PCB Tecnico - Come migliorare l'integrità del segnale del PCB di sistema incorporato

Con il continuo progresso della tecnologia elettronica, sempre più campi saranno applicati ai sistemi embedded. Tra queste molte applicazioni, le persone non considerano più funzioni e prestazioni, ma affidabilità e compatibilità. Quindi, come migliorare l'integrità del segnale del PCB del sistema incorporato attraverso la tecnologia di cablaggio è diventato un "problema importante".

Come tutti sappiamo, PCB (Printed Circuit Board) è il supporto di base dei componenti e dei dispositivi del circuito nei prodotti elettronici e la sua qualità di progettazione spesso influisce direttamente sull'affidabilità e sulla compatibilità dei sistemi incorporati. In passato, in alcuni circuiti stampati a bassa velocità, la frequenza di clock era generalmente solo di circa 10 MHz. La sfida principale per la progettazione di circuiti stampati o pacchetti era come instradare tutte le linee di segnale sulla scheda a doppio strato e come non danneggiare il pacchetto durante il montaggio.

Poiché la linea di interconnessione non influisce mai sulle prestazioni del sistema, le caratteristiche elettriche della linea di interconnessione non sono importanti. In questo senso, le linee di interconnessione nel circuito a bassa velocità del segnale sono lisce e trasparenti. Tuttavia, con lo sviluppo di sistemi embedded, i circuiti utilizzati sono fondamentalmente circuiti ad alta frequenza. Man mano che la frequenza dell'orologio aumenta, il bordo ascendente del segnale diventa più corto e la reattività capacitiva e l'induttanza generata dal circuito stampato al segnale di passaggio saranno molto più grandi della resistenza del circuito stampato stesso influisce seriamente sull'integrità del segnale. Per i sistemi incorporati, quando la frequenza di clock supera i 100 MHz o il bordo ascendente è inferiore a 1 ns, l'effetto di integrità del segnale diventa importante.

Nel PCB, la linea del segnale è il principale vettore della trasmissione del segnale e l'instradamento della linea del segnale determinerà direttamente la superiorità della trasmissione del segnale, che influisce direttamente sulle prestazioni dell'intero sistema incorporato. Il cablaggio irragionevole causerà seriamente una varietà di problemi di integrità del segnale e causerà tempi, rumore e interferenze elettromagnetiche (EMI) al circuito, che influenzeranno seriamente le prestazioni del sistema incorporato. A questo proposito, questo articolo parte dalle attuali caratteristiche elettriche delle linee di segnale nei circuiti digitali ad alta velocità, stabilisce modelli di caratteristiche elettriche, trova le principali ragioni che influenzano l'integrità del segnale e le soluzioni ai problemi, e presta attenzione ai problemi di cablaggio e ai metodi e alle tecniche da seguire.

Integrità del segnale

L'integrità del segnale si riferisce alla qualità del segnale sulla linea del segnale, cioè alla capacità del segnale di rispondere con la corretta temporizzazione e il livello di tensione nel circuito. Un segnale con buona integrità del segnale significa che ha ciò che deve essere raggiunto quando necessario Il valore del livello di tensione. La scarsa integrità del segnale non è causata da un singolo fattore, ma da molteplici fattori nella progettazione a livello di scheda. I problemi di integrità del segnale si riflettono in molti aspetti, tra cui ritardo, riflessione, crosstalk, overshoot, oscillazione e rimbalzo al suolo.

Ritardo: ritardo significa che il segnale viene trasmesso a una velocità limitata sulla linea di trasmissione della scheda PCB. Il segnale viene inviato dall'estremità di invio all'estremità di ricezione, durante il quale c'è un ritardo di trasmissione. Il ritardo del segnale influenzerà la tempistica incorporata; Il ritardo di trasmissione dipende principalmente dalla lunghezza del filo e dalla costante dielettrica del mezzo intorno al filo. In un sistema digitale ad alta velocità, la lunghezza della linea di trasmissione del segnale è il fattore più diretto che influenza la differenza di fase dell'impulso dell'orologio. La differenza di fase dell'impulso dell'orologio si riferisce all'ora in cui i due segnali dell'orologio generati contemporaneamente arrivano all'estremità ricevente non sono sincronizzati. La differenza di fase dell'impulso dell'orologio riduce la prevedibilità dell'arrivo del bordo del segnale. Se la differenza di fase dell'impulso dell'orologio è troppo grande, verrà generato un segnale di errore all'estremità ricevente.

Riflessione: La riflessione è l'eco del segnale sulla linea del segnale. Quando il tempo di ritardo del segnale è molto più lungo del tempo di transizione del segnale, la linea del segnale deve essere utilizzata come linea di trasmissione. Quando l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione non corrisponde all'impedenza di carico, parte della potenza del segnale (tensione o corrente) viene trasmessa alla linea e raggiunge il carico, ma parte di essa viene riflessa. Se l'impedenza di carico è inferiore all'impedenza originale, la riflessione è negativa; altrimenti, la riflessione è positiva. Variazioni nella geometria del cablaggio, terminazione errata del cavo, trasmissione attraverso connettori e discontinuità nel piano di potenza possono causare tali riflessi.

