PCB Tecnico - Come rendere i circuiti stampati di alta qualità più veloci con un buon layout PCB

Per ottenere un PCB migliore e più veloce, i progettisti devono prestare attenzione a tre aree principali durante la progettazione di circuiti stampati: materiali da costruzione, interconnessione dei componenti e layout di cablaggio.

Materiali da costruzione

Nel processo di progettazione PCB, i progettisti considerano principalmente due caratteristiche principali dei materiali PCB. Uno di loro è la costante dielettrica, e l'altro è la tangente di perdita. La costante dielettrica influisce sulla velocità alla quale il segnale passa attraverso il circuito stampato. La tangente perdita si riferisce alla quantità di segnale perso a causa dell'assorbimento nel materiale. Sebbene FR4 sia un materiale comune utilizzato per costruire circuiti a bassa frequenza, sono ancora necessari materiali di alta qualità per quelli con frequenze superiori a 1 GHz.

Interazione dei componenti

Per i progettisti di schede ad alta frequenza, è molto importante considerare i punti di connessione tra i componenti e il PCB. L'uso di dispositivi di montaggio superficiale (SMD) ha caratteristiche strutturali più piccole e lunghezze di piombo, quindi questo problema può essere risolto in larga misura. Tuttavia, man mano che la frequenza aumenta, i componenti passivi, comprese le forme SMD, possono avere caratteristiche non ideali. Il progettista deve prendere in considerazione questo e compensare queste caratteristiche.

Traccia layout

Una volta che il progettista ha determinato in modo soddisfacente la scelta dei materiali e dei componenti da costruzione, deve mirare a ottenere un funzionamento ad alta velocità in un ambiente a bassa potenza. Ciò comporta:

Minimizzare la generazione di rumore del veicolo

.Minimize crosstalk tra tracce

. Ridurre l'impatto del rimbalzo del suolo

Corrispondenza dell'impedenza

Corretta terminazione del cavo del segnale

Ridurre al minimo la generazione di rumore

La riduzione del rumore presenta due aspetti principali. Uno di questi è la distribuzione dell'energia su tutta la linea, e l'altro riguarda il filtraggio del rumore di potenza.

Al fine di distribuire l'energia sull'intero PCB, i progettisti possono utilizzare aerei di potenza o reti di bus di potenza. Generalmente, lo strato di alimentazione su un PCB multistrato è costituito da due o più strati metallici che portano Vcc e GND al dispositivo. Poiché il piano di potenza copre quasi l'intera area del PCB, la resistenza DC di questi piani è bassa. Pertanto, il piano di potenza mantiene costante il livello Vcc distribuendo uniformemente il livello Vcc a tutti i dispositivi. Fornisce anche protezione dal rumore, capacità di assorbimento di corrente estremamente elevata e buona schermatura dei segnali trasportati dal PCB.

Un'alternativa al piano di potenza è il bus di alimentazione, che consiste di due o più ampie tracce metalliche che trasportano Vcc e GND al dispositivo. Poiché questo metodo è più economico degli aerei di potenza, i PCB a due strati spesso li usano. Quando si progetta con una rete di bus elettrici, il progettista deve assicurarsi che la larghezza della traccia sia il più ampia possibile. Tuttavia, rispetto al piano di potenza, la resistenza DC della rete bus di alimentazione è molto più bassa.

Separare l'aereo e il bus di alimentazione che trasportano gli alimentatori analogici e digitali aiuta a ridurre al minimo la generazione di rumore aereo perché impedisce l'interazione tra i due. Tuttavia, un sistema completamente digitale potrebbe non avere un piano di potenza analogico separato, e l'aggiunta di un nuovo piano di potenza può diventare molto costosa a meno che il progettista non crei un'isola partizionata o un piano di separazione sul livello esistente.

Anche se si consiglia di separare questi piani tra l'alimentazione analogica e quella digitale sul sistema, ci possono ancora essere alcune interazioni inutili tra i due tipi di circuito.

Minimizza l'interazione tra tracce

L'accoppiamento non necessario di segnali tra linee orizzontali può causare crosstalk. I progettisti possono ridurre al minimo le conversazioni incrociate attraverso il routing corretto e l'uso di layout microstrip e stripline nello stack di layer.

Quando sono costretti a utilizzare due livelli di segnale uno accanto all'altro, i progettisti minimizzano la conversazione incrociata instradando tutte le tracce in un livello in un angolo rispetto alle tracce nel livello successivo. Altre tecniche che usano per ridurre al minimo il crosstalk sono ridurre al minimo la distanza tra il livello del segnale e i suoi piani adiacenti, e aumentare la distanza tra due livelli di segnale.

