PCB Tecnico - Che cosa è la progettazione PCB ad alta velocità

Che cos'è la progettazione di PCB ad alta velocità? Progettazione PCB ad alta velocità si riferisce alla progettazione della scheda di circuito che può supportare la trasmissione di segnale ad alta velocità, questi segnali di solito si riferiscono a segnali digitali ad alta velocità, segnali analogici ad alta velocità e così via. Progettazione PCB ad alta velocità nella scelta dei materiali, la progettazione del layout, la progettazione del cablaggio e altri aspetti di requisiti speciali per garantire che l'integrità e la stabilità del segnale nel processo di trasmissione, il segnale nel processo di trasmissione non sia distorto, non attenui e per soddisfare i requisiti di prestazione del sistema.

Che cos'è un segnale ad alta velocità?

In risposta a questa domanda, Cadence, una società di software EDA di fama mondiale, lo definisce:

Qualsiasi segnale superiore a 50 MHz è un segnale ad alta velocità;

Quando la lunghezza del percorso di trasmissione della regione in cui si trova il segnale è superiore a 1/6λ, sarà identificato come segnale ad alta velocità;

Se il segnale è ad alta velocità o no è indipendente dalla frequenza, e il default generale: un segnale è considerato ad alta velocità quando il suo bordo saliente / scendente è inferiore a 50ps;

Quando il segnale viene trasmesso lungo il percorso di trasmissione, può essere considerato come un segnale ad alta velocità se si verificano gravi effetti cutanei e perdita di potenza.

Che cosa è il circuito ad alta velocità

Si considera generalmente che se la frequenza del circuito logico digitale raggiunge o supera 45MHZ ~ 50MHZ, e il circuito che funziona al di sopra di questa frequenza ha rappresentato una certa quantità dell'intero sistema elettronico (diciamo, 1/3), si chiama circuito ad alta velocità.

Infatti, la frequenza armonica del bordo del segnale è superiore a quella del segnale stesso. È il bordo in aumento e il bordo in caduta (o salto del segnale) che causano il risultato inaspettato della trasmissione del segnale. Pertanto, è generalmente convenuto che se il ritardo di propagazione della linea è superiore al tempo di ascesa dell'estremità di guida di 1/2 del segnale digitale, tale segnale è considerato segnale ad alta velocità e produce effetto di linea di trasmissione.

La trasmissione del segnale avviene nel momento in cui lo stato del segnale cambia, come ad esempio il momento dell'aumento o della caduta. Il segnale passa attraverso un periodo di tempo fisso dal conducente al ricevitore. Se il tempo di trasmissione è inferiore a 1/2 del tempo di salita o caduta, il segnale riflesso dal ricevitore raggiungerà il conducente prima che il segnale cambi stato. Al contrario, il segnale riflesso arriverà al driver dopo che il segnale cambia stato. Se il segnale riflesso è forte, la forma d'onda sovrapposta può cambiare lo stato logico.

Determinazione dei segnali ad alta velocità

Qui sopra abbiamo definito i presupposti per il verificarsi dell'effetto della linea di trasmissione, ma come sapere se il ritardo della linea è superiore a 1/2 del tempo di aumento del segnale del conducente? In generale, il valore tipico del tempo di aumento del segnale può essere dato nel manuale del dispositivo e il tempo di viaggio del segnale nella progettazione PCB è determinato dalla lunghezza effettiva del cablaggio. La figura seguente mostra la corrispondenza tra il tempo di aumento del segnale e la lunghezza di cablaggio consentita (ritardo).

Il ritardo per unità di pollice sul PCB è di 0,167ns. Tuttavia, se ci sono molti fori, pin e vincoli sul cavo di rete, il ritardo aumenterà. In genere, il tempo di aumento del segnale per dispositivi logici ad alta velocità è di circa 0,2ns. Se c'è un chip GaAs sulla scheda, la lunghezza del cablaggio è di 7,62 mm.

Impostare Tr come tempo di aumento del segnale e Tpd come ritardo di propagazione della linea del segnale. Se Trâ ¥4Tpd, il segnale cade nella zona sicura. Se 2Tpd, il segnale cade nella regione di incertezza. Se Trâ¤2Tpd, il segnale cade nell'area del problema. Per i segnali che cadono in aree incerte e problematiche, dovrebbero essere utilizzati metodi di cablaggio ad alta velocità.

Che cos'è la linea di trasmissione

Il cablaggio sulla scheda PCB può essere equivalente alla serie e alla struttura parallela di capacità, resistenza e induttanza mostrate di seguito. I valori tipici per le resistenze di serie sono 0,25-0,55 ohm/piede. Le resistenze parallele sono solitamente molto alte a causa dello strato isolante. Dopo che la resistenza parassitaria, la capacità e l'induttanza sono state aggiunte al cablaggio PCB effettivo, l'impedenza finale sul cablaggio è chiamata impedenza caratteristica Zo. Più ampio è il diametro del filo, più vicino è 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, che sarà inviato indietro al trasmettitore 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 oscillazioni, e le oscillazioni del segnale sono spesso viste ai bordi in salita e in caduta del segnale.

Effetto linea di trasmissione

Sulla base del modello di linea di trasmissione sopra definito, si può concludere che la linea di trasmissione avrà i seguenti effetti sulla progettazione complessiva del circuito.