Crosstalk: Crosstalk è l'accoppiamento tra due linee di segnale e l'induttanza reciproca e la capacità reciproca tra le linee di segnale causano rumore sulla linea di segnale. L'accoppiamento capacitivo induce la corrente di accoppiamento e l'accoppiamento induttivo induce la tensione di accoppiamento. Il rumore della conversazione incrociata proviene dall'accoppiamento elettromagnetico tra reti di segnale, tra sistemi di segnale e sistemi di distribuzione dell'energia, e tra vias. L'avvolgimento incrociato può causare falsi orologi, errori intermittenti dei dati, ecc., che possono influenzare la qualità di trasmissione dei segnali adiacenti. In realtà, il crosstalk non può essere completamente eliminato, ma può essere controllato all'interno della gamma che il sistema può sopportare. I parametri dello strato PCB, la spaziatura della linea del segnale, le caratteristiche elettriche dell'estremità motrice e dell'estremità ricevente e il metodo di terminazione di base hanno tutti un certo impatto sul crosstalk.

Overshoot e undershoot: Overshoot è il primo valore di picco o valle che supera la tensione impostata. Per i bordi in salita, si riferisce alla tensione più alta; per i bordi cadenti, si riferisce alla tensione più bassa. Undershoot significa che la valle successiva o il valore di picco supera la tensione impostata. Un eccesso eccessivo può causare il funzionamento del diodo di protezione, portando al suo guasto prematuro. Un eccessivo sottoshoot può causare falsi errori di clock o dati (malfunzionamento).

Oscillazione e oscillazione dell'anello: i fenomeni di oscillazione sono ripetuti overshoot e undershoot. L'oscillazione del segnale è l'oscillazione causata dall'induttanza e dalla capacità della transizione della linea, che appartiene allo stato sottosmorzato e l'oscillazione circostante appartiene allo stato sovrasmorzato. Oscillazione e oscillazione surround sono anche causate da molti fattori come la riflessione. L'oscillazione può essere ridotta con una corretta terminazione, ma è impossibile eliminarla completamente.

Rumore di rimbalzo a terra e rumore di ritorno: Quando c'è una grande sovratensione di corrente nel circuito, causerà rumore di rimbalzo a terra. Ad esempio, quando un gran numero di uscite chip sono attivate contemporaneamente, ci sarà una grande corrente transitoria tra il chip e la scheda. Se il piano di potenza scorre attraverso, l'induttanza e la resistenza del pacchetto del chip e del piano di potenza causeranno rumore di potenza, che produrrà fluttuazioni di tensione e cambiamenti sul piano reale del suolo e questo rumore influenzerà le azioni di altri componenti. L'aumento della capacità di carico, la diminuzione della resistenza al carico, l'aumento dell'induttanza a terra e l'aumento del numero di dispositivi di commutazione porteranno tutti all'aumento del rimbalzo a terra.

Analisi delle caratteristiche elettriche del canale di trasmissione

In un PCB multistrato, la maggior parte delle linee di trasmissione non solo sono disposte su un unico livello, ma sfalsate su più livelli e ogni livello è collegato tramite vias. Pertanto, in un PCB multistrato, un tipico canale di trasmissione comprende principalmente tre parti: una linea di trasmissione, un angolo di cablaggio e una via. Nel caso delle basse frequenze, le linee stampate e le trace vias possono essere considerate come normali connessioni elettriche per collegare i pin di diversi dispositivi, che non avranno molto impatto sulla qualità del segnale. Tuttavia, nel caso delle alte frequenze, le linee stampate, gli angoli e le vie dovrebbero considerare non solo la loro connettività, ma anche l'influenza delle loro caratteristiche elettriche e dei parametri parassitari alle alte frequenze.

Analisi delle caratteristiche elettriche delle linee di trasmissione in PCB ad alta velocità

Nella progettazione PCB ad alta velocità, è inevitabile utilizzare un gran numero di linee di connessione del segnale e le loro lunghezze sono diverse. Il tempo di ritardo del segnale che passa attraverso la linea di connessione non può essere ignorato rispetto al tempo di cambiamento del segnale stesso. Il segnale è sulla linea di collegamento alla velocità delle onde elettromagnetiche. Per la trasmissione, la linea di collegamento in questo momento è una rete complessa con resistenza, capacità e induttanza, che deve essere descritta da un modello di sistema a parametri distribuiti, cioè un modello di linea di trasmissione.

La linea di trasmissione è utilizzata per trasmettere il segnale da un'estremità all'altra. Si compone di due fili con una certa lunghezza, uno è chiamato percorso del segnale e l'altro è chiamato percorso di ritorno. Nei circuiti a bassa frequenza, le caratteristiche della linea di trasmissione appaiono come caratteristiche elettriche puramente resistive. In a, man mano che la frequenza del segnale di trasmissione aumenta, l'impedenza capacitiva tra i fili diminuisce e l'impedenza induttiva sui fili aumenta. Il cavo di segnale non sarà più solo una resistenza pura, cioè, il segnale non solo sarà trasmesso sul filo, ma anche si propaga nel mezzo tra i conduttori. Se la frequenza del segnale è ulteriormente aumentata, quando jÏL>>R,1/(jÏC)