PCB Tecnico - Analisi dell'integrità del segnale nella progettazione di circuiti ad alta velocità

Man mano che la frequenza dell'orologio del sistema e il tempo di aumento aumentano, la progettazione dell'integrità del segnale diventa sempre più importante. Purtroppo, la maggior parte dei progettisti di circuiti digitali non si rende conto dell'importanza dei problemi di integrità del segnale, o non se ne rende conto fino alla fase finale del progetto.

Questo articolo introduce l'influenza dell'integrità del segnale nella progettazione di circuiti hardware digitali ad alta velocità. Ciò include problemi come il controllo dell'impedenza caratteristica, la corrispondenza dei terminali, i piani di potenza e di terra, l'instradamento del segnale e il crosstalk. Padroneggiare questa conoscenza consente a un progettista di circuiti digitali di notare potenziali problemi di integrità del segnale nelle prime fasi della progettazione del circuito e può anche aiutare la progettazione per evitare l'impatto dell'integrità del segnale sulle prestazioni di progettazione.

Sebbene l'integrità del segnale sia sempre stata una delle esperienze di progettazione necessarie per gli ingegneri hardware, è stata a lungo ignorata nella progettazione di circuiti digitali. Nell'era della progettazione del circuito logico a bassa velocità, poiché raramente si verificano problemi legati all'integrità del segnale, la considerazione dell'integrità del segnale è considerata uno spreco di efficienza. Tuttavia, con l'aumento dei tassi di clock e dei tempi di aumento negli ultimi anni, è aumentata anche la necessità e la progettazione di analisi dell'integrità del segnale. Sfortunatamente, la maggior parte dei progettisti non ha notato, e ancora raramente considerano la questione dell'integrità del segnale nel design.

I moderni circuiti digitali possono raggiungere frequenze fino a GHz e avere tempi di aumento entro 50ps. A questo ritmo, la negligenza sulla traccia di progettazione del PCB è persino di un piede e i problemi di tensione, ritardo e interfaccia risultanti non solo saranno limitati a questa linea, ma influenzeranno anche l'intera scheda e le schede adiacenti.

Questo problema è particolarmente grave nei circuiti ibridi. Ad esempio, si consideri che esiste un ADC ad alte prestazioni in un sistema per ricevere digitalmente segnali analogici. La diffusione di energia sulla porta di uscita digitale del dispositivo ADC può facilmente raggiungere 130dB (10, 000, 000, 000, 000 volte) rispetto alla porta di ingresso analogica. Qualsiasi rumore sulla porta digitale ADC. L'integrità del segnale nella progettazione non è un processo misterioso. È fondamentale rendersi conto dei potenziali problemi nelle prime fasi della progettazione, ed evitare efficacemente i problemi causati da questo nelle fasi successive. Questo articolo illustra alcune sfide chiave per l'integrità del segnale e come affrontarle.

Garantire l'integrità del segnale:

1. Isolamento

I componenti su una scheda PCB hanno varie velocità di bordo e varie differenze di rumore. Il modo più diretto per migliorare il SI è quello di ottenere l'isolamento fisico dei componenti sul PCB in base al valore limite e alla sensibilità del dispositivo. La figura seguente è un esempio. Nell'esempio, saranno presi in considerazione in particolare l'alimentazione elettrica, le porte I/O digitali e la logica ad alta velocità, che sono circuiti ad alto rischio per circuiti di conversione di clock e dati. Nel primo layout, posizionare l'orologio e i convertitori di dati adiacenti al dispositivo rumoroso. Il rumore si accoppia ai circuiti sensibili e riduce le loro prestazioni. L'isolamento efficace del circuito nel secondo layout avvantaggerà l'integrità del segnale della progettazione del sistema.

2. Impedenza, riflessione e corrispondenza terminale

Il controllo di impedenza e la corrispondenza dei terminali sono problemi di base nella progettazione di circuiti ad alta velocità. Di solito il circuito di radiofrequenza è considerato la parte più importante in ogni progettazione del circuito, ma alcuni progetti di circuiti digitali con frequenza superiore a quella della radiofrequenza trascurano l'impedenza e la corrispondenza del terminale.

Ci sono diversi effetti fatali sui circuiti digitali a causa di disallineamento di impedenza, vedere la figura seguente:

a. Il segnale digitale causerà riflessi tra l'ingresso del dispositivo ricevente e l'uscita del dispositivo trasmittente. Il segnale riflesso è rimbalzato indietro e si propaga lungo entrambe le estremità della linea fino a quando è completamente assorbito alla fine.

b. Il segnale riflesso provoca l'effetto di squillo del segnale che passa attraverso la linea di trasmissione e l'squillo influenzerà la tensione e il ritardo del segnale e il deterioramento completo del segnale.

c. I percorsi del segnale non corrispondenti possono causare radiazioni del segnale all'ambiente.

