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

1. Sfide affrontate dalla progettazione di sistemi elettronici

Con il miglioramento su larga scala della complessità e dell'integrazione della progettazione del sistema, i progettisti di sistemi elettronici sono impegnati nella progettazione di circuiti stampati di oltre 100MHZ e la frequenza di lavoro del bus ha raggiunto o superato 50MHZ e alcuni addirittura superato 100MHZ. Circa il 50% dei progetti attuali ha frequenze di clock superiori a 50MHz e quasi il 20% ha frequenze di clock superiori a 120MHz.

Quando il sistema funziona a 50MHz, si verificheranno problemi di integrità dell'effetto della linea di trasmissione e del segnale. Quando l'orologio di sistema raggiunge 120MHz, i progetti PCB basati sui metodi tradizionali non funzioneranno a meno che non vengano utilizzate conoscenze di progettazione del circuito ad alta velocità. Pertanto, la tecnologia di progettazione di circuiti ad alta velocità è diventata i progettisti di sistemi elettronici devono prendere i mezzi di progettazione. Solo utilizzando le tecniche di progettazione dei progettisti di circuiti ad alta velocità può essere controllato il processo di progettazione.

2. Che cosa è il circuito ad alta velocità

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

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

La trasmissione del segnale avviene nel momento in cui cambia lo stato del segnale, come il momento di salita o caduta. Il segnale passa attraverso un periodo di tempo fisso dal driver 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 driver prima che il segnale cambi stato. Al contrario, il segnale riflesso arriverà al conducente 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 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 pollice unitario 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 i dispositivi logici ad alta velocità è di circa 0,2ns. Se c'è chip GaAs sulla scheda, la grande lunghezza del cablaggio è 7,62mm.

Imposta Tr come tempo di aumento del segnale e Tpd come ritardo di propagazione della linea del segnale. Se Tr⥠4Tpd, il segnale cade nella 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 problematiche, dovrebbero essere utilizzati metodi di cablaggio ad alta velocità.

4. Che cosa 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.

5. Effetto della 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 multipli di attraversamento della soglia di livello logico Falso switching

· Overshoot e Undershoot

· Rumore indotto (o crosstalk)

· Radiazioni EMI

5.1 Segnale riflesso

Se una linea non viene terminata correttamente (corrispondenza terminale), l'impulso del segnale del driver viene riflesso sul ricevitore, causando un effetto inaspettato che distorce il profilo del segnale. Quando la distorsione di distorsione è molto significativa, può portare a una varietà di errori, con conseguente fallimento di progettazione. Allo stesso tempo, la distorsione del segnale alla sensibilità del rumore aumentata, causerà anche un guasto di progettazione. Se la situazione di cui sopra non è considerata sufficiente, 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 disallineamenti di impedenza.

5.2 Errori di ritardo e tempistica

Il ritardo del segnale e gli errori di temporizzazione 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 ritardo eccessivo del segnale può portare a errori di temporizzazione e disfunzione del dispositivo.

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

5.3 Soglia di attraversamento del livello di logica multipla Errori

Il segnale può superare la soglia di livello logico più volte durante il salto, causando questo tipo di errore. L'errore di superamento multiplo della 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, il superamento multiplo della soglia di livello logico porterà a disfunzione logica. I segnali riflessi sono causati da: cablaggio troppo lungo, linee di trasmissione non definite, capacità o induttanza in eccesso e disallineamenti di impedenza.

5.4 Overshoot e downhoot

Overshoot e downhoot provengono da due motivi: linea troppo lunga o segnale cambia troppo velocemente. Sebbene la maggior parte dei ricevitori di elementi siano protetti da diodi di protezione in ingresso, a volte questi livelli di overshoot possono superare la gamma di tensione di alimentazione dell'elemento, danneggiando l'elemento.

5.5 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 è 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.

5.6 Radiazioni elettromagnetiche

Interferenza elettromagnetica (EMI), che causa eccessiva radiazione elettromagnetica e sensibilità alle radiazioni elettromagnetiche. EMI indica che quando un sistema digitale è acceso, irradia onde elettromagnetiche nell'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, esistono strumenti software per la simulazione EMI, ma gli emulatori EMI sono molto costosi ed è difficile impostare parametri di simulazione e condizioni limite, 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.