PCB Tecnico - Sevev di guida di progettazione PCB ad alta velocità: come ridurre l'effetto RF nella progettazione di interconnessione PCB

L'interconnessione del sistema del circuito stampato comprende tre tipi di interconnessione tra il chip al circuito stampato, l'interconnessione all'interno della scheda PCB e il PCB e i dispositivi esterni. Nella progettazione RF, le caratteristiche elettromagnetiche al punto di interconnessione sono uno dei principali problemi affrontati dalla progettazione ingegneristica. Questo articolo introduce le varie tecniche dei suddetti tre tipi di progettazione di interconnessione. Il contenuto comprende metodi di installazione del dispositivo, isolamento dei cavi e misure per ridurre l'induttanza del piombo. e molti altri.

Attualmente, ci sono segni che la frequenza della progettazione del circuito stampato sta diventando sempre più alta. Poiché la velocità dei dati continua ad aumentare, la larghezza di banda richiesta per la trasmissione dei dati promuove anche il limite superiore della frequenza del segnale a 1GHz o anche superiore. Sebbene questa tecnologia di segnale ad alta frequenza sia ben oltre la gamma della tecnologia a onde millimetriche (30GHz), coinvolge anche la tecnologia RF e a microonde di fascia bassa.

Il metodo di progettazione dell'ingegneria RF deve essere in grado di affrontare gli effetti di campo elettromagnetico più forti che di solito sono generati alle bande di frequenza più elevate. Questi campi elettromagnetici possono indurre segnali su linee di segnale adiacenti o linee PCB, causando spiacevoli crosstalk (interferenze e rumore totale) e possono compromettere le prestazioni del sistema. La perdita di ritorno è principalmente causata da disallineamento di impedenza e l'influenza sul segnale è la stessa dell'influenza causata dal rumore additivo e dalle interferenze.

Ci sono due effetti negativi di perdita di rendimento elevato:

1. il segnale riflesso alla sorgente del segnale aumenterà il rumore del sistema, rendendo più difficile per il ricevitore distinguere il rumore dal segnale;

2. Qualsiasi segnale riflesso fondamentalmente degrada la qualità del segnale perché la forma del segnale in ingresso è cambiata.

Anche se il sistema digitale elabora solo segnali 1 e 0 e ha una tolleranza di errore molto buona, le armoniche generate quando l'impulso ad alta velocità aumenta causeranno maggiore è la frequenza, più debole è il segnale. Sebbene la tecnologia di correzione degli errori in avanti possa eliminare alcuni effetti negativi, parte della larghezza di banda del sistema viene utilizzata per trasmettere dati ridondanti, il che porta a una diminuzione delle prestazioni del sistema. Una soluzione migliore è lasciare che gli effetti RF aiutino piuttosto che sminuire l'integrità del segnale. Si raccomanda che la perdita totale di ritorno del sistema digitale alla frequenza più alta (solitamente il punto dati scadente) sia -25dB, che equivale a un VSWR di 1,1.

L'obiettivo della progettazione PCB è più piccolo, più veloce e più basso costo. Per i PCB RF, i segnali ad alta velocità a volte limitano la miniaturizzazione dei progetti PCB. Attualmente, il metodo principale per risolvere il problema crosstalk è quello di gestire il piano di terra, di spaziare il cablaggio e di ridurre l'induttanza del piombo (capacità del perno). Il metodo principale per ridurre la perdita di ritorno è la corrispondenza dell'impedenza. Questo metodo include una gestione efficace dei materiali isolanti e l'isolamento delle linee di segnale attive e di terra, in particolare tra linee di segnale che hanno stati di transizione e terra.

Poiché il punto di interconnessione è l'anello più debole della catena del circuito, nella progettazione RF, le proprietà elettromagnetiche al punto di interconnessione sono i principali problemi affrontati dalla progettazione ingegneristica. Ogni punto di interconnessione deve essere esaminato e i problemi esistenti devono essere risolti. L'interconnessione del sistema del circuito stampato comprende tre tipi di interconnessione: il chip al circuito stampato, l'interconnessione all'interno della scheda PCB e l'ingresso / uscita del segnale tra il PCB e i dispositivi esterni.

Uno, l'interconnessione tra il chip e la scheda PCB

Sono già disponibili chip pentium IV e ad alta velocità contenenti un gran numero di punti di interconnessione input/output. Per quanto riguarda il chip stesso, le sue prestazioni sono affidabili e la velocità di elaborazione è stata in grado di raggiungere 1GHz. Al recente GHz Interconnect Symposium (www.az.ww.com), la cosa più eccitante è che i metodi per affrontare il numero e la frequenza sempre crescenti di I/O sono stati ampiamente conosciuti. Il problema principale dell'interconnessione tra il chip e il PCB è che la densità di interconnessione è troppo alta, il che farà sì che la struttura di base del materiale PCB diventi un fattore che limita la crescita della densità di interconnessione. In occasione dell'incontro è stata proposta una soluzione innovativa, ovvero l'utilizzo di un trasmettitore wireless locale all'interno del chip per trasmettere i dati al circuito adiacente.

Indipendentemente dal fatto che questo schema sia efficace o meno, i partecipanti sono molto chiari: in termini di applicazioni ad alta frequenza, la tecnologia di progettazione IC è molto avanti rispetto alla tecnologia di progettazione PCB.

