PCB Tecnico - Soluzioni parallele di progettazione di bus e interferenza per applicazioni ad alta frequenza

Nella progettazione elettronica moderna, la progettazione PCB è cruciale e il bus, come canale chiave per la comunicazione tra vari dispositivi, fornisce la base per le prestazioni e l'efficienza della progettazione PCB. In questo articolo, discuteremo in profondità le caratteristiche, i vantaggi e gli svantaggi, nonché gli scenari applicativi dei bus paralleli e seriali nella progettazione di PCB ad alta velocità, per aiutare i progettisti a capire meglio e scegliere il giusto tipo di bus.

Un bus è un percorso fisico condiviso per la comunicazione tra due o più dispositivi, una raccolta di linee di segnale e un collegamento comune tra più componenti per il trasferimento di informazioni tra di loro. Esistono due tipi principali di autobus in base al loro modo di funzionamento: bus paralleli e bus seriali.

I bus paralleli sono progettati per consentire la trasmissione simultanea di più bit di dati. Questa struttura di autobus è simile a una spaziosa carreggiata che può ospitare più veicoli che viaggiano contemporaneamente, ed è tipicamente utilizzata in situazioni in cui la trasmissione dei dati è più impegnativa. Il vantaggio di un bus parallelo è che la trasmissione dei dati è veloce perché più segnali possono essere trasmessi contemporaneamente. Tuttavia, man mano che i tassi di trasmissione dei dati aumentano, emergono problemi di integrità del segnale e interferenza. Le connessioni bus parallele richiedono più linee di segnale, con conseguente maggiore complessità progettuale, e i problemi di crosstalk e delay tra i segnali non possono essere ignorati nelle operazioni ad alta frequenza.

A differenza dei bus paralleli, i bus seriali trasmettono i dati uno dopo l'altro in ordine di bit. La segnalazione seriale utilizza tipicamente meno cavi di segnale, il che rende il cablaggio più semplice e più chiaro. Poiché sono necessari solo uno o più fili per la trasmissione dei dati, i bus seriali sono particolarmente importanti per ridurre la quantità di spazio occupato sul PCB e ridurre la complessità del prodotto finito.

I bus seriali sono generalmente più resistenti alle interferenze, soprattutto se si utilizzano segnali differenziali, dove ogni coppia di cavi differenziali è costituita da un positivo e un negativo, migliorando l'integrità del segnale. Sebbene i bus seriali trasmettano meno bit per unità di tempo, è possibile ottenere velocità di trasmissione più elevate utilizzando velocità di propagazione più elevate.

I bus paralleli sono adatti per applicazioni che richiedono elevata larghezza di banda e bassa latenza. Le applicazioni comuni includono il trasferimento di dati all'interno di un computer e la connessione di periferiche ad alte prestazioni come le schede grafiche. I bus paralleli sono in grado di trasferire più bit di dati contemporaneamente, il che offre loro un vantaggio significativo quando si tratta di grandi quantità di dati. Ad esempio, i bus informatici tradizionali come PCI e PCIe utilizzano il parallelismo per un trasferimento rapido dei dati. Tuttavia, alle alte frequenze operative, possono verificarsi gravi interferenze tra linee di segnale parallele, quindi i progettisti devono considerare la manutenzione dell'integrità del segnale e la gestione delle interferenze quando utilizzano bus paralleli. Una corretta tecnica di cablaggio e condizionamento del segnale può essere efficace nel ridurre al minimo gli effetti di questi problemi.

Rispetto ai bus paralleli, i bus seriali funzionano meglio per la trasmissione di dati a lunga distanza e lo scambio di dati su larga scala. Con cablaggio semplice e basso costo, i bus seriali sono una delle scelte principali per le comunicazioni moderne. Le applicazioni includono vari standard di interfaccia come I2C, SPI e USB, che sono ampiamente utilizzati per la connettività tra sensori, microcontrollori e altre periferiche. Il design del bus seriale gli conferisce un vantaggio in termini di immunità alle interferenze, rendendolo adatto all'uso in ambienti con forti interferenze elettromagnetiche. Ad esempio, CAN bus è un protocollo di comunicazione seriale comune utilizzato nelle applicazioni automobilistiche e industriali e i suoi robusti meccanismi di rilevamento degli errori e ridondanza garantiscono una trasmissione affidabile dei dati in ambienti complessi.

