Teknik PCB - Apa rancangan PCB kelajuan tinggi

1. cabaran yang dihadapi oleh desain sistem elektronik

Dengan peningkatan skala besar kompleksiti desain sistem dan integrasi, perancang sistem elektronik terlibat dalam desain papan sirkuit cetak lebih dari 100MHZ, dan frekuensi kerja bas telah mencapai atau melebihi 50MHZ, dan beberapa bahkan melebihi 100MHZ. Sekitar 50% rancangan semasa mempunyai frekuensi jam yang lebih besar dari 50MHz, dan hampir 20% mempunyai frekuensi jam yang lebih besar dari 120MHz.

Apabila sistem berfungsi pada 50MHz, kesan garis penghantaran dan masalah integriti isyarat akan berlaku. Apabila jam sistem mencapai 120MHz, rancangan PCB berdasarkan kaedah tradisional tidak akan berfungsi kecuali pengetahuan rancangan sirkuit kelajuan tinggi digunakan. Oleh itu, teknologi merancang sirkuit kelajuan tinggi telah menjadi perancang sistem elektronik mesti mengambil cara merancang. Hanya dengan menggunakan teknik desain bagi perancang sirkuit kelajuan tinggi boleh proses desain dikawal.

2. Apa itu sirkuit kelajuan tinggi

Secara umum dianggap bahawa jika frekuensi sirkuit logik digital mencapai atau melebihi 45MHZ~50MHZ, dan sirkuit yang berfungsi di atas frekuensi ini telah menganggap jumlah tertentu seluruh sistem elektronik (katakan, 1/3), ia dipanggil sirkuit kelajuan tinggi.

Sebenarnya, frekuensi harmonik pinggir isyarat lebih tinggi daripada yang isyarat sendiri. Ia adalah pinggir naik dan pinggir jatuh (atau lompatan isyarat) yang menyebabkan keputusan tidak dijangka penghantaran isyarat. Oleh itu, secara umum disetujui bahawa jika lambat penyebaran garis lebih besar daripada masa naik hujung pemandu isyarat digital 1/2, isyarat tersebut dianggap sebagai isyarat kelajuan tinggi dan menghasilkan kesan garis penghantaran.

Penghantaran isyarat berlaku pada saat keadaan isyarat berubah, seperti masa naik atau jatuh. isyarat melewati masa yang tetap dari pemacu ke penerima. Jika masa penghantaran kurang dari 1/2 masa naik atau jatuh, isyarat terrefleks dari penerima akan mencapai pemacu sebelum isyarat mengubah keadaan. Sebaliknya, isyarat terrefleks akan tiba pada pemacu selepas isyarat mengubah keadaan. Jika isyarat terrefleksi kuat, bentuk gelombang yang tergantung mungkin mengubah keadaan logik.

3. Penentuan isyarat kelajuan tinggi

Di atas kita telah menentukan persyaratan untuk kejadian kesan garis penghantaran, tetapi bagaimana untuk tahu sama ada lambat garis lebih besar daripada 1/2 masa naik isyarat pemandu? Secara umum, nilai biasa masa naik isyarat boleh diberi dalam manual peranti, dan masa perjalanan isyarat dalam reka PCB ditentukan oleh panjang kawat sebenar. Figur di bawah menunjukkan persamaan antara masa naik isyarat dan panjang kabel yang boleh dibenarkan (lambat).

Lembatan per unit inci pada PCB adalah 0. 167ns. Bagaimanapun, jika terdapat banyak lubang, pins, dan keterangan pada kabel rangkaian, kelalaian akan meningkat. Biasanya, masa naik isyarat untuk peranti logik kelajuan tinggi adalah kira-kira 0.2ns. Jika ada cip GaAs di papan, panjang kawat besar adalah 7.62mm.

Tetapkan Tr sebagai masa naik isyarat dan Tpd sebagai lambat penyebaran garis isyarat. Jika Tr â¥4Tpd, isyarat jatuh dalam zon selamat. Jika 2Tpdâ¥Trâ¥4Tpd, isyarat jatuh dalam kawasan ketidakpastian. Jika Tr ⤤2Tpd, isyarat jatuh di kawasan masalah. Untuk isyarat yang jatuh dalam kawasan tidak pasti dan masalah, kaedah kabel kelajuan tinggi patut digunakan.

4. Apa garis penghantaran

Kawalan pada papan PCB boleh sama dengan serangkaian dan kapasitasi selari, resistensi dan struktur induktansi yang dipaparkan di bawah. Nilai biasa untuk perlawanan siri adalah 0.25-0.55 ohms/kaki. Keperlawanan paralel biasanya sangat tinggi kerana lapisan pengasingan. Selepas resistensi parasitik, kapasitasi, dan induktansi ditambah ke kawat PCB sebenar, impedance terakhir pada kawat dipanggil impedance karakteristik Zo. Semakin lebar diameter wayar, semakin dekat ia kepada kuasa/tanah, atau semakin tinggi konstan dielektrik lapisan pengasingan, semakin kecil impedance karakteristik. Jika pengendalian garis penghantaran dan hujung penerima tidak sepadan, isyarat semasa output dan keadaan stabil akhir isyarat akan berbeza, yang menyebabkan isyarat diselarang pada hujung penerima, yang akan dihantar kembali ke penghantar isyarat dan diselarang kembali lagi. Sebagaimana tenaga menurun, amplitud isyarat terrefleks akan menurun sehingga tenaga dan arus isyarat stabil. Kesan ini dipanggil oscilasi, dan oscilasi isyarat sering dilihat pada pinggir yang meningkat dan jatuh isyarat.

