Teknik PCB - Analisi integriti isyarat dalam desain sirkuit kelajuan tinggi

Semasa frekuensi jam sistem dan masa naik meningkat, rancangan integriti isyarat menjadi semakin penting. Malangnya, kebanyakan perancang litar digital tidak sedar penting isu integriti isyarat, atau tidak sedar sehingga tahap akhir desain.

Artikel ini memperkenalkan pengaruh integriti isyarat dalam desain sirkuit perkakasan digital kelajuan tinggi. Ini termasuk isu-isu seperti kawalan impedance karakteristik, persamaan terminal, pesawat kuasa dan tanah, penghalaan isyarat, dan percakapan salib. Menguasai pengetahuan ini membolehkan perancang litar digital untuk memperhatikan masalah integriti isyarat potensi pada tahap awal desain litar, dan ia juga boleh membantu desain untuk mengelakkan kesan integriti isyarat pada prestasi desain.

Walaupun integriti isyarat sentiasa menjadi salah satu pengalaman desain yang diperlukan untuk jurutera perkakasan, ia telah lama diabaikan dalam desain sirkuit digital. Dalam era desain sirkuit logik kelajuan rendah, kerana masalah berkaitan integriti isyarat jarang berlaku, pertimbangan integriti isyarat dianggap sia-sia efisiensi. Namun, kerana kadar jam dan masa naik telah meningkat dalam tahun-tahun terakhir, keperluan dan desain analisis integriti isyarat juga meningkat. Malangnya, kebanyakan desainer tidak menyedari, dan masih jarang mempertimbangkan isu integriti isyarat dalam desain.

Sirkuit digital modern boleh mencapai frekuensi hingga GHz dan mempunyai masa naik dalam 50ps. Pada kadar ini, ketidakpedulian pada jejak reka PCB bahkan satu kaki, dan tekanan, keterlambatan dan masalah antaramuka yang berasal tidak hanya akan terbatas kepada garis ini, tetapi juga akan mempengaruhi seluruh papan dan papan Adjacent.

Masalah ini sangat serius dalam sirkuit hibrid. Contohnya, anggap ada ADC prestasi tinggi dalam sistem untuk menerima isyarat analog secara digital. Penyebar tenaga pada port output digital peranti ADC mungkin mudah mencapai 130dB (10, 000, 000, 000, 000 kali) daripada port input analog. Sebarang bunyi pada port digital ADC. Integriti isyarat dalam desain bukanlah proses misteri. Ia adalah penting untuk menyadari masalah potensi pada tahap awal desain, dan untuk mengelakkan masalah yang disebabkan oleh ini pada tahap kemudian. Artikel ini membahas beberapa cabaran integriti isyarat utama dan bagaimana untuk menangani mereka.

Pastikan integriti isyarat:

1. Isolasi

Komponen pada papan PCB mempunyai kadar pinggir berbeza dan perbezaan bunyi berbeza. Cara paling langsung untuk meningkatkan SI adalah untuk mencapai izolasi fizikal komponen pada PCB berdasarkan nilai sempadan dan sensitiviti peranti. Figur di bawah adalah contoh. Dalam contoh, bekalan kuasa, port I/O digital, dan logik kelajuan tinggi, yang merupakan sirkuit risiko tinggi untuk sirkuit pertukaran jam dan data, akan dianggap secara khusus. Dalam bentangan pertama, letakkan jam dan penukar data bersebelahan dengan peranti bunyi. Bunyi akan berkumpul dengan sirkuit sensitif dan mengurangi prestasi mereka. Isolasi sirkuit yang efektif dalam bentangan kedua akan memberi manfaat kepada integriti isyarat desain sistem.

2. Impedance, reflection and terminal matching

Kawalan kemudahan dan persamaan terminal adalah isu asas dalam desain sirkuit kelajuan tinggi. Biasanya litar frekuensi radio dianggap sebagai bahagian yang paling penting dalam setiap rancangan litar, tetapi beberapa rancangan litar digital dengan frekuensi yang lebih tinggi daripada frekuensi radio mengabaikan impedance dan persamaan terminal.

Terdapat beberapa kesan fatal pada litar digital disebabkan ketidaksepadan impedance, lihat figur di bawah:

a. Sinyal digital akan menyebabkan refleksi antara input peranti penerima dan output peranti penghantaran. Isyarat yang terrefleks ditembak balik dan menyebar sepanjang kedua-dua hujung garis sehingga ia sepenuhnya diserap pada akhir.

b. Isyarat yang terrefleks menyebabkan kesan bunyi isyarat melewati garis transmisi, dan bunyi akan mempengaruhi keterlambatan dan keterlambatan isyarat dan kerosakan lengkap isyarat.

c. Laluan isyarat yang tidak sepadan mungkin menyebabkan radiasi isyarat ke persekitaran.

