PCB Tecnico - Analisi del layout e del metodo di cablaggio della progettazione PCB a segnale misto

Un'altra difficoltà nella progettazione moderna di PCB a segnale misto è che ci sono sempre più dispositivi logici digitali diversi, come GTL, LVTTL, LVCMOS e LVDS logica. La soglia logica e l'oscillazione di tensione di ogni circuito logico sono diversi, ma queste diverse soglie logiche Il circuito con l'oscillazione di tensione deve essere progettato insieme su un PCB. Qui, attraverso un'analisi approfondita del layout PCB ad alta densità, ad alte prestazioni e del design di cablaggio misto, è possibile padroneggiare strategie e tecnologie di successo.

Fondamenti del cablaggio dei circuiti a segnale misto

Quando i circuiti digitali e analogici condividono gli stessi componenti sulla stessa scheda, il layout e il cablaggio del circuito devono essere metodici.

Nella progettazione PCB a segnale misto, ci sono requisiti speciali per il cablaggio dell'alimentazione elettrica e il rumore analogico e il rumore del circuito digitale devono essere isolati l'uno dall'altro per evitare l'accoppiamento del rumore. Di conseguenza, aumenta la complessità del layout e del cablaggio. I requisiti speciali per le linee di trasmissione di energia e l'esigenza di isolare l'accoppiamento acustico tra circuiti analogici e digitali hanno ulteriormente aumentato la complessità del layout e del cablaggio dei PCB a segnale misto.

Se l'alimentazione dell'amplificatore analogico nel convertitore A/D e l'alimentazione digitale del convertitore A/D sono collegati insieme, è probabile che causi l'influenza reciproca della parte analogica e della parte digitale del circuito. Forse, a causa della posizione dei connettori di ingresso/uscita, lo schema di layout deve mescolare il cablaggio dei circuiti digitali e analogici.

Prima del layout e del routing, gli ingegneri devono capire le debolezze di base dello schema di layout e routing. Anche con giudizi falsi, la maggior parte degli ingegneri tende a utilizzare le informazioni di layout e cablaggio per identificare potenziali effetti elettrici.

Quanto segue illustrerà la tecnologia del layout e del routing PCB a segnale misto attraverso la progettazione della scheda di interfaccia OC48. OC48 sta per Optical Carrier Standard 48, che è fondamentalmente orientato alla comunicazione ottica seriale 2.5Gb. È uno degli standard di comunicazione ottica ad alta capacità nelle moderne apparecchiature di comunicazione. La scheda di interfaccia OC48 contiene diversi tipici layout PCB a segnale misto e problemi di cablaggio. Il layout e il processo di cablaggio specificheranno la sequenza e i passaggi per risolvere lo schema di layout PCB a segnale misto.

La scheda OC48 contiene un ricetrasmettitore ottico che realizza la conversione bidirezionale di segnali ottici e segnali elettrici analogici. Processore di segnale digitale di ingresso o uscita del segnale analogico, DSP converte questi segnali analogici in livelli logici digitali, che possono essere collegati con microprocessore, array di gate programmabile, DSP e circuito di interfaccia del sistema a microprocessore sulla scheda OC48. Sono integrati anche il ciclo indipendente a blocco di fase, il filtro di alimentazione e la sorgente di tensione locale di riferimento.

Tra questi, il microprocessore è un dispositivo multi-potenza, la potenza principale è 2V e l'alimentazione del segnale I/O 3.3V è condivisa da altri dispositivi digitali sulla scheda. Sorgente digitale indipendente fornisce clock per OC48 I/O, microprocessore e sistema I/O.

Dopo aver controllato il layout e i requisiti di cablaggio di diversi blocchi di circuito funzionali, è inizialmente raccomandata una scheda a 12 strati. La configurazione degli strati microstrip e stripline può ridurre in modo sicuro l'accoppiamento degli strati di cablaggio adiacenti e migliorare il controllo dell'impedenza. Un livello di messa a terra è impostato tra il primo e il secondo livello per isolare il cablaggio di sorgenti di riferimento analogiche sensibili, core CPU e alimentatori PLL filtro dal microprocessore e dispositivi DSP sul primo livello. I piani di potenza e terra appaiono sempre in coppia, come quello che è stato fatto sulla scheda OC48 per il piano di potenza condiviso 3.3V. Ciò ridurrà l'impedenza tra l'alimentazione elettrica e il terreno, riducendo così il rumore sul segnale di alimentazione.

Evitare di eseguire linee di clock digitali e linee di segnale analogico ad alta frequenza vicino al piano di alimentazione, altrimenti, il rumore del segnale di alimentazione sarà accoppiato al segnale analogico sensibile.

In base alle esigenze del cablaggio del segnale digitale, considerare attentamente l'uso di aperture del piano di terra analogico e di alimentazione (split), specialmente alle estremità di ingresso e uscita dei dispositivi a segnale misto. Passare attraverso un'apertura nello strato di segnale adiacente causerà discontinuità di impedenza e cicli di linea di trasmissione scadenti. Questi causeranno problemi di qualità del segnale, tempistica e EMI.

