PCB Tecnico - Tecnologia di progettazione anti-inceppamento PCB per DSP ad alta velocità

Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo di nuove tecnologie e dispositivi, i dispositivi ad alta velocità sono diventati sempre più popolari e la progettazione di circuiti ad alta velocità è diventata una tecnologia comunemente necessaria. I dispositivi della serie TMS320C62xx, C64xx, C67xx sono uno dei dispositivi ad alta velocità in rapida crescita. La struttura interna C6000 è a punto fisso, serie a virgola mobile compatibile con DsP, la frequenza principale corrente della CPU è 100MHz, -4i00MHz. Con l'architettura VLIW (Very Long Instruction Word) avanzata di VelociTITM, è possibile eseguire istruzioni a 8 32 bit in un ciclo di istruzioni in parallelo. A causa della sua capacità di calcolo ad alta velocità, è ampiamente usato in comunicazione, contromisura elettronica, radar, elaborazione di immagini e altre aree che richiedono capacità di elaborazione ad alta intelligenza e ad alta velocità.

Con il crescente grado di integrazione del chip, vengono aggiunti sempre più pin del chip e il packaging dei dispositivi sta cambiando costantemente, da DIP a OSOP, da SOP a PQFP, da PQFP a BGA. I dispositivi della serie TMS320C6000 sono incapsulati da BGA. Nell'applicazione del circuito, l'incapsulamento BGA ha le caratteristiche di alto tasso di successo, basso tasso di riparazione e alta affidabilità ed è utilizzato sempre più ampiamente. Tuttavia, poiché l'incapsulamento BGA appartiene all'incapsulamento sferico di patch array raster, l'implementazione fisica del sistema in sviluppo, cioè la progettazione a livello di scheda coinvolge molte tecniche di progettazione di circuiti digitali ad alta velocità. L'interferenza acustica è un fattore importante nei sistemi ad alta velocità. Radiazioni e conflitti si verificano nei circuiti ad alta frequenza, mentre squillo, riflessione e crosstalk si verificano a velocità di bordo più elevate. Se la particolarità del layout del segnale ad alta velocità e del cablaggio non è considerata, il circuito stampato progettato non funzionerà correttamente. Pertanto, il successo della progettazione di schede PCB è una parte molto critica nel processo di progettazione di circuiti DSP.

1 Effetto linea di trasmissione

1.1 Integrità del segnale

L'integrità del segnale comprende principalmente riflessione, squillo, rimbalzo a terra e crosstalk. Le linee sulla scheda PCB possono essere equivalenti alla serie e alle strutture parallele di capacità, resistenza e induttanza mostrate nella figura 1. Il valore tipico della resistenza di serie è 0.25D. / R-4). 55DJft, il valore di resistenza dello shunt è solitamente molto alto. Quando resistenza parassitaria, capacità e induttanza vengono aggiunte a una connessione PCB effettiva, l'impedenza finale sulla connessione è chiamata impedenza caratteristica zo.

Se l'impedenza della linea di trasmissione non corrisponde a quella dell'estremità ricevente, ciò causerà riflessione e oscillazione del segnale.

Circuito equivalente routing PCB

La geometria del cablaggio, i collegamenti finali errati, la trasmissione attraverso il connettore e la discontinuità del piano di potenza causano riflessione. Quando il segnale cambia lungo l'ascesa e la caduta del livello, vengono generati sovrashock e down-shock. Possono produrre sbavature sopra o sotto il livello costante in un istante, che possono facilmente danneggiare il dispositivo. Il suono e le oscillazioni circostanti del segnale sono dovute rispettivamente a induttanza e capacità inappropriate sulla linea. L'anello può essere ridotto con una corretta terminazione.

Quando c'è una grande sovratensione di corrente nel circuito, causerà rimbalzo a terra. Se c'è una grande corrente transitoria che scorre attraverso il piano di potenza del chip e della scheda, l'induttanza parassitaria e la resistenza tra il pacchetto del chip e il piano di potenza causeranno rumore di potenza. Il crosstalk è un problema di accoppiamento tra due linee di segnale. L'induttanza reciproca e la tolleranza reciproca tra le linee di segnale causano rumore sulle linee. L'accoppiamento capacitivo conduce alla corrente di accoppiamento, mentre l'accoppiamento induttivo conduce alla tensione di accoppiamento. I parametri dello strato PCB, la spaziatura tra le linee di segnale, le caratteristiche elettriche del driver e del ricevitore e il modo in cui le linee sono collegate hanno tutti determinati effetti sul crosstalk.

