttanza inferiore a causa della minore installazione. Tuttavia, la resistenza surriscaldata andrà alla deriva. Nel peggiore dei casi, la resistenza diventerà un circuito aperto, causando l'errore di corrispondenza della terminazione della traccia PCB e diventando un potenziale fattore di guasto.
6.3 Metodi per sopprimere le interferenze elettromagnetiche
Una buona soluzione al problema dell'integrità del segnale migliorerà la compatibilità elettromagnetica (EMC) della scheda PCB. Uno dei punti molto importanti è garantire che la scheda PCB abbia una buona messa a terra. È molto efficace utilizzare uno strato di segnale con uno strato di terra per progetti complessi. Inoltre, ridurre al minimo la densità del segnale dello strato più esterno del circuito stampato è anche un buon modo per ridurre la radiazione elettromagnetica. Questo metodo può essere realizzato utilizzando la tecnologia "strato di superficie" di progettazione "Build-up" e produzione PCB. Lo strato superficiale è realizzato aggiungendo una combinazione di un sottile strato isolante e micro-fori utilizzati per penetrare questi strati su un PCB di processo comune. La resistenza e la capacità possono essere sepolte sotto lo strato superficiale e la densità di traccia per unità di area sarà quasi raddoppiata. Ridurre le dimensioni del PCB. La riduzione dell'area PCB ha un impatto enorme sulla struttura topologica della traccia, il che significa che il ciclo corrente è ridotto, la lunghezza della traccia del ramo è ridotta e la radiazione elettromagnetica è approssimativamente proporzionale all'area del ciclo corrente; Allo stesso tempo, la caratteristica di piccole dimensioni significa che possono essere utilizzati dispositivi confezionati con piede, che a sua volta riduce la lunghezza del filo, riducendo così il ciclo di corrente e migliorando le caratteristiche di compatibilità elettromagnetica.
6.4 Altre tecnologie applicabili
Al fine di ridurre il superamento istantaneo della tensione sull'alimentazione del chip del circuito integrato, un condensatore di disaccoppiamento dovrebbe essere aggiunto al chip del circuito integrato. Ciò può efficacemente rimuovere gli effetti delle sbavature sull'alimentazione elettrica e ridurre la radiazione del ciclo di alimentazione sulla scheda stampata.
Quando il condensatore di disaccoppiamento è collegato direttamente alla gamba del tubo di alimentazione del circuito integrato invece dello strato di potenza, l'effetto di levigare la bava è migliore. Questo è il motivo per cui alcune prese di dispositivo hanno condensatori di disaccoppiamento, e alcuni dispositivi richiedono che la distanza tra il condensatore di disaccoppiamento e il dispositivo sia abbastanza piccola.
Qualsiasi dispositivo ad alta velocità e ad alta potenza dovrebbe essere posizionato il più possibile insieme per ridurre il superamento transitorio della tensione di alimentazione.
Se non c'è uno strato di potenza, la lunga connessione di alimentazione formerà un loop tra il segnale e il loop, diventando una sorgente di radiazioni e un circuito sensibile.
La situazione in cui le tracce formano un loop che non attraversa lo stesso cavo di rete o altre tracce è chiamata loop aperto. Se il loop passa attraverso altri fili dello stesso cavo di rete, esso costituisce un loop chiuso. In entrambi i casi si formano effetti di antenna (antenne filo e antenne loop). L'antenna genera radiazioni EMI esternamente ed è anche un circuito sensibile stesso. Il ciclo chiuso è un problema che deve essere considerato, perché la radiazione che genera è approssimativamente proporzionale all'area del ciclo chiuso.
Osservazioni conclusive
La progettazione del circuito ad alta velocità è un processo di progettazione molto complicato. L'algoritmo di routing ad alta velocità ZUKEN (Route Editor) e il software di analisi EMC/EMI (INCASES, Hot-Stage) sono utilizzati per analizzare e trovare problemi. Il metodo descritto in questo articolo è specificamente finalizzato a risolvere questi problemi di progettazione di circuiti ad alta velocità. Inoltre, ci sono diversi fattori che devono essere presi in considerazione quando si progettano circuiti ad alta velocità, e questi fattori sono talvolta opposti tra loro. Ad esempio, quando i dispositivi ad alta velocità sono posizionati uno vicino all'altro, anche se il ritardo può essere ridotto, si possono verificare conversazioni incrociate e effetti termici significativi. Pertanto, nella progettazione, è necessario pesare vari fattori e fare un compromesso globale; Non solo soddisfare i requisiti di progettazione, ma anche ridurre la complessità di progettazione. L'uso di metodi di progettazione PCB ad alta velocità costituisce la controllabilità del processo di progettazione e solo quelli controllabili sono affidabili.