A volte l'aggiunta di più strati di terra, o l'utilizzo di più strati esterni per lo strato di alimentazione locale o lo strato di terra sotto un dispositivo, può eliminare l'apertura ed evitare i problemi di cui sopra. Sulla scheda di interfaccia OC48 vengono utilizzati strati di terra multipli. Mantenere la simmetria di impilamento della posizione dello strato di apertura e dello strato di cablaggio può evitare la deformazione della scheda e semplificare il processo di fabbricazione. Poiché 1 oncia di laminati rivestiti di rame sono altamente resistenti alle grandi correnti, 1 oncia di laminati rivestiti di rame dovrebbe essere utilizzato per lo strato di potenza 3,3V e lo strato di terra corrispondente, e 0,5 oncia di laminati rivestiti di rame possono essere utilizzati per altri strati. Ciò può ridurre alte correnti transitorie o picchi causati da fluttuazioni di tensione.

Se si progetta un sistema complesso dal piano di terra in su, è necessario utilizzare schede con uno spessore di 0,093 pollici e 0,100 pollici per sostenere lo strato di cablaggio e lo strato di isolamento del suolo. Lo spessore della scheda deve anche essere regolato in base alla dimensione del pad via e alla caratteristica di cablaggio del foro, in modo che il rapporto di aspetto del diametro del foro e dello spessore della scheda finita non superi il rapporto di aspetto del foro metallizzato fornito dal produttore.

Se si desidera progettare un prodotto commerciale a basso costo e ad alto rendimento con il minor numero di strati di cablaggio, è necessario considerare attentamente i dettagli di cablaggio di tutti gli alimentatori speciali sul PCB a segnale misto prima del layout o del cablaggio. Prima di iniziare il layout e il routing, lasciare che il produttore target riveda il piano preliminare di stratificazione. Fondamentalmente, la stratificazione dovrebbe essere basata sullo spessore del prodotto finito, il numero di strati, il peso del rame, l'impedenza (con tolleranza) e la dimensione dei più piccoli tramite pad e fori. Il fabbricante deve fornire una raccomandazione scritta sulla stratificazione.

La proposta dovrebbe includere tutti gli esempi di configurazione di stripline ad impedenza controllata e microstripping line. È necessario combinare la previsione dell'impedenza con l'impedenza del produttore. Quindi, utilizzare queste previsioni di impedenza per verificare le caratteristiche di routing del segnale nello strumento di simulazione utilizzato per sviluppare regole di routing CAD.

Schede OC48

Il segnale analogico ad alta velocità tra il ricetrasmettitore ottico e il DSP è molto sensibile al rumore esterno. Allo stesso modo, tutti i circuiti speciali di alimentazione e tensione di riferimento causano anche un sacco di accoppiamento tra i circuiti analogici e digitali di trasmissione di potenza della scheda. A volte, limitata dalla forma del telaio, una scheda ad alta densità deve essere progettata. A causa dell'alta posizione della scheda di accesso del cavo ottico esterno e della dimensione relativamente elevata del componente del ricetrasmettitore ottico, la posizione del ricetrasmettitore nella scheda è in gran parte fissa. Anche la posizione del connettore I/O del sistema e la distribuzione del segnale sono fisse. Questo è il lavoro di base che deve essere completato prima del layout.

Come la maggior parte degli schemi di routing e layout analogici ad alta densità di successo, il layout deve soddisfare i requisiti di routing e i requisiti di layout e routing devono essere bilanciati. Per la parte analogica di un PCB a segnale misto e di un nucleo CPU locale con una tensione operativa 2V, non è consigliabile utilizzare il metodo "layout prima del cablaggio". Per la scheda OC48, la parte del circuito analogico DSP compresa la tensione di riferimento analogica e il condensatore di bypass analogico dell'alimentazione dovrebbe essere cablata interattivamente prima. Dopo aver completato il cablaggio, l'intero DSP con componenti analogici e cablaggio dovrebbe essere posizionato abbastanza vicino al ricetrasmettitore ottico per garantire pienamente la lunghezza di cablaggio più breve, piegatura e vias dal segnale differenziale analogico ad alta velocità al DSP. La simmetria del layout differenziale e del routing ridurrà l'impatto del rumore in modalità comune. Tuttavia, è difficile prevedere il piano migliore per il layout prima del routing.

Consultare il distributore di chip per le linee guida di progettazione per il layout PCB. Prima di progettare in conformità con le linee guida, è necessario comunicare pienamente con l'application engineer del distributore. Molti distributori di chip hanno rigidi vincoli di tempo per fornire raccomandazioni di layout di alta qualità. A volte, le soluzioni che forniscono sono fattibili per i "clienti di primo livello" che utilizzano il dispositivo. Nel campo della progettazione dell'integrità del segnale (SI), la progettazione dell'integrità del segnale di nuovi dispositivi è particolarmente importante. Secondo le linee guida di base del distributore e combinate con i requisiti specifici di ogni pin di alimentazione e di massa nella confezione, è possibile iniziare a disegnare e instradare la scheda OC48 con DSP e microprocessore integrati.