1.2 Soluzioni

Sono necessarie alcune misure per risolvere problemi comuni:

Lo strato di potenza non ha restrizioni sulla direzione della corrente e la linea di ritorno può seguire un percorso di impedenza che è vicino alla linea del segnale. Ciò può comportare un ciclo di corrente, che sarà il metodo per i sistemi ad alta velocità. Tuttavia, lo strato di potenza non elimina il disordine della linea e non presta attenzione al percorso di distribuzione dell'energia, tutti i sistemi produrranno rumore e causeranno errori. Pertanto, sono necessari filtri speciali, che sono implementati da condensatori bypass. Generalmente, una capacità da lshrimp a lOp. F è posizionato all'estremità di ingresso di potenza della scheda, mentre la capacità da 0,01p. Il centro da F a U0.1 è posizionato tra l'alimentazione di ogni dispositivo attivo sulla scheda e i perni del terreno. La capacità di bypass agisce come un filtro, dove una grande capacità (10aF) è posizionata all'ingresso di potenza, il rumore a bassa frequenza (60Hz) è generato fuori dalla scheda e il rumore generato dai dispositivi attivi sulla scheda è armonico a 100MHz o superiore. La capacità di bypass posta tra ogni chip è solitamente molto più piccola di quella posta all'ingresso di potenza sulla scheda.

Come regola generale, se mescoli analogico e digitale nel tuo design, dividi il PCB in parti analogiche e digitali, dispositivi analogici in parti analogiche, dispositivi digitali in parti digitali e convertitori A/D in diverse regioni. I segnali analogici e digitali sono cablati nelle rispettive aree per garantire che la corrente di ritorno del segnale digitale non fluisca al suolo del segnale analogico.

Bypass e disaccoppiamento impediscono il trasferimento di energia da un ciclo all'altro. Tre aree del ciclo, strato di alimentazione, strato inferiore, componenti e connessione di alimentazione interna, devono essere considerate. Allargare il più possibile l'alimentazione elettrica e la larghezza del cavo di massa significa che il cavo di massa è più largo del cavo di alimentazione. La relazione tra loro è: filo di terra > cavo di alimentazione > linea di segnale. Di solito la larghezza della linea del segnale è O.2-O.3mm, la larghezza sottile può essere 0.05 "-'0.07mm, la linea elettrica è 1.2" -'2.5 n'Lrfl. Utilizzare una grande area di rame come filo di terra. Collegare i luoghi inutilizzati al terreno sulla scheda stampata come filo di terra. Oppure può essere trasformato in una scheda multistrato, con un piano per l'alimentazione elettrica e un piano per il cavo di terra. Configurare un condensatore ceramico 0,01-center per ogni chip di circuito integrato. Se lo spazio del circuito stampato è piccolo e non può essere installato, un condensatore elettrolitico al tantalio può essere configurato con 1-10 chip ogni 4-10 chip. L'impedenza ad alta frequenza di questo dispositivo è molto piccola, l'impedenza è inferiore a lQ nell'intervallo di 500 kI-Iz-20MHz e la corrente di perdita è molto piccola (sotto O.5LlA). I condensatori filtranti di disaccoppiamento devono essere installati vicino ai circuiti integrati al fine di accorciare i cavi dei condensatori e l'area del circuito di corrente transitoria, in particolare i condensatori bypass ad alta frequenza.

Quando il sistema funziona a 50MHz, si verificheranno effetti della linea di trasmissione e problemi di integrità del segnale e le misure tradizionali possono raggiungere risultati soddisfacenti. Quando l'orologio di sistema raggiunge 120MHz, è necessario considerare l'uso di conoscenze di progettazione del circuito ad alta velocità, altrimenti PCB progettato sulla base di metodi tradizionali non funzionerà correttamente. Pertanto, la progettazione di circuiti PCB ad alta velocità è diventata una tecnologia di progettazione che i progettisti di sistemi elettronici devono padroneggiare.

Tecnologia di progettazione del circuito di segnale ad alta velocità PCB

2.1 Cablaggio del segnale ad alta velocità

La scheda multistrato è necessaria per il cablaggio del segnale ad alta velocità e un mezzo efficace per ridurre le interferenze. Per ridurre le dimensioni del circuito stampato, fare pieno uso dello strato medio per impostare lo scudo, raggiungere una messa a terra stretta, ridurre efficacemente l'induttanza parassitaria, accorciare la lunghezza della trasmissione del segnale, ridurre l'interferenza incrociata tra i segnali e così via, tutti benefici per l'affidabilità dei circuiti ad alta velocità. I dati mostrano che il livello di rumore del pannello a quattro strati è di 20 dB inferiore a quello del pannello a due pannelli quando gli stessi materiali sono raccolti nell'VIII Simposio Accademico Nazionale sull'Elettronica Resistente alle Radiazioni e sull'Impulso Elettromagnetico. Meno curve in testa, meglio è. Utilizzando una linea retta completa, è necessaria una transizione. Una transizione polilinea o arco a 45 gradi può essere utilizzata per ridurre la trasmissione esterna e l'accoppiamento dei segnali ad alta velocità e ridurre la radiazione e la riflessione dei segnali.