Masalah disebabkan oleh ketidaksepadan impedance boleh diminumkan dengan mematikan penangkap. Penolak penghentian biasanya adalah satu atau dua komponen terpisah ditempatkan pada garis isyarat dekat hujung penerimaan. Kaedah sederhana adalah untuk menyambungkan pemberontak kecil dalam siri.

Keperlawanan terminal membatasi masa naik isyarat dan menyerap sebahagian dari tenaga yang terrefleks. Ia layak diperhatikan bahawa penggunaan persamaan impedance tidak dapat menghapuskan faktor musnah sepenuhnya. Namun, dengan memilih peranti yang sesuai dengan hati-hati, impedance terminal boleh mengawal integriti isyarat secara efektif.

Tidak semua garis isyarat memerlukan kawalan impedance, seperti impedance karakteristik dan karakteristik impedance terminal spesifikasi PCI kompat.

Untuk standar dan perancang lain yang tidak memerlukan spesifikasi kawalan impedance, mereka tidak khusus bimbang. Piawai akhir boleh berubah dari satu aplikasi ke lain. Oleh itu, panjang garis isyarat (korelasi dan lambat Td) dan masa naik isyarat (Tr) perlu dipertimbangkan. Peraturan umum untuk kawalan impedance adalah bahawa Td (lambat) sepatutnya lebih besar daripada 1/6 Tr.

3. Segmen lapisan elektrik dalaman dan lapisan elektrik dalaman

Faktor yang akan diabaikan oleh perancang sirkuit digital dalam desain loop semasa termasuk pertimbangan penghantaran isyarat satu-akhir antara dua sirkuit gerbang (seperti yang dipaparkan dalam figur di bawah). Gelung semasa dari gerbang A ke gerbang B, dan kemudian kembali ke gerbang A dari pesawat tanah.

Akan ada dua masalah potensi dalam gambar di atas:

a. Pesawat tanah antara titik A dan B perlu disambungkan melalui laluan impedance rendah. Jika impedance besar disambungkan antara pesawat tanah, akan ada aliran belakang tekanan antara pins pesawat tanah. Ini pasti akan menyebabkan gangguan amplitud isyarat semua peranti dan superimposisi bunyi input.

b. Kawasan loop kembalian semasa sepatutnya sebanyak mungkin. Gelung ini seperti antena. Secara umum, kawasan loop yang lebih besar akan meningkatkan peluang radiasi dan kondukti loop. Setiap perancang litar berharap bahawa arus kembali boleh terus sepanjang garis isyarat, sehingga kawasan loop yang paling kecil.

Menggunakan pendaratan kawasan besar boleh menyelesaikan dua masalah di atas pada masa yang sama. Pemasangan kawasan besar boleh menyediakan pengendalian kecil diantara semua titik pendaratan, sementara membolehkan arus kembali untuk kembali secara langsung sepanjang garis isyarat.

Kesalahan biasa di antara penjana PCB adalah membuat vias dan slot dalam pesawat tanah. Figur di bawah menunjukkan arah aliran semasa bila garis isyarat berada pada lapisan geoelektrik terslot. Semasa gelung akan dipaksa untuk mengelak slot, yang akan mengeluarkan gelung yang berkeliaran besar.

Secara umum, ia tidak mungkin untuk slot dalam pesawat kuasa tanah. Bagaimanapun, dalam beberapa situasi dimana slotting tidak dapat dihindari, perancang PCB mesti terlebih dahulu memastikan tiada gelung isyarat melewati kawasan slotted. Peraturan yang sama berlaku untuk sirkuit isyarat campuran.

Kecuali pesawat tanah berbilang digunakan dalam papan PCB. Terutama dalam sirkuit ADC prestasi tinggi, lapisan tanah yang memisahkan isyarat analog, isyarat digital dan sirkuit jam boleh digunakan untuk mengurangi gangguan antara isyarat secara efektif. Ia perlu ditandakan lagi bahawa pada beberapa kali di mana slotting tidak dapat dihindari, perancang PCB mesti terlebih dahulu memastikan tiada gelung isyarat melewati kawasan slotted.