Due, interconnessione scheda PCB

Le competenze e i metodi per la progettazione di PCB ad alta frequenza sono i seguenti:

1. gli angoli della linea di trasmissione dovrebbero essere 45Â ° per ridurre la perdita di ritorno;

2. Utilizzare circuiti stampati isolati ad alte prestazioni i cui valori costanti di isolamento sono rigorosamente controllati dal livello. Questo metodo favorisce una gestione efficace del campo elettromagnetico tra il materiale isolante e il cablaggio adiacente.

3. I cavi sporgenti hanno induttanza del rubinetto, in modo da evitare di utilizzare componenti con cavi. Negli ambienti ad alta frequenza, è meglio utilizzare componenti di montaggio superficiale.

4. Per i vias di segnale, evitare di utilizzare un processo di elaborazione via (pth) su schede sensibili, perché questo processo causerà induttanza di piombo ai vias. Ad esempio, quando una via su una scheda a 20 strati viene utilizzata per collegare gli strati da 1 a 3, l'induttanza del piombo può influenzare gli strati da 4 a 19.

5. Per fornire un piano di terra ricco. Utilizzare fori stampati per collegare questi piani di terra per impedire che il campo elettromagnetico 3D influenzi il circuito stampato.

6. Per scegliere la nichelatura elettroless o il processo di placcatura in oro ad immersione, non utilizzare il metodo HASL per la galvanizzazione. Questo tipo di superficie galvanizzata può fornire un migliore effetto della pelle per corrente ad alta frequenza (Figura 2). Inoltre, questo rivestimento altamente saldabile richiede meno cavi, il che contribuisce a ridurre l'inquinamento ambientale.

7. La maschera di saldatura può impedire il flusso della pasta di saldatura. Tuttavia, a causa dell'incertezza dello spessore e dell'ignoto delle prestazioni di isolamento, l'intera superficie del bordo è coperta con materiale della maschera di saldatura, che causerà un grande cambiamento nell'energia elettromagnetica nella progettazione a microstrappo. Generalmente, una diga di saldatura è utilizzata come maschera di saldatura.

8. Migliorare le specifiche di progettazione PCB relative all'incisione ad alta precisione. È necessario considerare che l'errore totale della larghezza della linea specificata è +/-0,0007 pollici, il sottopassaggio e la sezione trasversale della forma del cablaggio dovrebbero essere gestiti e dovrebbero essere specificate le condizioni di placcatura della parete laterale del cablaggio. La gestione complessiva della geometria del cablaggio (filo) e della superficie del rivestimento è molto importante per risolvere il problema dell'effetto pelle relativo alla frequenza delle microonde e realizzare queste specifiche. Se non si ha familiarità con questi metodi, è possibile consultare un ingegnere di progettazione esperto che è stato impegnato nella progettazione militare di circuiti stampati a microonde. Puoi anche discutere con loro la fascia di prezzo che puoi permetterti. Ad esempio, la progettazione di microtrip coplanare con supporto in rame è più economica della progettazione a stripline. Puoi discutere di questo con loro per ottenere suggerimenti migliori. I buoni ingegneri potrebbero non essere abituati a considerare problemi di costo, ma i loro suggerimenti sono anche abbastanza utili. Ora prova a formare giovani ingegneri che non hanno familiarità con gli effetti RF e mancano di esperienza nella gestione degli effetti RF. Sarà un lavoro a lungo termine.

Inoltre, possono anche essere adottate altre soluzioni, come migliorare il tipo di computer per consentirgli di gestire gli effetti RF.

Tre, interconnessione PCB e dispositivo esterno

Ora si può considerare che abbiamo risolto tutti i problemi di gestione del segnale sulla scheda e l'interconnessione di singoli componenti discreti. Quindi come risolvere il problema di ingresso / uscita del segnale dal circuito stampato al cavo che collega il dispositivo remoto? Trompeter Electronics, un innovatore nella tecnologia dei cavi coassiali, sta lavorando per risolvere questo problema e ha fatto alcuni importanti progressi (Figura 3). Inoltre, date un'occhiata al campo elettromagnetico indicato nella Figura 4. In questo caso, gestiamo la conversione da microstrip a cavo coassiale. Nel cavo coassiale, lo strato di terra è intrecciato a forma di anello e spaziato uniformemente. In microtrip, il piano di terra è sotto la linea attiva. Questo introduce alcuni effetti di bordo, che devono essere compresi, previsti e presi in considerazione durante la progettazione. Naturalmente, questo disallineamento causerà anche la perdita di ritorno e questo disallineamento deve essere minimizzato per evitare rumori e interferenze del segnale.

La gestione dei problemi di impedenza all'interno del circuito stampato non è un problema di progettazione che può essere ignorato. L'impedenza parte dalla superficie del circuito stampato, quindi passa attraverso un giunto di saldatura al connettore e infine termina al cavo coassiale. Poiché l'impedenza varia a seconda della frequenza, più alta è la frequenza, più difficile è la gestione dell'impedenza.

Questo articolo riassume:

La tecnologia della piattaforma PCB ha bisogno di miglioramento continuo per soddisfare i requisiti dei progettisti di circuiti integrati. La gestione dei segnali ad alta frequenza nella progettazione PCB e la gestione dell'ingresso / uscita del segnale sul circuito PCB richiedono un miglioramento continuo. Non importa quali entusiasmanti innovazioni accadranno in futuro, penso che la larghezza di banda sarà sempre più alta e l'uso della tecnologia del segnale ad alta frequenza è un prerequisito per realizzare questo continuo aumento della larghezza di banda.