PCB Tecnico - Percorso di ritorno del circuito stampato ad alta velocità

Nel diagramma schematico del circuito digitale PCB, la propagazione dei segnali digitali avviene da un cancello logico all'altro. Il segnale viene inviato dall'estremità di uscita all'estremità di ricezione attraverso un cavo. Sembra scorrere in una direzione. Molti ingegneri digitali pensano che il percorso del circuito sia irrilevante. Dopo tutto, il driver e il ricevitore sono designati come dispositivi in modalità tensione, quindi perché preoccuparsi di considerare la corrente.

Infatti, la teoria del circuito di base ci dice che il segnale è propagato dalla corrente elettrica. Nello specifico, è il movimento degli elettroni. Una delle caratteristiche del flusso elettronico è che gli elettroni non rimangono mai da nessuna parte. Non importa dove scorre la corrente, devono tornare indietro. Pertanto, la corrente scorre sempre nel ciclo, e qualsiasi segnale nel circuito esiste sotto forma di un ciclo chiuso. Per la trasmissione del segnale ad alta frequenza, è in realtà un processo di ricarica del condensatore dielettrico inserito tra la linea di trasmissione e lo strato DC.

L'influenza del reflow PCB

I circuiti digitali di solito si basano su piani di terra e di potenza per completare il reflow. I percorsi di ritorno dei segnali ad alta frequenza e dei segnali a bassa frequenza sono diversi. Per il ritorno del segnale a bassa frequenza, selezionare il percorso con l'impedenza più bassa e per il segnale ad alta frequenza restituire il percorso con l'induttanza più bassa.

Quando la corrente parte dal driver del segnale, scorre attraverso la linea del segnale e iniettata nell'estremità ricevente del segnale, c'è sempre una corrente di ritorno nella direzione opposta: partendo dal perno di terra del carico, passando attraverso il piano di rame, fluendo alla sorgente del segnale e fluendo attraverso la corrente sulla linea del segnale forma un ciclo chiuso. La frequenza del rumore causata dalla corrente che scorre attraverso il piano rivestito di rame è equivalente alla frequenza del segnale. Maggiore è la frequenza del segnale, maggiore è la frequenza del rumore. Il gate logico non risponde al segnale di ingresso assoluto, ma risponde alla differenza tra il segnale di ingresso e il pin di riferimento. Il circuito di terminazione a punto singolo reagisce alla differenza tra il segnale in entrata e il suo piano logico di riferimento a terra, quindi l'interferenza sul piano di riferimento a terra e l'interferenza sul percorso del segnale sono ugualmente importanti.

PCB ad alta velocità

Il cancello logico risponde al pin di ingresso e al pin di riferimento designato e non sappiamo quale sia il pin di riferimento designato (per TTL, di solito è un alimentatore negativo, per ECL è solitamente un alimentatore positivo, ma non tutti), In termini di questa proprietà, l'abilità anti-interferenza del segnale differenziale può avere un buon effetto sul rumore di rimbalzo a terra e sullo scivolamento del piano di potenza.

Quando molti segnali digitali sulla scheda PCB sono commutati in modo sincrono (come bus dati della CPU, bus di indirizzo, ecc.), ciò provoca il flusso di correnti di carico transitorie dall'alimentazione elettrica nel circuito o dal circuito al cavo di terra, a causa dell'esistenza del cavo di alimentazione e dell'impedenza del cavo di terra produrrà rumore di commutazione sincrona (SSN) e il rumore di rimbalzo del piano di terra (denominato rimbalzo di terra) apparirà anche sulla linea di terra. E quando l'area circostante della linea elettrica e della linea di messa a terra sulla scheda stampata è più grande, anche la loro energia di radiazione è maggiore. Pertanto, analizziamo lo stato di commutazione del chip digitale e adottiamo misure per controllare la modalità di ritorno per ridurre l'area circostante. Area, lo scopo della minima radiazione.

