PCB Tecnico - Sorgente offset in PCB ad alta velocità

Di seguito è l'analisi e la soluzione della sorgente offset in PCB ad alta velocità, spero che sarà utile a tutti.

La sincronizzazione del segnale nei dispositivi digitali ad alta velocità si basa su misurazioni accurate di commutazione da IC digitali. Ci sono molti fattori che influenzano il tempo di commutazione del segnale e una stima errata aumenterà il tasso di errore del bit del dispositivo. Nei dispositivi senza ridondanza, un tasso di errore di bit più elevato può causare il blocco del funzionamento del PCB.

1. Tempo di salita/caduta del segnale e distorsione

I circuiti integrati digitali hanno una certa capacità di uscita e impedenza caratteristica, che causano ritardi quando si passa da uno stato all'altro. I tempi di salita e caduta del segnale sono solitamente approssimativamente lineari, ma i tempi di salita e caduta effettivi sono esponenziali, simili ai valori misurati in un semplice circuito di serie RC.

Questa approssimazione lineare è adatta a velocità di commutazione inferiori, dove il periodo di commutazione è molto più lungo della costante di tempo equivalente associata al tempo di salita/caduta. L'approssimazione lineare tende a sottovalutare il tempo di commutazione. Un'altra approssimazione è il tempo necessario per impostare la velocità di commutazione alla transizione tra l'estremità bassa dello stato acceso e l'estremità alta dello stato spento.

Sfortunatamente, entrambe queste approssimazioni possono sottovalutare il corretto tempo di salita/caduta del segnale digitale. Ciò può causare problemi quando si seleziona la velocità di commutazione appropriata e la rete di segnale di sincronizzazione.

L'effetto della commutazione del segnale e la distorsione che produce sono doppi. In primo luogo, causa un errore nell'orario di arrivo del segnale trasmesso attraverso l'IC continuo. I circuiti integrati differenti possono produrre forme leggermente diverse di impulso di uscita e gli impulsi di uscita possono essere cambiati secondo il flusso di impulso digitale preciso. Questo crea diversi tempi di riferimento tra i segnali, che possono causare problemi quando il progettista sincronizza i circuiti ad alta velocità.

In secondo luogo, i tempi esponenziali di aumento e di caduta durante la commutazione possono causare la caduta della tensione di uscita nel margine o nell'area indefinita del rumore. Se si tenta di guidare il PCB a una velocità di dati simile alla costante di tempo RC effettiva, aumenterà il tasso di errore del bit.

Quando la velocità dei dati è superiore a ~100 Mbps, la deviazione dovrebbe essere ridotta utilizzando un orologio di inoltro o incorporato nel PCB. Nella maggior parte dei progetti ad alta velocità, i segnali sono instradati in coppie differenziali per ridurre il crosstalk. Ciò richiede una compensazione precisa della distorsione tra la gamba positiva e la gamba negativa della coppia di tracce nella rete di segnale differenziale. Prima che la degradazione del segnale diventi un problema importante, le velocità dati Gbps o velocità dati superiori possono consentire solo una distorsione di pochi picosecondi.

2. L'influenza del substrato del circuito stampato e della capacità parassitaria

Considerando le tracce conduttive fluttuanti nel vuoto, la simulazione semplice può tenere conto della deviazione del segnale digitale. Una migliore simulazione prenderà in considerazione la presenza del substrato, che crea capacità parassitaria tra conduttori adiacenti. Questa capacità parassitaria può essere vista come un condensatore parallelo, che aumenta la capacità totale di una determinata traccia. Questo aumenterà la costante di tempo RC effettiva e aumenterà la distorsione.

Man mano che la densità di interconnessione aumenta, la capacità parassitaria aumenterà solo ulteriormente. Questi circuiti hanno una distanza più stretta tra le tracce, con conseguente maggiore capacità parassitaria. Necessità di regolare la larghezza della traccia in modo appropriato per garantire che la traccia possa essere correttamente abbinata all'impedenza durante il processo di progettazione.

In un PCB multistrato, la resina epossidica e la trama di vetro nel substrato PCB influenzeranno anche la distorsione. A causa dei limiti di produzione di PCB, il modello di tessitura non è quasi mai allineato con ogni traccia. Invece, la treccia e la pista saranno disposti ad un angolo tra di loro, e l'angolo influenzerà la distorsione creando un ritardo di fase. L'offset laterale tra il modello di maglia e la traccia influenzerà anche la distorsione.

Nel dominio temporale, questo influisce sul ritardo di propagazione del segnale in una determinata traccia. La distorsione in questi casi è solitamente quantificata in unità di ps/inch. Tracce più lunghe accumuleranno maggiore distorsione, e per tracce di media lunghezza, la curvatura può raggiungere alcuni picosecondi. Ciò aumenta notevolmente la possibilità di degradazione del segnale nei dispositivi che operano a Gbps. I laminati ad alta velocità sono spesso utilizzati per compensare questi problemi di degradazione del segnale nei PCB multistrato.

3. Tracce errate sono sul PCB

Nella progettazione di PCB, gli offset di temporizzazione causati da lunghezza non abbinata o ritardo di propagazione sono solitamente compensati da tracce a zig zag. Le reti di segnale con lunghezze di traccia errate possono abbinare tutte le lunghezze di traccia alla traccia più lunga della rete. La curva deve essere aggiunta alla traccia più corta per aumentarne la lunghezza.