Più breve è il cavo tra i pin dei dispositivi di circuito ad alta velocità, meglio è. Più lunga è la lunghezza del cavo, maggiore è il valore distribuito di induttanza e capacità, che porterà a riflessione, oscillazione e così via nel sistema di circuito ad alta velocità. Meno alternanze tra gli strati di piombo tra i pin dei dispositivi a circuito ad alta velocità, meglio è, meno fori vengono utilizzati nel processo di connessione dei componenti. Si stima che un foro passante possa portare ad una capacità distribuita di circa 0,5pF, con conseguente aumento significativo del ritardo del circuito. Nel cablaggio del circuito ad alta velocità, l'attenzione dovrebbe essere prestata alla "interferenza trasversale" introdotta dai percorsi vicini paralleli delle linee di segnale. Se la distribuzione parallela non può essere evitata, una grande area di "terra" può essere posizionata sul retro delle linee di segnale parallele per ridurre l'interferenza. Nei due strati adiacenti, la direzione della linea deve essere perpendicolare l'una all'altra.

Implementare l'involucro di linea di terra per linee di segnale particolarmente importanti o unità locali. Le linee di base protette possono essere aggiunte alla periferia mentre tali segnali non interferenti come segnali di clock, segnali analogici ad alta velocità, ecc. viaggiano e i cavi di segnale da proteggere sono bloccati al centro. Tutti i tipi di percorsi di segnale non possono formare loop e fili di terra non possono formare loop di corrente. Se viene generato un circuito di cablaggio loop, causerà molte interferenze nel sistema. L'uso del cablaggio a catena in crisantemo* può efficacemente evitare i cicli durante il cablaggio. Uno o più condensatori di disaccoppiamento ad alta frequenza dovrebbero essere impostati vicino a ciascun blocco IC. Il choke ad alta frequenza viene utilizzato quando le linee di terra analogiche e digitali si collegano alle linee di terra pubbliche. Alcune linee di segnale ad alta velocità dovrebbero essere gestite in modo particolare: i segnali differenziali richiedono che siano sullo stesso livello e il più vicino possibile alle linee parallele, e nessun segnale può essere inserito tra le linee di segnale differenziale e è richiesta la stessa lunghezza.

Il cablaggio del segnale ad alta velocità dovrebbe evitare il più possibile ramificazioni o formazione di tronchi. Le linee di segnale ad alta frequenza sono inclini a produrre grandi radiazioni elettromagnetiche quando si cammina sulla superficie. Cablando le linee di segnale ad alta frequenza tra l'alimentazione elettrica e il cavo e assorbendo l'onda elettromagnetica attraverso l'alimentazione elettrica e lo strato inferiore, la radiazione generata sarà molto ridotta.

2.2 Cablaggio del segnale dell'orologio ad alta velocità

Il circuito dell'orologio svolge un ruolo importante nel circuito digitale. C64xDSP è un membro della piattaforma C6000 e ha un'alta velocità di elaborazione. L'orologio ad alta velocità di C64xDSP può raggiungere 1.1GHz, che è lO volte superiore a quello del precedente C62xDSP. Pertanto, i requisiti di cablaggio dell'orologio diventeranno sempre più elevati nella futura progettazione delle applicazioni dei moderni sistemi elettronici basati su DSP. La priorità della linea del segnale dell'orologio ad alta velocità, in generale, durante il cablaggio, deve dare priorità alla linea principale del segnale dell'orologio del sistema. La linea del segnale di clock ad alta velocità ha un'alta frequenza, che richiede che la linea sia il più breve possibile per garantire la distorsione del segnale.

Orologio ad alta frequenza, particolarmente sensibile alle interferenze acustiche. Le linee di segnale dell'orologio ad alta frequenza devono essere protette e schermate per ridurre le interferenze.

Gli orologi ad alta frequenza (orologi superiori a 20MHz o orologi che salgono lungo meno di 5ns) devono avere una scorta di filo di terra con una larghezza di linea di almeno 10rail e una larghezza di filo di terra di almeno 20mil. Le estremità protettive del filo di terra della linea di segnale ad alta frequenza devono essere ben contattate con il terreno attraverso i fori e collegate con la terra ogni 5em o giù di lì. La scorta del filo di terra e la linea dati sono fondamentalmente la stessa lunghezza, si raccomanda la trazione manuale del filo; Il lato di invio dell'orologio deve essere collegato con una resistenza di smorzamento di circa 22-220Q in serie. Il routing del segnale di clock ad alta velocità è progettato per quanto possibile sullo stesso livello e non ci sono altre fonti perturbanti e routing intorno alla linea del segnale di clock ad alta velocità. La connessione a stella o punto-a-punto è consigliata per la connessione a clock ad alta frequenza. Il collegamento a T dovrebbe garantire la lunghezza del braccio uguale, minimizzare l'eccesso di L e il rame dovrebbe essere applicato sotto l'oscillatore di cristallo o chip dell'orologio per evitare interferenze. Evitare interferenze dal rumore del segnale causato da queste linee.

