PCB Tecnico - Segnali nella progettazione di schede PCB digitali ad alta velocità

Con l'aumento della velocità di commutazione in uscita dei circuiti integrati e l'aumento della densità PCB, l'integrità del segnale è diventata una delle questioni che devono essere interessate nella progettazione di PCB digitali ad alta velocità. I parametri di componenti e PCB, il layout dei componenti sul PCB e il cablaggio di linee di segnale ad alta velocità, ecc. I fattori causeranno problemi di integrità del segnale.

Per il layout PCB, l'integrità del segnale richiede la fornitura di un layout del circuito che non influisce sulla temporizzazione o sulla tensione del segnale, mentre per il layout del circuito, l'integrità del segnale richiede la fornitura di componenti di terminazione, strategie di layout e informazioni di routing.

L'alta velocità del segnale sul PCB, la disposizione errata dei componenti di terminazione o il cablaggio errato dei segnali ad alta velocità possono causare problemi di integrità del segnale, che possono causare al sistema l'emissione di dati errati, il circuito non funziona correttamente o addirittura non funziona affatto. La considerazione completa dei fattori di integrità del segnale nel processo e misure di controllo efficaci sono diventate oggi un argomento caldo nell'industria della progettazione di PCB

1. Problemi di integrità del segnale

Una buona integrità del segnale significa che il segnale può rispondere con valori corretti del tempo e del livello di tensione quando necessario. Al contrario, quando il segnale non può rispondere normalmente, si verifica un problema di integrità del segnale.

I problemi di integrità del segnale possono causare o portare direttamente a distorsioni del segnale, errori di temporizzazione, dati errati, linee di indirizzo e controllo, malfunzionamenti del sistema e persino crash del sistema. I problemi di integrità del segnale non sono causati da un singolo fattore, ma nella progettazione a livello di scheda. Causa da una varietà di fattori.

La velocità di commutazione IC, la disposizione errata dei componenti di terminazione o il cablaggio errato dei segnali ad alta velocità possono causare problemi di integrità del segnale. I principali problemi di integrità del segnale includono: ritardo, riflessione, rumore di commutazione sincrona, oscillazione, rimbalzo a terra, crosstalk, ecc.

2. Definizione dell'integrità del segnale

L'integrità del segnale si riferisce alla capacità di un segnale di rispondere con la corretta temporizzazione e tensione nel circuito. È uno stato in cui il segnale non è danneggiato e rappresenta la qualità del segnale sulla linea del segnale.

2.1 Ritardo

Ritardo significa che il segnale viene trasmesso a una velocità limitata sui fili del PCB e 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 del sistema e il ritardo di trasmissione dipende principalmente dalla lunghezza del filo e dalla costante dielettrica del mezzo intorno al filo.

Nei sistemi digitali 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 ai due segnali dell'orologio che vengono generati contemporaneamente e l'ora in cui arrivano all'estremità ricevente non è sincronizzata.

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. Come mostrato nella Figura 1, il ritardo della linea di trasmissione è diventato una parte importante del ciclo dell'impulso dell'orologio.

2.2 Riflessioni

Il riflesso è l'eco sulla linea di sub-trasmissione. Quando il tempo di ritardo del segnale (Delay) è molto maggiore del tempo di transizione del segnale (Transition Time), 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.

2.3 Rumore di commutazione sincrona (SSN)

Quando i molti segnali digitali sul PCB sono commutati in modo sincrono (come il bus dati della CPU, il bus degli indirizzi, ecc.), a causa dell'impedenza della linea di alimentazione e della linea di terra, verrà generato rumore di commutazione sincrono e il rumore di rimbalzo del piano di terra apparirà anche sulla linea di terra (bomba di terra).

La forza di SSN e rimbalzo a terra dipende anche dalle caratteristiche di I/O del circuito integrato, dall'impedenza dello strato di potenza PCB e dello strato piano e dal layout e dal cablaggio dei dispositivi ad alta velocità sul PCB.

2.4 Crosstalk (Crosstalk)

Il 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. 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. Infatti, non abbiamo bisogno di eliminare completamente il crosstalk, purché sia controllato all'interno della gamma che il sistema può sopportare per raggiungere l'obiettivo.

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.

2.5 Overshoot e Undershoot

Overshoot è quando il primo picco o valle supera la tensione impostata. Per un bordo ascendente, si riferisce alla tensione più alta, e per un bordo discendente, 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).

2.6 Anelli e arrotondamenti

Il fenomeno dell'oscillazione è ripetuto 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.

2.7 Rumore di rimbalzo al suolo e rumore di ritorno

Quando c'è una grande sovratensione di corrente nel circuito, causerà rumore di rimbalzo del piano di terra. Ad esempio, quando un gran numero di uscite del chip è acceso contemporaneamente, una grande corrente transitoria fluirà attraverso il piano di potenza del chip e della scheda. Il pacchetto del chip e l'alimentazione elettrica L'induttanza e la resistenza del piano causeranno rumore di potenza, che produrrà fluttuazioni di tensione e cambiamenti sul piano di terra reale (OV). 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 allo stesso tempo porteranno all'aumento del rimbalzo a terra.

A causa della divisione del piano di terra (compresa potenza e terra), ad esempio, il piano di terra è diviso in terra digitale, terra analogica, terra di schermatura, ecc., quando il segnale digitale va all'area di terra analogica, verrà generato il rumore di ritorno del piano di terra.

Allo stesso modo, il piano di potenza può anche essere diviso in 2.5V, 3.3V, 5V, ecc Pertanto, nella progettazione PCB multi-tensione, dovrebbe essere prestata particolare attenzione al rumore di rimbalzo e al rumore di ritorno del piano di terra.