PCB Tecnico - Comprendere le soluzioni di integrità del segnale PCB

I problemi di integrità del segnale non sono causati da un singolo fattore, ma sono causati da molteplici fattori nella progettazione del PCB. I principali problemi di integrità del segnale includono riflessione, squillo, rimbalzo a terra, crosstalk, ecc. Quanto segue introduce principalmente la soluzione crosstalk e riflessione.

3.1 Punteggio crosstalk

Il crosstalk si riferisce all'interferenza indesiderata del rumore di tensione causata dall'accoppiamento elettromagnetico alle linee di trasmissione adiacenti quando il segnale si propaga sulla linea di trasmissione. Un eccessivo crosstalk può causare un falso innesco del circuito e causare il malfunzionamento del sistema.

Poiché il crosstalk è inversamente proporzionale alla spaziatura, è direttamente proporzionale alla lunghezza parallela della linea. Il crosstalk cambia con il carico del circuito. Per la stessa topologia e cablaggio, maggiore è il carico, maggiore è il crosstalk. La conversazione incrociata e' proporzionale alla frequenza del segnale. Nei circuiti digitali, i cambi di bordo del segnale hanno il maggiore impatto sul crosstalk. Più velocemente cambia il bordo, maggiore è il crosstalk.

In considerazione delle caratteristiche di cui sopra del crosstalk, si può riassumere nei seguenti metodi per ridurre il crosstalk:

(1) Ridurre la velocità di transizione del bordo del segnale quando possibile. Nella selezione dei dispositivi, pur rispettando le specifiche di progettazione, i dispositivi lenti dovrebbero essere selezionati per quanto possibile e l'uso misto di diversi tipi di segnali dovrebbe essere evitato, perché i segnali che cambiano rapidamente presentano potenziali rischi di crosstalk per segnali che cambiano lentamente.

(2) Il crosstalk causato dall'accoppiamento capacitivo e dall'accoppiamento induttivo aumenta con l'aumento dell'impedenza di carico della linea interferita, in modo da ridurre il carico può ridurre l'influenza dell'interferenza di accoppiamento.

(3) Quando le condizioni di cablaggio lo consentono, cercare di ridurre la lunghezza parallela tra le linee di trasmissione adiacenti o aumentare la distanza tra i fili di accoppiamento capacitivo, ad esempio adottando il principio 3W (la distanza tra i fili deve essere un singolo filo 3 volte la larghezza o la distanza tra due tracce deve essere maggiore di 2 volte la larghezza di una singola traccia). Un metodo più efficace è quello di isolare i fili con fili di terra.

(4) L'inserimento di un cavo di terra tra le linee di segnale adiacenti del PCB può anche ridurre efficacemente il crosstalk capacitivo. Questo cavo di massa deve essere collegato alla terra ogni 1/4 lunghezza d'onda.

(5) L'accoppiamento induttivo è difficile da sopprimere, in modo da cercare di ridurre il numero di cicli, ridurre l'area del ciclo ed evitare di condividere lo stesso filo per i cicli di segnale.

(6) Le tracce dello strato di segnale di due strati adiacenti dovrebbero essere verticali, evitare tracce parallele il più possibile per ridurre la conversazione incrociata tra gli strati.

(7) Lo strato superficiale ha solo uno strato di riferimento e l'accoppiamento del cablaggio dello strato superficiale è più forte di quello dello strato medio. Pertanto, i segnali più sensibili al crosstalk dovrebbero essere posizionati sul livello interno il più possibile.

(8) Attraverso la terminazione, l'estremità lontana e l'estremità vicina della linea di trasmissione e l'impedenza terminale sono abbinati alla linea di trasmissione, che può ridurre notevolmente l'interferenza crosstalk e riflessione.

3.2 Analisi di riflessione

Quando un segnale si propaga su una linea di trasmissione, finché incontra un cambiamento di impedenza, si verificherà una riflessione. Il metodo principale per risolvere il problema di riflessione è quello di eseguire la corrispondenza dell'impedenza terminale.

3.2.1 Tipica strategia di terminazione della linea di trasmissione

Nel sistema digitale ad alta velocità, il disallineamento di impedenza sulla linea di trasmissione causerà la riflessione del segnale. Il metodo per ridurre ed eliminare la riflessione consiste nell'eseguire la corrispondenza dell'impedenza terminale all'estremità trasmittente o all'estremità ricevente in base all'impedenza caratteristica della linea di trasmissione, in modo che il coefficiente di riflessione della sorgente o il coefficiente di riflessione del carico sia O. Se la lunghezza della linea di trasmissione soddisfa le seguenti condizioni, occorre utilizzare la tecnologia di terminazione:

L>tr/2tpd. Nella formula, L è la lunghezza della linea di trasmissione; tr è il tempo di salita del segnale sorgente; tpd è il ritardo di trasmissione del carico per unità di lunghezza sulla linea di trasmissione.

La terminazione delle linee di trasmissione PCB adotta solitamente due strategie: abbinare l'impedenza di carico con l'impedenza della linea di trasmissione, cioè la terminazione parallela; abbinare l'impedenza della sorgente con l'impedenza della linea di trasmissione, cioè la terminazione seriale.

(1) Terminazione parallela

La terminazione parallela consiste principalmente nel collegare l'impedenza pull-up o pull-down il più vicino possibile all'estremità del carico per ottenere la corrispondenza di impedenza del terminale. Secondo diversi ambienti applicativi, la terminazione parallela può essere divisa in diversi tipi come mostrato nella Figura 2.