Nel cablaggio del segnale ad alta velocità e nel cablaggio del segnale dell'orologio ad alta velocità, è richiesto che meno LL e meno ramificazione siano riprodotti durante il cablaggio per evitare la riflessione e l'attraversamento del segnale e del ceppo. L'influenza del foro passante e del ceppo (Stub) nel PCB ad alta velocità non si riflette solo nell'influenza sul segnale, ma anche nel cambiamento dell'impedenza del conduttore. Tuttavia, l'influenza di fori e monconi sull'impedenza è spesso trascurata dai progettisti.

Per selezionare una dimensione ragionevole del foro. Ad esempio, per i progetti PCB con strati da 4 a 10, le scelte comuni sono 10mil / 20mil (perforazione / incollaggio pad) o 16mil / 30mil. Per alcuni PCB di piccole dimensioni con alta densità, i fori 8mil/18mil possono anche essere utilizzati. Considera l'utilizzo di una dimensione più grande per ridurre l'impedenza per i passaggi di alimentazione o filo di massa. Posizionare i perni dell'alimentatore e terra vicino ai fori. Più corto è il cavo tra i perni e i fori, meglio è. Allo stesso tempo, i perni dell'alimentatore e del terreno dovrebbero essere il più spessi possibile per ridurre l'impedenza.

I chip a livello di sistema ad alta densità sono incapsulati in BGA o COB e la spaziatura dei pin diminuisce giorno dopo giorno. La distanza tra sfere è bassa fino a O,6 mm e continuerà a diminuire, rendendo impossibile che i fili di segnale dell'incapsulatore vengano disegnati utilizzando gli strumenti di cablaggio tradizionali. Attualmente ci sono due modi per risolvere questo problema nell'VIII Simposio Accademico Nazionale sull'Elettronica Resistente alle Radiazioni e gli impulsi Elettromagnetici (249): (1) Disegnare la linea del segnale dallo strato inferiore attraverso il foro sotto la palla; (2) Trovare un canale di piombo nella griglia sferica utilizzando cavi molto sottili e cavi ad angolo libero. Per tali dispositivi ad alta densità BGA o COB confezionati, cablaggio con una larghezza e spazio molto piccoli è l'unica opzione praticabile. Solo in questo modo si possono garantire elevati rendimenti e affidabilità e soddisfare i requisiti di progettazione ad alta velocità.

Progettazione del pad di incollaggio incapsulato 2.3 BGA

Con lo sviluppo della tecnologia di imballaggio dei dispositivi, la dimensione relativa degli imballaggi dei dispositivi sta diventando sempre più piccola. I dispositivi della serie TMS320C6000 hanno fino a 352 pin, perché i piedi BGA sono strettamente distanziati e i fori sono vicini ai pin, che possono produrre una grande induttanza. È anche dannoso per i segnali ad alta velocità, quindi quando BGA si disperde, prova a utilizzare fori più piccoli. C'è una relazione corrispondente tra la dimensione del pad BGA e la distanza del piede del BGA, ma non può essere più grande del diametro della sfera del pin BGA, di solito circa 1/10 ~ l/5 di esso. I fori accanto al pad BGA e il pad sulla superficie dei componenti devono essere tappati e coperti con olio verde. Per la saldatura BGA, nessun altro componente può apparire nella 2era circostante.

Conclusione

Il processore digitale sta elaborando il segnale. Con la popolarità dei dispositivi ad alta frequenza, la densità del circuito stampato aumenta, l'interferenza aumenta e il miglioramento della qualità del segnale è stato messo nella posizione superiore della progettazione. Il design della scheda PCB dei DSP ad alta velocità è un processo molto complesso. Diversi fattori devono essere presi in considerazione nella progettazione di circuiti ad alta velocità, che corrispondono tra loro. Se i dispositivi ad alta velocità sono disposti uno vicino all'altro, il ritardo può essere ridotto, ma possono verificarsi crosstalk e effetti termici significativi. È anche una contraddizione che i segnali ad alta velocità dovrebbero essere cablati per quanto possibile nello strato interno e meno fori dovrebbero essere perforati. Pertanto, nella progettazione, dobbiamo prendere in considerazione tutti i fattori favorevoli per fare una progettazione completa del circuito.

Solo in questo modo può essere progettato un circuito stampato PCB di alta qualità con una forte capacità anti-inceppamento, prestazioni stabili e alte prestazioni in tempo reale.