Dalam lapisan kuasa dengan perbezaan cermin, perhatian juga perlu diberikan kepada kawasan kawasan antar lapisan (seperti yang dipaparkan dalam figur di bawah). Di pinggir papan, terdapat kesan radiasi lapisan pesawat kuasa ke lapisan pesawat tanah. Energi elektromagnetik yang bocor dari pinggir akan merusak papan sebelah. Lihat figura bawah. Kurangkan kawasan lapisan pesawat kuasa (lihat figura b di bawah), supaya lapisan pesawat tanah meliputi di kawasan tertentu. Ini akan mengurangkan kesan kebocoran elektromagnetik pada papan bersebelahan.

4. Kabel isyarat

Hal yang paling penting untuk memastikan integriti isyarat adalah kabel fizikal garis isyarat. Penjana PCB sering berada di bawah tekanan kerja, bukan hanya untuk menyelesaikan rancangan dalam masa yang singkat mungkin, tetapi juga untuk memastikan integriti isyarat. Mengetahui bagaimana untuk menyeimbangkan ruang antara masalah dan isyarat yang mungkin akan mempromosikan proses desain sistem. Semasa kelajuan tinggi tidak dapat berurusan dengan efektif dengan ketinggalan dalam baris isyarat. Masalah penghentian isyarat mungkin akan berlaku dalam figur a di bawah. Dalam sirkuit kelajuan rendah, biasanya tidak perlu mempertimbangkan penghentian isyarat, tetapi dalam sirkuit kelajuan tinggi, isu ini mesti dipertimbangkan. Oleh itu, dalam desain sirkuit dan menggunakan kaedah yang dipaparkan dalam b/c dalam figur di bawah, kontinuiti isyarat boleh dijamin secara efektif.

Dalam rancangan sirkuit kelajuan tinggi, terdapat satu lagi masalah umum dengan kawalan isyarat. Jika tiada sebab istimewa, semua kawat pendek perlu dibuang sebanyak mungkin. Dalam rancangan sirkuit frekuensi tinggi, kawat pendek seperti radiasi disebabkan oleh persamaan impedance garis isyarat.

Perhatian istimewa patut diberikan kepada penghalaan pasangan berbeza dalam penghalaan desain sirkuit kelajuan tinggi. Pasangan perbezaan dipandu oleh dua garis isyarat komplementari sepenuhnya. Pasangan perbezaan boleh menghindari gangguan bunyi dan meningkatkan kadar S/N. Namun, garis isyarat pasangan berbeza mempunyai keperluan tertinggi untuk kawat:

1. Dua wayar mesti terdekat dengan wayar;

(2) Panjang dua garis mesti sama;

Bagaimana menuju garis isyarat pasangan berbeza antara dua peranti yang tidak diatur bersama adalah isu kunci.

Dalam gambar di atas a, disebabkan ketidakkonsistensi panjang dua garis isyarat, akan ada beberapa risiko yang tidak pasti. Kawalan yang betul patut mengambil cara yang dipaparkan dalam Figur b di atas. Peraturan umum dalam kawat pasangan berbeza adalah untuk menjaga dua garis isyarat sama luas dan dekat satu sama lain.

5. Crosstalk

Dalam rancangan PCB, percakapan salib adalah isu lain yang layak diperhatikan. Figur berikut menunjukkan kawasan bercakap salib dan kawasan elektromagnetik yang berkaitan antara tiga pasangan sebelah garis isyarat selari dalam PCB. Apabila selang antara garis isyarat terlalu kecil, kawasan elektromagnetik antara garis isyarat akan mempengaruhi satu sama lain, yang mengakibatkan kerosakan isyarat, iaitu saling bercakap.

Crosstalk boleh diselesaikan dengan meningkatkan ruang garis isyarat. Namun, perancang PCB biasanya diharamkan oleh ruang kabel yang semakin ketat dan ruang garis isyarat yang sempit; kerana tidak ada lagi pilihan dalam rancangan, ia tidak dapat dihindari untuk memperkenalkan beberapa masalah percakapan salib dalam rancangan. Jelas, penjana PCB perlu mampu uruskan masalah percakapan salib. Banyak peraturan berkaitan untuk ruang yang boleh dipercayai telah diterbitkan selama bertahun-tahun. Peraturan yang dikenali secara umum dalam industri adalah peraturan 3W, iaitu, jarak antara garis isyarat sebelah sepatutnya sekurang-kurangnya 3 kali lebar garis isyarat. Namun, jarak garis isyarat yang boleh diterima dalam praktek bergantung pada faktor seperti aplikasi sebenar, persekitaran kerja, dan kelebihan rancangan. Penjarakan garis isyarat berubah dari satu situasi ke situasi lain dan dihitung setiap kali. Oleh itu, apabila masalah percakapan salib tidak dapat dihindari, percakapan salib perlu dikwantifikasi. Ini boleh diwakili oleh teknologi simulasi komputer. Dengan menggunakan simulator, desainer boleh menentukan kesan integriti isyarat dan *estima kesan salib sistem.