· Segnali riflessi Segnali riflessi

· Errori di ritardo e tempistica

· Errori di superamento della soglia a livello logico multiplo False Switching

· Overshoot e Undershoot

• Rumore indotto (o crosstalk)

• Radiazioni EMI

Segnale riflesso

Se una linea non viene terminata correttamente (corrispondenza terminale), l'impulso di segnale del driver viene riflesso al ricevitore, causando un effetto inaspettato che distorce il profilo del segnale. Quando la distorsione della distorsione è molto significativa, può portare a una varietà di errori, con conseguente guasto di progettazione. Allo stesso tempo, la distorsione del segnale alla sensibilità al rumore aumentata, causerà anche guasti di progettazione. Se la situazione di cui sopra non viene considerata sufficientemente, l'EMI aumenterà significativamente, il che non solo influenzerà i risultati di progettazione, ma causerà anche il guasto dell'intero sistema.

Le cause principali dei segnali riflessi sono le seguenti: cablaggio troppo lungo; Linee di trasmissione terminate senza pari, capacità o induttanza in eccesso e incompatibilità di impedenza.

Errori di ritardo e tempistica

I ritardi del segnale e gli errori di tempistica sono: il segnale rimane invariato per un periodo di tempo in cui il segnale cambia tra le soglie alte e basse del livello logico. Un eccessivo ritardo del segnale può portare a errori di temporizzazione e disfunzioni del dispositivo.

I problemi di solito si verificano quando ci sono più ricevitori. Il progettista del circuito deve determinare il ritardo nel caso negativo per assicurarsi che la progettazione sia corretta. Causa del ritardo del segnale: il driver è sovraccaricato e il cavo è troppo lungo.

Errori multipli di soglia di attraversamento del livello logico

Il segnale può superare la soglia di livello logico più volte durante il salto, con conseguente questo tipo di errore. L'errore di soglia di livello logico è una forma speciale di oscillazione del segnale, cioè l'oscillazione del segnale si verifica vicino alla soglia di livello logico, l'attraversamento multiplo della soglia di livello logico porterà a una disfunzione logica. I segnali riflessi sono causati da: cablaggio troppo lungo, linee di trasmissione non interrotte, capacità o induttanza in eccesso e incompatibilità di impedenza.

Overshoot e downshoot

L'overshoot e il downshoot derivano da due motivi: la linea troppo lunga o il segnale cambia troppo velocemente. Anche se la maggior parte dei ricevitori di elementi sono protetti da diodi di protezione di ingresso, a volte questi livelli di superamento possono superare la gamma di tensione di alimentazione dell'elemento, danneggiando l'elemento.

Crosstalk

Crosstalk significa che quando un segnale passa attraverso una linea di segnale, i segnali rilevanti saranno indotti sulle linee di segnale adiacenti sulla scheda PCB, che viene chiamata crosstalk.

Più il cavo di segnale è vicino al cavo di terra, maggiore è la distanza tra le linee e minore è il segnale crosstalk generato. I segnali asincroni e i segnali di clock sono più inclini al crosstalk. Pertanto, il metodo per eliminare il crosstalk è quello di rimuovere il segnale crosstalk o schermare il segnale seriamente disturbato.

Radiazione elettromagnetica

Interferenza elettromagnetica (EMI), che provoca radiazioni elettromagnetiche eccessive e sensibilità alle radiazioni elettromagnetiche. EMI indica che quando un sistema digitale è acceso, irradia onde elettromagnetiche all'ambiente circostante, interferendo così con il normale funzionamento dei dispositivi elettronici nell'ambiente circostante. La ragione principale è che la frequenza di lavoro del circuito è troppo alta e il layout e il cablaggio sono irragionevoli. Attualmente, ci sono strumenti software per la simulazione EMI, ma gli emulatori 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. La pratica comune è quella di applicare le regole di progettazione che controllano EMI ad ogni collegamento del progetto per realizzare la regola guida e controllo in ogni collegamento del progetto.

Elementi essenziali della progettazione di PCB ad alta velocità: guida al layout e al cablaggio

Specificazione ragionevole del layout e del cablaggio, è quello di garantire l'integrità del segnale, per prevenire crosstalk, radiazione e discontinuità di impedenza e altri problemi EMI comuni. Le seguenti specifiche possono essere maggiori per evitare una serie di problemi nella progettazione PCB ad alta velocità.

1. Strato di terra, strato di potenza e strato di impilamento: Assicurarsi che il PCB impilato sotto la linea di trasmissione ad alta velocità abbia una terra uniforme e non attraversi il divario tra lo strato di terra / potenza.

2.Impedenza caratteristica: nella linea di trasmissione dovrebbero essere applicate larghezze di allineamento specifiche per garantire che l'impedenza caratteristica e l'impedenza di ingresso abbiano valori specifici sull'interconnessione ad alta velocità.

3. Distanza tra le linee di trasmissione: mantenere una distanza adeguata tra gli allineamenti sul PCB per evitare una significativa crosstalk e per garantire che i segnali non superino la tolleranza al rumore del ricevitore.

Integrità della potenza: collocare gli strati di potenza e terra fianco a fianco, in particolare la porzione del PDN che alimenta i componenti ad alta velocità per prevenire l'eccessivo suono.

5.Bus e Differential Pair Routing: Applicare le corrispondenze di tempistica su bus paralleli e coppie differenziali per garantire una deviazione minima tra segnali critici.

6.Component Placement: Assicurarsi che i componenti critici ad alta velocità siano posizionati nel layout PCB in modo che tutti i segnali critici possano essere instradati con transizioni minime di strato.