IC1 è il terminale di uscita del segnale, IC2 è il terminale di ingresso del segnale (per semplificare il modello PCB, si presume che il terminale ricevente contenga una resistenza a valle), e il terzo strato è lo strato di terra. I motivi di IC1 e IC2 provengono entrambi dal terzo piano di terra. L'angolo superiore destro dello strato superiore è un piano di potenza, che è collegato al polo positivo dell'alimentazione elettrica. C1 e C2 sono i condensatori di disaccoppiamento rispettivamente di IC1 e IC2. L'alimentazione elettrica e il perno di terra del chip mostrato nella figura sono l'alimentazione elettrica e la terra delle estremità di invio e ricezione del segnale.

Alle basse frequenze, se il terminale S1 emette un livello elevato, l'intero ciclo corrente è che l'alimentazione elettrica è collegata al piano di alimentazione VCC attraverso un cavo e quindi entra IC1 attraverso il percorso arancione, quindi esce dal terminale S1 e entra IC2 attraverso il secondo strato del cavo attraverso il terminale R1. Quindi entrare nello strato GND e tornare al polo negativo dell'alimentazione tramite il percorso rosso.

Alle alte frequenze, le caratteristiche di distribuzione del PCB avranno un grande impatto sul segnale PCB. Il ritorno a terra di cui parliamo spesso è un problema spesso riscontrato nei segnali ad alta frequenza. Quando c'è una corrente aumentata nella linea di segnale da S1 a R1, il campo magnetico esterno cambia rapidamente, che induce una corrente inversa nei conduttori vicini. Se il piano di terra del terzo strato è un piano di terra completo, sul piano di terra verrà generata una corrente indicata dalla linea tratteggiata blu. Se il livello superiore ha un piano di potenza completo, ci sarà anche un flusso di ritorno lungo la linea tratteggiata blu sul livello superiore. In questo momento, il ciclo di segnale ha il più piccolo ciclo di corrente, l'energia irradiata all'esterno è la più piccola e la capacità di accoppiare i segnali esterni è anche la più piccola. (L'effetto della pelle ad alta frequenza è anche la più piccola energia esterna di radiazione, il principio è lo stesso)

Poiché il livello del segnale ad alta frequenza e la corrente del PCB cambiano rapidamente, ma il periodo di cambiamento è breve, l'energia richiesta non è molto grande, quindi il chip è alimentato dal condensatore di disaccoppiamento più vicino al chip. Quando C1 è abbastanza grande e la risposta è abbastanza veloce (ha un valore ESR molto basso, si usano solitamente condensatori ceramici. L'ESR dei condensatori ceramici è molto inferiore a quello dei condensatori al tantalio), il percorso arancione sullo strato superiore e il percorso rosso sullo strato GND possono essere visti come inesistenti.

Pertanto, nell'ambiente costruito, l'intero percorso della corrente PCB è: dal polo positivo di C1 - il VCC di IC1 - la linea di segnale di S1 - L2 - R1 - il GND di IC2 - il percorso giallo dello strato GND - la via - l'elettrodo ne gativo del condensatore. Si può vedere che c'è una corrente marrone equivalente nella direzione verticale della corrente PCB e un campo magnetico è indotto nel mezzo. Allo stesso tempo, questo toro può facilmente accoppiarsi a interferenze esterne. Se il segnale è un segnale di clock come nella figura, c'è un set di linee dati 8bit in parallelo, alimentate dallo stesso alimentatore dello stesso PCB e il percorso di ritorno corrente è lo stesso.

Se il livello della linea dati gira nella stessa direzione contemporaneamente, sull'orologio verrà indotta una grande corrente inversa. Se la linea dell'orologio non è ben abbinata, questa crosstalk è sufficiente per avere un effetto fatale sul segnale dell'orologio. L'intensità di questo tipo di crosstalk non è proporzionale al valore assoluto dei livelli alti e bassi della sorgente di interferenza, ma è proporzionale al tasso di cambio corrente della sorgente di interferenza.