Solo un pezzo di dati può essere trasmesso contemporaneamente, che è come una strada stretta che permette solo a una macchina di camminare su. I dati devono essere trasmessi uno dopo l'altro, che sembra una lunga stringa di dati, quindi è chiamato "seriale".

Il miglior esempio di trasmissione parallela è il chip di memoria DDR. Ha un insieme di linee dati D0-D7, più DQS e DQM. Questo insieme di linee viene trasmesso insieme. Non importa quale bit abbia un errore, i dati non saranno trasmessi correttamente. Solo ritrasmissione. Pertanto, ogni cavo del cavo dati deve essere di uguale lunghezza e deve essere avvolto più volte.

I dati seriali sono diversi. I dati vengono trasmessi uno ad uno e non c'è connessione tra i bit. Non c'è errore in questo bit e il bit successivo non può essere trasmesso. I dati paralleli sono un insieme di dati in cui un bit è sbagliato e l'intero insieme di dati non funzionerà.

Requisiti di cablaggio PCB

Requisiti per il cablaggio parallelo del bus:

(1) Si raccomanda che il bus sia preferibilmente cablato internamente e la distanza tra il bus e altri cavi dovrebbe essere aumentata il più possibile.

(2) Oltre ai requisiti speciali, l'impedenza di progettazione a linea singola è garantita di 50 ohm e l'impedenza di progettazione differenziale è garantita di 100 ohm.

(3) Si raccomanda che lo stesso gruppo di autobus mantenga la stessa lunghezza di cablaggio e segua una certa relazione di temporizzazione con la linea dell'orologio e controlli la lunghezza del cablaggio con riferimento ai risultati forti dell'analisi della temporizzazione.

(4) Si raccomanda di essere il più vicino possibile all'alimentazione elettrica I/O o al piano di riferimento GND di questo gruppo di autobus per garantire l'integrità del piano di riferimento.

(5) Un bus con un tempo di salita inferiore a 1ns richiede un piano di riferimento completo e non deve attraversare la partizione.

(6) Si raccomanda che il bus di indirizzo inferiore si riferisca ai requisiti di cablaggio dell'orologio.

(7) La distanza del filo di avvolgimento serpentino non deve essere inferiore a 3 volte la larghezza della linea.

Requisiti di cablaggio del bus seriale PCB ad alta velocità

Per un bus seriale con una frequenza superiore a 100 Mbps, oltre a seguire le regole generali di controllo crosstalk e cablaggio per i bus paralleli, nella progettazione del cablaggio devono essere presi in considerazione alcuni requisiti aggiuntivi:

(1) Il bus seriale PCB ad alta velocità deve considerare la perdita di cablaggio e determinare la larghezza della linea e la lunghezza della linea.

(2) Si raccomanda che la larghezza della linea non sia inferiore a 5mil in circostanze normali e il cablaggio dovrebbe essere il più breve possibile.

(3) Ad eccezione dei vias Fanout, il bus seriale ad alta velocità non dovrebbe essere perforato e cambiato.

(4) Quando la velocità dei pin plug-in coinvolti nel bus seriale è superiore a 3.125Gbps, l'anti-pad dovrebbe essere ottimizzato per ridurre l'impatto della non-radiazione causata da impedenza discontinua.

(5) Si raccomanda che quando si cambiano gli strati del cablaggio del bus seriale ad alta velocità, scelga lo strato di cablaggio con il più piccolo via stub. Per il segnale al connettore, quando lo spazio di cablaggio è limitato, lo strato di cablaggio con il corto via stub è assegnato preferibilmente all'estremità di invio.

(6) Si raccomanda che quando la velocità è 3.125Gbps o superiore, un foro di massa dovrebbe essere forato accanto al segnale via e il condensatore di accoppiamento CA dovrebbe anche essere trattato specialmente per l'anti-pad.

(7) Se i vias del segnale ad alta velocità sono elaborati mediante perforazione posteriore, è necessario considerare l'influenza della riduzione della capacità di flusso corrente del piano di terra di potenza e dell'aumento dell'induttanza del ciclo del filtro dopo che il collo di bottiglia di flusso è ristretto.

(8) Il segnale ad alta velocità evita la linea di divisione dello strato piano e la distanza orizzontale tra il bordo della linea di segnale e il bordo della linea di divisione è garantita 3W.

(9) I segnali ad alta velocità in entrambe le direzioni non dovrebbero essere attraversati e instradati.