6. Pemisahan kuasa

Penghapusan kuasa kini adalah praktek piawai dalam desain sirkuit digital. Menyebutkannya di sini akan membantu mengurangi masalah bunyi pada garis kuasa. Sumber tenaga bersih adalah penting untuk merancang sirkuit prestasi tinggi. Bunyi frekuensi tinggi yang digantung pada bekalan kuasa akan menyebabkan masalah bagi setiap peranti digital bersebelahan. Bunyi biasa berasal dari lompatan tanah, radiasi isyarat, atau peranti digital sendiri. Cara paling mudah untuk menyelesaikan bunyi bekalan kuasa adalah menggunakan kondensator untuk menyambung bunyi frekuensi tinggi di tanah. Kondensator pemisahan ideal menyediakan laluan penghalang rendah ke tanah untuk bunyi frekuensi tinggi, dengan itu menghapuskan bunyi bekalan kuasa. Pilih kondensator pemasangan berdasarkan aplikasi sebenar. Kebanyakan desainer akan memilih kondensator lekap permukaan yang paling dekat dengan pin bekalan kuasa, dan nilai kondensasi patut cukup besar untuk menyediakan laluan perlahan rendah ke tanah untuk bunyi bekalan kuasa yang dapat dijangka. Masalah biasanya ditemui bila menggunakan kondensator penyahpautan adalah bahawa kondensator penyahpautan tidak boleh dianggap sebagai kondensator. Ada beberapa situasi:

a. Pengimbangan kapasitas akan menyebabkan induksi parasit;

b. Kapasitor akan membawa beberapa perlawanan yang sama;

c. Kabel antara pin bekalan kuasa dan kondensator pemisah akan membawa beberapa induksi yang sama;

d. Kabel antara pin tanah dan pesawat tanah akan membawa beberapa inductans yang sama; kesan yang disebabkan oleh ini:

a. Kapasitor akan menyebabkan kesan resonansi pada frekuensi tertentu dan kemudahan rangkaian yang berasal akan mempunyai kesan yang lebih besar pada isyarat dalam band frekuensi bersebelahan;

b. Keperlawanan yang sama (ESR) juga akan mempengaruhi laluan perlawanan rendah yang terbentuk oleh pemisahan bunyi kelajuan tinggi;

Berikut mengungkapkan kesan ini pada perancang digital:

a. Pemimpin yang dicat dari pins Vcc dan GND pada peranti perlu dianggap sebagai induktor kecil. Oleh itu, disarankan untuk membuat Vcc dan GND memimpin sebagai pendek dan tebal dalam rancangan.

b. Pilih kondensator dengan kesan ESR rendah, yang membantu memperbaiki pemisahan bekalan kuasa;

c. Memilih kondensator pakej kecil akan mengurangi induksi pakej. Mengubah peranti dengan pakej yang lebih kecil akan menghasilkan perubahan ciri suhu. Oleh itu, selepas memilih kondensator pakej kecil, bentangan peranti dalam desain perlu disesuaikan.

Dalam rancangan, menggantikan kondensator X7R dengan kondensator Y5V boleh memastikan pakej yang lebih kecil dan inductans yang sama rendah, tetapi pada masa yang sama ia juga akan menghabiskan lebih banyak kos peranti untuk memastikan ciri-ciri suhu tinggi.

Dalam rancangan, pemisahan bunyi frekuensi rendah dengan kondensator kapasitas besar juga perlu dianggap. Penggunaan kondensator elektrolitik terpisah dan kondensator tantalum boleh meningkatkan kegunaan-kos peranti.

7. Ringkasan:

Integriti isyarat adalah salah satu isu yang paling penting sepanjang rancangan sirkuit digital kelajuan tinggi; inilah beberapa cadangan untuk memastikan integriti isyarat dalam desain sirkuit digital:

a. Isolat secara fizikal komponen sensitif dari komponen bunyi;

b. Kawalan kemudahan, refleksi dan persamaan terminal isyarat;

c. Guna kuasa terus menerus dan lapisan pesawat tanah;

d. Cuba menghindari menggunakan sudut kanan dalam kawat;

e. Panjang kawat pasangan perbezaan sama;

f. Crosstalk patut dianggap dalam rancangan sirkuit kelajuan tinggi;

g. masalah pemisahan bekalan kuasa;

Pemahaman yang baik tentang masalah dalam desain sirkuit digital yang disebut di atas boleh membantu desainer sirkuit digital mencari sebanyak mungkin masalah dalam desain sirkuit dalam tahap awal desain sirkuit.