PCB Tecnico - Problemi di progettazione PCB ad alta frequenza e ad alta velocità

Attualmente, la progettazione PCB ad alta frequenza e ad alta velocità è diventata il mainstream e ogni ingegnere di layout PCB dovrebbe essere competente. Successivamente, Banermei condividerà con voi alcune delle esperienze di progettazione di esperti hardware in circuiti PCB ad alta frequenza e ad alta velocità, e spero che sarà utile a tutti.

Quali problemi possono essere riscontrati nella progettazione di PCB ad alta frequenza e ad alta velocità

1. Come evitare interferenze ad alta frequenza?

L'idea di base per evitare interferenze ad alta frequenza è quella di minimizzare l'interferenza del campo elettromagnetico dei segnali ad alta frequenza, che è il cosiddetto crosstalk (Crosstalk). È possibile aumentare la distanza tra il segnale ad alta velocità e il segnale analogico, o aggiungere tracce di protezione a terra/shunt accanto al segnale analogico. Prestare attenzione anche all'interferenza del rumore dal suolo digitale al suolo analogico.

2. Come considerare la corrispondenza di impedenza quando si progettano schemi di progettazione PCB ad alta velocità?

Quando si progettano circuiti PCB ad alta velocità, la corrispondenza dell'impedenza è uno degli elementi di progettazione. Il valore di impedenza ha una relazione assoluta con il metodo di cablaggio, come camminare sullo strato superficiale (microstrip) o sullo strato interno (stripline / doppia stripline), distanza dallo strato di riferimento (strato di potenza o strato di terra), larghezza del cablaggio, materiale PCB, ecc Entrambi influenzeranno il valore di impedenza caratteristico della traccia. Vale a dire, il valore di impedenza può essere determinato solo dopo il cablaggio. Generalmente, il software di simulazione non può tenere conto di alcune condizioni di cablaggio con impedenza discontinua a causa della limitazione del modello di circuito o dell'algoritmo matematico utilizzato. In questo momento, solo alcuni terminatori (terminazione), come la resistenza di serie, possono essere riservati sul diagramma schematico. Alleviare l'effetto della discontinuità nell'impedenza di traccia. La vera soluzione al problema è cercare di evitare discontinuità di impedenza durante il cablaggio.

3. Nella progettazione PCB ad alta velocità, quali aspetti dovrebbe il progettista considerare le regole EMC ed EMI?

Generalmente, la progettazione EMI/EMC deve considerare sia gli aspetti irradiati che condotti allo stesso tempo. Il primo appartiene alla parte di frequenza superiore (<30MHz) e il secondo è la parte di frequenza inferiore (<30MHz). Quindi non si può solo prestare attenzione all'alta frequenza e ignorare la parte bassa frequenza. Una buona progettazione EMI / EMC deve tenere conto della posizione del dispositivo, disposizione dello stack PCB, metodo di connessione importante, selezione del dispositivo, ecc. all'inizio del layout. Se non c'è un accordo migliore in anticipo, sarà risolto in seguito. Farà il doppio del risultato con metà dello sforzo e aumenterà il costo. Ad esempio, la posizione del generatore di orologio non dovrebbe essere vicina al connettore esterno. I segnali ad alta velocità dovrebbero andare allo strato interno il più possibile. Prestare attenzione alla caratteristica corrispondenza dell'impedenza e alla continuità dello strato di riferimento per ridurre i riflessi. La velocità di rotazione del segnale spinto dal dispositivo dovrebbe essere il più piccolo possibile per ridurre l'altezza. I componenti di frequenza, quando si sceglie un condensatore di disaccoppiamento / bypass, prestare attenzione a se la sua risposta in frequenza soddisfa i requisiti per ridurre il rumore sul piano di potenza. Inoltre, prestare attenzione al percorso di ritorno della corrente del segnale ad alta frequenza per rendere l'area del ciclo il più piccola possibile (cioè, l'impedenza del ciclo il più piccola possibile) per ridurre le radiazioni. È inoltre possibile dividere il terreno per controllare la gamma di rumore ad alta frequenza. Infine, scegliere correttamente il terreno del telaio tra il PCB e l'alloggiamento.