Il problema causato da disallineamento di impedenza può essere minimizzato terminando le resistenze. La resistenza di terminazione è solitamente uno o due componenti discreti posizionati sulla linea del segnale vicino all'estremità ricevente. Il metodo semplice è quello di collegare una piccola resistenza in serie.

La resistenza del terminale limita il tempo di aumento del segnale e assorbe parte dell'energia riflessa. Vale la pena notare che l'uso della corrispondenza dell'impedenza non può eliminare completamente i fattori distruttivi. Tuttavia, selezionando attentamente il dispositivo appropriato, l'impedenza terminale può controllare efficacemente l'integrità del segnale.

Non tutte le linee di segnale necessitano di controllo dell'impedenza, come le caratteristiche di impedenza e impedenza terminale delle specifiche PCI compatte.

Per altri standard e progettisti che non richiedono specifiche di controllo dell'impedenza, non sono specificamente interessati. La norma finale può cambiare da un'applicazione all'altra. Pertanto, è necessario considerare la lunghezza della linea del segnale (correlazione e ritardo Td) e il tempo di aumento del segnale (Tr). La regola generale per il controllo dell'impedenza è che Td (ritardo) dovrebbe essere maggiore di 1/6 di Tr.

3. Strato elettrico interno e segmentazione dello strato elettrico interno

I fattori che saranno ignorati dai progettisti di circuiti digitali nella progettazione del circuito corrente includono la considerazione della trasmissione di segnali monoterminale tra due circuiti gate (come mostrato nella figura sottostante). L'anello corrente dal cancello A al cancello B, e poi di nuovo al cancello A dal piano di terra.

Ci saranno due potenziali problemi nella foto sopra:

a. Il piano di terra tra i punti A e B deve essere collegato attraverso un percorso a bassa impedenza. Se una grande impedenza è collegata tra i piani di terra, ci sarà un backflow di tensione tra i pin del piano di terra. Ciò porterà inevitabilmente alla distorsione dell'ampiezza del segnale di tutti i dispositivi e alla sovrapposizione del rumore in ingresso.

b. L'area del ciclo di ritorno corrente dovrebbe essere il più piccola possibile. Il loop è come un'antenna. In generale, un'area del ciclo più ampia aumenterà la possibilità di radiazione del ciclo e conduzione. Ogni progettista di circuiti spera che la corrente di ritorno possa essere direttamente lungo la linea del segnale, in modo che l'area del loop più piccola.

Utilizzando la messa a terra di grande area può risolvere i due problemi di cui sopra allo stesso tempo. La messa a terra di grandi aree può fornire una piccola impedenza tra tutti i punti di messa a terra, consentendo al contempo alla corrente di ritorno di tornare il più direttamente possibile lungo la linea del segnale.

Un errore comune tra i progettisti di PCB è quello di fare vias e slot nel piano di terra. La figura seguente mostra la direzione del flusso di corrente quando una linea di segnale si trova su uno strato geoelettrico scanalato. La corrente di loop sarà costretta a bypassare lo slot, che produrrà inevitabilmente un grande loop circolante.

In generale, non è possibile inserire nel piano di potenza a terra. Tuttavia, in alcune situazioni in cui la scanalatura è inevitabile, il progettista del PCB deve prima assicurarsi che nessun loop di segnale passi attraverso l'area scanalata. Le stesse regole si applicano ai circuiti a segnale misto.

A meno che non siano utilizzati più piani di terra nella scheda PCB. Soprattutto nel circuito ADC ad alte prestazioni, lo strato di terra che separa il segnale analogico, il segnale digitale e il circuito di clock può essere utilizzato per ridurre efficacemente l'interferenza tra i segnali. Va sottolineato ancora una volta che in alcune occasioni in cui la scanalatura è inevitabile, il progettista di PCB deve prima assicurarsi che nessun loop di segnale passi attraverso l'area scanalata.