(2) Terminazione seriale

La terminazione seriale viene realizzata inserendo una resistenza nella linea di trasmissione il più vicino possibile alla sorgente. La terminazione seriale deve corrispondere all'impedenza della sorgente del segnale. La resistenza della resistenza seriale inserita più l'impedenza di uscita della sorgente motrice deve essere maggiore o uguale all'impedenza della linea di trasmissione.

Questa strategia sopprime il segnale riflesso dal carico (alta impedenza in ingresso all'estremità del carico, non assorbendo l'energia) rendendo il coefficiente di riflessione dell'estremità della sorgente zero e quindi riflettendo indietro dall'estremità della sorgente all'estremità del carico.

3.2.2 Tecnologia di terminazione dei diversi dispositivi di processo

Le soluzioni tecniche di abbinamento e terminazione dell'impedenza variano con la lunghezza di interconnessione e la serie di dispositivi logici nel circuito. Solo per la situazione specifica, il metodo di terminazione corretto e appropriato può essere utilizzato per ridurre efficacemente la riflessione del segnale.

In generale, per una sorgente di unità di processo CMOS, il suo valore di impedenza di uscita è relativamente stabile e vicino al valore di impedenza della linea di trasmissione, quindi l'uso della tecnologia di terminazione seriale per i dispositivi CMOS otterrà risultati migliori; L'impedenza di uscita è diversa quando la logica di uscita è alta e bassa.

Al momento, utilizzare il sistema parallelo di terminazione Thevenin è una strategia migliore; I dispositivi ECL hanno generalmente un'impedenza di uscita molto bassa. Pertanto, è il circuito ECL ad utilizzare una resistenza di terminazione pull-down all'estremità ricevente del circuito ECL per assorbire l'energia.

Naturalmente, il metodo di cui sopra non è assoluto. La differenza nel circuito specifico, la selezione della topologia della rete e il numero di carichi all'estremità ricevente sono tutti fattori che possono influenzare la strategia di terminazione. Pertanto, quando si implementa un piano di terminazione del circuito in un circuito ad alta velocità, è necessario scegliere lo schema di terminazione appropriato in base alla situazione per ottenere il miglior effetto di terminazione.

4. Analisi e modellazione dell'integrità del segnale

La modellazione e la simulazione ragionevoli dei circuiti sono la soluzione più comune per l'integrità del segnale. Nella progettazione di circuiti ad alta velocità, l'analisi di simulazione mostra sempre più vantaggi. Fornisce ai progettisti risultati di progettazione accurati e intuitivi, che è conveniente per la rilevazione precoce dei problemi e la modifica tempestiva, riducendo così i tempi di progettazione e riducendo i costi di progettazione. Esistono tre modelli comunemente usati: modello SPICE, modello IBIS e modello Verilog-A.

SPICE è un potente simulatore di circuiti analogici per uso generale. Si compone di due parti: Equazione del modello e Parametri del modello.

Poiché viene fornita l'equazione del modello, il modello SPICE può essere strettamente collegato con l'algoritmo del simulatore e può essere ottenuta una migliore efficienza di analisi e risultati di analisi; Il modello IBIS è specificamente utilizzato per l'integrità del segnale digitale a livello di scheda PCB e a livello di sistema.

Utilizza la forma di tabelle I/V e V/T per descrivere le caratteristiche delle unità di I/O del circuito integrato digitale e dei pin. L'accuratezza dell'analisi del modello IBIS dipende principalmente dal numero di punti dati e dall'accuratezza dei dati nelle tabelle 1/V e V/T. Rispetto al modello SPICE, il modello IBIS ha una piccola quantità di calcolo.

5. Verifica della simulazione

Il circuito di esempio del ricetrasmettitore asincrono viene utilizzato per mostrare i risultati. Nell'ambiente di simulazione, il segnale di eccitazione è impostato a 50 ns, l'alimentazione elettrica è impostata a 5V e le altre impostazioni sono predefinite. Viene eseguita la simulazione del pin U3-5 della rete RTSB. La situazione di simulazione è illustrata nella figura 3:

Curva a è la forma d'onda del segnale prima della terminazione e può essere visto che c'è una seria riflessione del segnale; le curve b e c sono le forme d'onda del segnale dopo la resistenza di terminazione a terra e i valori di resistenza di terminazione sono diversi; curva d è la forma d'onda del segnale dopo la terminazione di Thevenin Si può vedere dalla figura che la resistenza di terminazione può fondamentalmente eliminare la riflessione. Lo svantaggio è che la resistenza di terminazione al suolo provoca la caduta della tensione ad alto livello di terra e la resistenza di terminazione all'alimentazione elettrica provoca l'aumento del livello basso di potenza.

Sulla base del continuo sviluppo della tecnologia microelettronica, l'uso di dispositivi ad alta velocità e la progettazione di sistemi digitali ad alta velocità sono in aumento. La velocità dei dati di sistema, la velocità di clock e la densità PCB sono in costante aumento e anche i requisiti di progettazione per le schede PCB stanno diventando sempre più alti. E' un problema di integrità del segnale.

Per garantire che il PCB abbia una buona integrità del segnale, è necessario sintetizzare una varietà di fattori che influenzano, layout e percorso razionalmente, migliorando così le prestazioni del prodotto.