4. Come scegliere la scheda PCB?

La scelta della scheda PCB deve trovare un equilibrio tra soddisfare i requisiti di progettazione e produzione di massa e costi. I requisiti di progettazione comprendono sia parti elettriche che meccaniche. Di solito questo problema di materiale è più importante quando si progettano schede PCB ad alta velocità (frequenza maggiore di GHz). Ad esempio, il materiale FR-4 comunemente usato, la perdita dielettrica ad una frequenza di diversi GHz avrà una grande influenza sull'attenuazione del segnale e potrebbe non essere adatto. Per quanto riguarda l'elettricità, prestare attenzione a se la costante dielettrica e la perdita dielettrica sono adatti alla frequenza progettata.

5. Come soddisfare i requisiti EMC il più possibile senza causare troppa pressione sui costi?

L'aumento del costo della scheda PCB dovuto a EMC è solitamente dovuto all'aumento del numero di strati di terra per migliorare l'effetto schermante e l'aggiunta di perline in ferrite, choke e altri dispositivi di soppressione armonica ad alta frequenza. Inoltre, è solitamente necessario abbinare la struttura di schermatura su altri istituti per far sì che l'intero sistema superi i requisiti EMC. Quanto segue fornisce solo alcune tecniche di progettazione della scheda PCB per ridurre l'effetto di radiazione elettromagnetica generato dal circuito.

Prova a scegliere dispositivi con velocità di rotazione del segnale più lenta per ridurre i componenti ad alta frequenza generati dal segnale.

Prestare attenzione al posizionamento di componenti ad alta frequenza, non troppo vicino al connettore esterno.

Prestare attenzione alla corrispondenza di impedenza dei segnali ad alta velocità, allo strato di cablaggio e al suo percorso di corrente di ritorno, per ridurre la riflessione ad alta frequenza e la radiazione.

Posizionare condensatori di disaccoppiamento sufficienti e appropriati sui pin di alimentazione di ciascun dispositivo per alleviare il rumore sul piano di potenza e sul piano di terra. Prestare particolare attenzione a se la risposta in frequenza e le caratteristiche di temperatura del condensatore soddisfano i requisiti di progettazione.

La terra vicino al connettore esterno può essere separata correttamente dal terreno e la terra del connettore può essere collegata al terreno del telaio nelle vicinanze.

Le tracce di protezione a terra/shunt possono essere utilizzate in modo appropriato accanto ad alcuni segnali speciali ad alta velocità. Ma prestare attenzione all'influenza delle tracce di guardia/shunt sulla caratteristica impedenza della traccia.

Lo strato di potere si restringe 20H dallo strato di terra e H è la distanza tra lo strato di potere e lo strato di terra.

6. Quali aspetti dovrebbero essere prestati attenzione quando si progetta, instrada e layout di PCB ad alta frequenza sopra 2G?

I PCB ad alta frequenza superiori a 2G appartengono alla progettazione di circuiti a radiofrequenza e non rientrano nell'ambito di discussione della progettazione di circuiti digitali ad alta velocità. Il layout e l'instradamento del circuito di radiofrequenza dovrebbero essere considerati insieme allo schema, perché il layout e l'instradamento causeranno effetti di distribuzione. Inoltre, alcuni dispositivi passivi nella progettazione di circuiti a radiofrequenza sono realizzati attraverso definizioni parametrizzate e fogli di rame a forma speciale. Pertanto, gli strumenti EDA sono necessari per fornire dispositivi parametrizzati e modificare fogli di rame a forma speciale. La boardstation del mentore ha uno speciale modulo di progettazione RF che può soddisfare questi requisiti. Inoltre, la progettazione generale RF richiede strumenti specializzati di analisi del circuito RF. Il più famoso del settore è eesoft di agilent, che ha una buona interfaccia con gli strumenti di Mentor.

7. L'aggiunta di punti di prova influenzerà la qualità dei segnali ad alta velocità?

Se influenzerà la qualità del segnale dipende dal metodo di aggiunta dei punti di prova e dalla velocità del segnale. Fondamentalmente, ulteriori punti di prova (non utilizzare il pin via o DIP esistente come punti di prova) possono essere aggiunti alla linea o tirati una linea corta dalla linea. Il primo equivale ad aggiungere un piccolo condensatore sulla linea, il secondo è un ramo extra. Entrambe queste condizioni influenzeranno più o meno il segnale ad alta velocità e l'estensione dell'effetto è correlata alla velocità di frequenza del segnale e alla velocità di bordo del segnale. L'entità dell'impatto può essere conosciuta attraverso la simulazione. In linea di principio, più piccolo è il punto di prova, meglio (naturalmente, deve soddisfare i requisiti dello strumento di prova) più corto è il ramo, meglio è.