Nello strato di potenza con una differenza a specchio, occorre prestare attenzione anche all'area dell'area dello strato intermedio (come mostrato nella figura sottostante). Al bordo della scheda, c'è l'effetto di radiazione dello strato del piano di potenza allo strato del piano di terra. L'energia elettromagnetica che fuoriesce dal bordo danneggerà le schede adiacenti. Vedi figura a sotto. Ridurre correttamente l'area dello strato del piano di potenza (vedere figura b sotto), in modo che lo strato del piano di terra si sovrapponga in una certa area. Ciò ridurrà l'impatto delle perdite elettromagnetiche sulle schede adiacenti.

4. Cablaggio del segnale

La cosa più importante per garantire l'integrità del segnale è il cablaggio fisico delle linee di segnale. I progettisti di PCB sono spesso sotto pressione di lavoro, non solo per completare la progettazione nel più breve tempo possibile, ma anche per garantire l'integrità del segnale. Sapere bilanciare il divario tra possibili problemi e segnali promuoverà il processo di progettazione del sistema. La corrente ad alta velocità non può gestire efficacemente le discontinuità nelle linee di segnale. Il problema della discontinuità del segnale è più probabile che si verifichi nella figura a sottostante. Nei circuiti a bassa velocità, di solito non c'è bisogno di considerare la discontinuità del segnale, ma nei circuiti ad alta velocità, questo problema deve essere considerato. Pertanto, nella progettazione del circuito e utilizzando il metodo mostrato in b/c nella figura sottostante, la continuità del segnale può essere efficacemente garantita.

Nella progettazione di circuiti ad alta velocità, c'è un altro problema comune con il cablaggio del segnale. Se non c'è motivo speciale, tutti i cavi corti dovrebbero essere eliminati il più possibile. Nella progettazione del circuito ad alta frequenza, il cablaggio corto è come la radiazione causata dalla corrispondenza di impedenza delle linee di segnale.

Particolare attenzione dovrebbe essere prestata all'instradamento delle coppie differenziali nel instradamento della progettazione di circuiti ad alta velocità. La coppia differenziale è guidata da due linee di segnale completamente complementari. La coppia differenziale può evitare interferenze di rumore e migliorare il tasso S/N. Tuttavia, la linea di segnale differenziale coppia ha requisiti particolarmente elevati per il cablaggio:

1. I due fili devono essere il più vicino possibile al cablaggio;

2. La lunghezza delle due linee deve essere esattamente la stessa;

Come indirizzare correttamente le linee di segnale differenziali di coppia tra due dispositivi che non sono disposti insieme è un problema chiave.

Nella figura precedente a, a causa dell'incoerenza della lunghezza delle due linee di segnale, ci saranno alcuni rischi incerti. Il cablaggio corretto dovrebbe prendere il modo mostrato nella Figura b sopra. La regola generale nel cablaggio differenziale a coppia è di mantenere le due linee di segnale equamente distanziate e vicine l'una all'altra.

5. Crosstalk

Nella progettazione PCB, crosstalk è un altro problema degno di attenzione. La figura seguente mostra l'area crosstalk e l'area elettromagnetica associata tra tre coppie adiacenti di linee di segnale parallele in un PCB. Quando l'intervallo tra le linee di segnale è troppo piccolo, le regioni elettromagnetiche tra le linee di segnale si influenzano a vicenda, con conseguente deterioramento del segnale, che è crosstalk.

Il crosstalk può essere risolto aumentando la spaziatura tra le linee del segnale. Tuttavia, i progettisti PCB sono solitamente vincolati dallo spazio di cablaggio sempre più stretto e dalla spaziatura stretta della linea del segnale; Poiché non ci sono più scelte nel design, è inevitabile introdurre alcuni problemi crosstalk nel design. Ovviamente, i progettisti di PCB devono essere in grado di gestire i problemi di crosstalk. Nel corso degli anni sono state pubblicate molte norme pertinenti per la spaziatura affidabile. Una regola generalmente riconosciuta nel settore è la regola 3W, cioè la distanza tra linee di segnale adiacenti dovrebbe essere almeno 3 volte la larghezza della linea di segnale. Tuttavia, la spaziatura accettabile delle linee di segnale nella pratica dipende da fattori quali l'applicazione effettiva, l'ambiente di lavoro e la ridondanza del progetto. La spaziatura tra le linee del segnale cambia da una situazione all'altra e viene calcolata ogni volta. Pertanto, quando i problemi di crosstalk sono inevitabili, il crosstalk dovrebbe essere quantificato. Questo può essere rappresentato dalla tecnologia di simulazione informatica. Utilizzando il simulatore, il progettista può determinare l'effetto di integrità del segnale e * stimare l'effetto crosstalk del sistema.