5. Kesan garis penghantaran

Berdasarkan model garis penghantaran yang ditakrif di atas, ia boleh dikatakan bahawa garis penghantaran akan mempunyai kesan berikut pada rancangan sirkuit keseluruhan.

· Sinyal yang dicerminkan Sinyal yang dicerminkan

· Ralat melintasi ambang aras logik berbilang Pertukaran Salah

♪ Overshoot and Undershoot

· Suara Diinduksi (atau percakapan salib)

Radiasi EMI

5. 1 Isyarat Terrefleks

Jika baris tidak ditamatkan dengan betul (persamaan terminal), denyutan isyarat dari pemacu diselarang pada penerima, menyebabkan kesan tidak dijangka yang mengganggu profil isyarat. Apabila kerosakan adalah sangat signifikan, ia boleh membawa kepada pelbagai ralat, yang menyebabkan kegagalan desain. Pada masa yang sama, kerosakan isyarat kepada sensitiviti bunyi meningkat, juga akan menyebabkan kegagalan desain. Jika situasi di atas tidak dianggap cukup, EMI akan meningkat secara signifikan, yang tidak hanya akan mempengaruhi hasil desain, tetapi juga menyebabkan kegagalan seluruh sistem.

Penyebab utama isyarat terrefleksi adalah seperti ini: kabel terlalu panjang; Garis penghantaran yang tidak sepadan, kapasitasi atau induksi yang berlebihan, dan ketidaksepadan impedance.

5.2 Lembatan dan ralat masa

Lambat isyarat dan ralat masa adalah: isyarat tetap tidak berubah selama masa apabila isyarat berubah diantara ambang tinggi dan rendah aras logik. Lambat isyarat yang berlebihan boleh menyebabkan ralat masa dan gangguan peranti.

Masalah biasanya berlaku bila ada penerima berbilang. Penjana sirkuit mesti menentukan lambat masa dalam kes buruk untuk memastikan rancangan betul. Sebab keterlaluan isyarat: Pemacu terlalu muat dan kabel terlalu panjang.

5.3 Ralat melintasi ambang aras logik berbilang

Isyarat boleh melewati ambang aras logik beberapa kali semasa lompat, yang mengakibatkan jenis ralat ini. Pelbagai menyeberangi ralat ambang aras logik adalah bentuk khas oscilasi isyarat, iaitu, oscilasi isyarat berlaku berhampiran ambang aras logik, pelbagai menyeberangi ambang aras logik akan menyebabkan gangguan logik. Isyarat yang disebabkan oleh: kabel terlalu panjang, garis transmisi yang tidak terhempas, kapasitas atau indutan berlebihan, dan ketidaksepadan impedance.

5.4 Penembakan dan turun

Penembakan dan turun datang dari dua alasan: garis terlalu panjang atau isyarat berubah terlalu cepat. Walaupun kebanyakan penerima unsur dilindungi oleh diod perlindungan input, kadang-kadang aras melebihi tingkat ketegangan bekalan unsur, merusak unsur.

5.5 percakapan salib

Crosstalk bermakna apabila isyarat melewati satu garis isyarat, isyarat berkaitan akan diakibatkan pada garis isyarat sebelah papan PCB, yang dipanggil crosstalk.

Semakin dekat kabel isyarat kepada kabel tanah, semakin besar jarak antara garis, dan semakin kecil isyarat salib dijana. Isyarat asinkron dan isyarat jam lebih cenderung untuk saling bercakap. Oleh itu, kaedah untuk menghapuskan saling bercakap adalah untuk menghapuskan isyarat saling bercakap atau melindungi isyarat yang terganggu serius.

5.6 Radiasi Elektromagnetik

Interferensi elektromagnetik (EMI), yang menyebabkan radiasi elektromagnetik yang berlebihan dan sensitiviti kepada radiasi elektromagnetik. EMI menunjukkan bahawa apabila sistem digital diaktifkan, ia menyalakan gelombang elektromagnetik ke persekitaran sekeliling, sehingga mengganggu operasi normal peranti elektronik di persekitaran sekeliling. Alasan utama ialah frekuensi kerja sirkuit terlalu tinggi dan bentangan dan kabel tidak masuk akal. Pada masa ini, terdapat alat perisian untuk simulasi EMI, tetapi emulator EMI sangat mahal dan ia sukar untuk menetapkan parameter simulasi dan keadaan sempadan, yang akan mempengaruhi secara langsung akurat dan praktikal keputusan simulasi. Praktik umum adalah untuk melaksanakan peraturan desain yang mengawal EMI pada setiap pautan desain untuk menyadari peraturan memandu dan kawalan dalam setiap pautan desain.