Ridurre l'impatto del rimbalzo del terreno

Utilizzando dispositivi digitali più veloci e riducendo il tempo di commutazione dell'uscita, l'uscita del dispositivo mostrerà correnti transitorie più elevate quando la capacità di carico viene rilasciata. Inoltre, possono esserci più uscite di un dispositivo che passano da logic high a logic low allo stesso tempo. Allo stesso tempo, versare corrente nel terreno può aumentare temporaneamente il potenziale del terreno, causando il cambiamento di base. Questo fenomeno è rimbalzo di terra. Le condizioni principali che influenzano il rimbalzo a terra includono la capacità di carico, l'induttanza della presa e il numero di uscite di commutazione simultanee.

I progettisti utilizzano i seguenti metodi di progettazione per ridurre il rimbalzo del terreno:

Posizionare i vias vicino ai pad condensatori, o utilizzare tracce brevi e larghe tra di loro

Utilizzare tracce ampie e brevi dai pin di alimentazione per alimentare piani, isole o condensatori di disaccoppiamento. Ciò riduce la possibilità di rimbalzo a terra riducendo l'induttanza di serie e la tensione transitoria scende dal perno dell'alimentazione al piano di alimentazione.

.Collegare ogni perno di terra o via al piano di terra. La catena di margherite si traduce in un percorso di terra condiviso, che aumenta la resistenza e l'induttanza del loop corrente loop

.Aggiungere condensatori di disaccoppiamento come raccomandato dal produttore IC. Il condensatore di disaccoppiamento deve essere il più vicino possibile ai pin di alimentazione e di massa del dispositivo.

.Spostare l'uscita dell'interruttore il più vicino possibile al perno di terra del pacchetto

. Evitare resistenze pull-up e utilizzare più resistenze pull-down

Utilizzare un PCB multistrato con piani Vcc e GND separati per utilizzare la capacità intrinseca del piano Vcc-GND

.Use progettazione sincrona, perché questi non sono influenzati dai perni sincroni dell'interruttore

La distanza tra il perno di terra e il perno di alimentazione è molto vicina, riducendo così l'induttanza reciproca, perché la direzione corrente dei due perni è opposta.

.Minimizzare l'induttanza nel condensatore di disaccoppiamento utilizzando una dimensione via più grande sul pad condensatore

. Minimizzare l'induttanza del piombo utilizzando condensatori di montaggio superficiale

.Use condensatori con resistenza di serie efficace inferiore

Corrispondenza dell'impedenza e terminazione corretta della linea di segnale. I segnali riflessi avanti e indietro lungo la linea di impedenza disallineata causeranno squillo al ricevitore di carico. Il suono può causare un falso innesco del ricevitore perché riduce la gamma dinamica del ricevitore. I progettisti eliminano le riflessioni utilizzando la terminazione corretta della linea del segnale per rendere l'impedenza della sorgente uguale all'impedenza della traccia e all'impedenza di carico.

Al fine di abbinare correttamente l'impedenza e terminare la linea del segnale, il progettista può garantire l'integrità del segnale attraverso i seguenti metodi:

Non utilizzare i vias nella linea di trasmissione dell'orologio, perché i vias causeranno cambiamenti di impedenza e riflessi

Tienilo dritto. Non utilizzare curve ad angolo retto, ma utilizzare traiettorie curve

Utilizzare il più possibile tracce di orologio punto-punto e terminare il segnale dell'orologio per ridurre al minimo i riflessi

. Utilizzare l'attrezzatura esterna per tamponare il carico e limitare la capacità di carico

.Aggiungere una resistenza da 10 a 27 ohm in serie ad ogni uscita dell'interruttore per limitare la corrente

Posizionare una resistenza terminale adeguata e assicurarsi che l'impedenza corrispondente tra la linea di trasmissione e il terminale sia uguale all'impedenza della linea

.Strato di traccia dell'orologio di routing interlayer nel piano di riferimento per ridurre al minimo il rumore

Mantenere la lunghezza della traccia sotto i 5 cm, mantenere l'impedenza sotto i 65 ohm, mantenere il ritardo del metallo sotto i 940 ps, mantenere il valore di induttanza sotto i 40 nH, mantenere la capacità della traccia sotto i 20 pF e la capacità totale è mantenuta sotto i 30 pF, specialmente per i cavi critici ad alta velocità.

in conclusione

Oltre a scegliere materiali ad alta frequenza adatti, i progettisti possono anche utilizzare molti layout PCB migliori per farli funzionare correttamente alle alte frequenze. Poiché ogni PCB è unico, deve essere personalizzato per la sua applicazione. L'utilizzo di software CAD PCB o kit di progettazione può aiutare i progettisti perché il pacchetto software fornisce una vasta gamma di funzioni.