6. disaccoppiamento di potenza

Il disaccoppiamento di alimentazione è ora una pratica standard nella progettazione di circuiti digitali. Citarlo qui aiuterà a ridurre i problemi di rumore sulle linee elettriche. Un alimentatore pulito è essenziale per progettare un circuito ad alte prestazioni. Il rumore ad alta frequenza sovrapposto all'alimentatore causerà problemi per ogni dispositivo digitale adiacente. Il rumore tipico proviene da rimbalzi di terra, radiazioni di segnale o dispositivi digitali stessi. Il modo più semplice per risolvere il rumore dell'alimentazione elettrica è quello di utilizzare condensatori per disaccoppiare il rumore ad alta frequenza sul terreno. Il condensatore di disaccoppiamento ideale fornisce un percorso a bassa impedenza verso terra per il rumore ad alta frequenza, eliminando così il rumore dell'alimentazione elettrica. Scegliere condensatori di disaccoppiamento in base alle applicazioni reali. La maggior parte dei progettisti sceglierà condensatori di montaggio superficiale il più vicino possibile ai pin dell'alimentazione elettrica e il valore di capacità dovrebbe essere abbastanza grande da fornire un percorso a bassa resistenza a terra per un rumore prevedibile dell'alimentazione elettrica. Il problema di solito riscontrato quando si utilizzano condensatori di disaccoppiamento è che i condensatori di disaccoppiamento non possono essere considerati semplicemente condensatori. Ci sono diverse situazioni:

a. l'imballaggio del condensatore causerà induttanza parassitaria;

b. i condensatori porteranno alcune resistenze equivalenti;

c. il cavo tra il perno dell'alimentazione elettrica e il condensatore di disaccoppiamento porterà qualche induttanza equivalente;

d. il filo tra il perno di terra e il piano di terra porterà qualche induttanza equivalente; gli effetti che ne derivano:

a. i condensatori causeranno effetti di risonanza su frequenze specifiche e la conseguente impedenza di rete avrà un impatto maggiore sui segnali nelle bande di frequenza adiacenti;

b. La resistenza equivalente (ESR) inciderà anche sul percorso a bassa resistenza formato dal disaccoppiamento del rumore ad alta velocità;

Quanto segue riassume l'effetto che questo ha su un designer digitale:

a. I cavi estratti dai perni Vcc e GND sul dispositivo devono essere trattati come piccoli induttori. Pertanto, si consiglia di rendere i cavi Vcc e GND il più corti e spessi possibile nella progettazione.

b. Scegliere un condensatore con basso effetto ESR, che aiuta a migliorare il disaccoppiamento dell'alimentazione elettrica;

c. La scelta dei condensatori del piccolo pacchetto ridurrà l'induttanza del pacchetto. Cambiare il dispositivo con un pacchetto più piccolo comporterà un cambiamento nelle caratteristiche della temperatura. Pertanto, dopo aver selezionato un condensatore di piccole dimensioni, il layout del dispositivo nella progettazione deve essere regolato.

Nella progettazione, la sostituzione dei condensatori X7R con i condensatori Y5V può garantire un pacchetto più piccolo e un'induttanza equivalente inferiore, ma allo stesso tempo costerà anche più costi del dispositivo per garantire caratteristiche ad alta temperatura.

Nella progettazione, dovrebbe essere preso in considerazione anche il disaccoppiamento del rumore a bassa frequenza con condensatori di grande capacità. L'uso di condensatori elettrolitici separati e condensatori al tantalio può migliorare l'economicità del dispositivo.

7. Riassunto:

L'integrità del segnale è una delle questioni più importanti durante la progettazione di circuiti digitali ad alta velocità; Ecco alcuni suggerimenti per garantire l'integrità del segnale nella progettazione di circuiti digitali:

a. isolare fisicamente i componenti sensibili dai componenti acustici;

b. controllo di impedenza, riflessione e corrispondenza del terminale del segnale;

c. Utilizzare gli strati del piano di terra e del potere continuo;

d. Cercate di evitare di utilizzare angoli retti nel cablaggio;

e. la lunghezza del cablaggio della coppia differenziale è uguale;

f. La conversazione incrociata dovrebbe essere considerata nella progettazione dei circuiti ad alta velocità;

g. problema di disaccoppiamento dell'alimentazione elettrica;

Una buona comprensione dei problemi nella progettazione dei circuiti digitali menzionati sopra può aiutare i progettisti di circuiti digitali a trovare il maggior numero di potenziali problemi nella progettazione dei circuiti possibili nella fase iniziale della progettazione dei circuiti.