Teknik PCB - Bagaimana untuk meningkatkan integriti isyarat bagi PCB sistem terbenam

Dengan kemajuan terus menerus teknologi elektronik, semakin banyak medan akan dilaksanakan pada sistem terkandung. Di antara banyak aplikasi ini, orang tidak lagi mempertimbangkan fungsi dan prestasi, tetapi kepercayaan dan kompatibilitas. Kemudian, bagaimana untuk meningkatkan integriti isyarat dari PCB sistem terbenam melalui teknologi wayar telah menjadi "masalah penting."

Seperti yang kita semua tahu, PCB adalah sokongan asas komponen sirkuit dan peranti dalam produk elektronik, dan kualiti rancangannya sering secara langsung mempengaruhi kepercayaan dan kompatibilitas sistem terlibat. Pada masa lalu, dalam beberapa papan sirkuit kelajuan rendah, frekuensi jam biasanya hanya sekitar 10 MHz. cabaran utama untuk papan sirkuit atau desain pakej adalah bagaimana untuk melalui semua garis isyarat pada papan lapisan ganda dan bagaimana untuk tidak merusak pakej semasa pemasangan.

Kerana garis sambungan tidak pernah mempengaruhi prestasi sistem, ciri-ciri elektrik garis sambungan tidak penting. Dengan cara ini, garis sambungan dalam papan sirkuit kelajuan rendah isyarat adalah lembut dan transparan. Namun, dengan pembangunan sistem terkandung, sirkuit yang digunakan pada dasarnya sirkuit frekuensi tinggi. Semasa frekuensi jam meningkat, pinggir naik isyarat menjadi lebih pendek, dan reaksi kapasitif dan induktan yang dijana oleh sirkuit cetak kepada isyarat lewat akan jauh lebih besar daripada resistensi sirkuit cetak sendiri mempengaruhi integriti isyarat. Untuk sistem terbenam, apabila frekuensi jam melebihi 100 MHz atau pinggir naik kurang dari 1 ns, kesan integriti isyarat menjadi penting.

Dalam PCB, garis isyarat adalah pembawa utama penghantaran isyarat, dan penghalaan garis isyarat akan menentukan secara langsung ketinggian penghantaran isyarat, yang secara langsung mempengaruhi prestasi seluruh sistem terkandung. Kawalan tidak masuk akal akan menyebabkan berbagai masalah integriti isyarat, dan menyebabkan masa, bunyi, dan gangguan elektromagnetik (EMI) ke sirkuit, yang akan mempengaruhi secara serius prestasi sistem terkandung. Dalam hal ini, artikel ini bermula dari karakteristik elektrik sebenar garis isyarat dalam sirkuit digital kelajuan tinggi, menetapkan model karakteristik elektrik, mencari alasan utama yang mempengaruhi integriti isyarat dan penyelesaian masalah, dan memberi perhatian kepada masalah dalam kabel dan kaedah dan teknik untuk diikuti. .

Integriti isyarat

Integriti isyarat merujuk kepada kualiti isyarat pada garis isyarat, iaitu kemampuan isyarat untuk menjawab dengan masa dan aras tegangan yang betul dalam sirkuit. Sinyal dengan integriti isyarat yang baik bermakna ia mempunyai apa yang mesti dicapai bila diperlukan Nilai aras tegangan. Integriti isyarat yang teruk tidak disebabkan oleh faktor tunggal, tetapi oleh faktor berbilang dalam rekaan aras papan. Masalah integriti isyarat tersembunyi dalam banyak aspek, termasuk lambat, refleksi, saling bercakap, overshoot, oscillation, dan lompatan tanah.

Lambat: Lambat bermakna isyarat dihantar dengan kelajuan terbatas pada garis pemindahan papan PCB. Isyarat dihantar dari hujung penghantaran ke hujung penerima, semasa ada lambat penghantaran. Lembatan isyarat akan mempengaruhi masa termasuk; lambat penghantaran terutamanya bergantung pada panjang wayar dan konstan dielektrik medium disekitar wayar. Dalam sistem digital kelajuan tinggi, panjang garis penghantaran isyarat adalah faktor paling langsung yang mempengaruhi perbezaan fasa denyutan jam. Perbezaan fasa denyut jam merujuk pada masa bila isyarat dua jam yang dijana pada masa yang sama tiba pada hujung penerima tidak disegerakan. Perbezaan fasa denyutan jam mengurangkan jangkaan tiba pinggir isyarat. Jika perbezaan fasa denyutan jam terlalu besar, isyarat ralat akan dijana pada akhir penerimaan.

Refleksi: Refleksi adalah echo isyarat pada garis isyarat. Apabila masa lambat isyarat lebih lama daripada masa penggantian isyarat, garis isyarat mesti digunakan sebagai garis penghantaran. Apabila keterlaluan karakteristik garis penghantaran tidak sepadan dengan keterlaluan muatan, sebahagian kuasa isyarat (tegangan atau semasa) dihantar ke garis dan mencapai muatan, tetapi sebahagian daripada ia diselarang. Jika impedance muatan kurang daripada impedance asal, refleksi adalah negatif; jika tidak, refleksi adalah positif. Variasi dalam geometri wayar, penghentian wayar yang salah, penghantaran melalui konektor, dan keterlaluan dalam pesawat kuasa semua boleh menyebabkan refleksi seperti itu.

Crosstalk: Crosstalk adalah sambungan antara dua garis isyarat, dan induksi dan kapasitasi bersama antara garis isyarat menyebabkan bunyi pada garis isyarat. Pengikatan kapasitif mengakibatkan arus sambungan, dan sambungan induktif mengakibatkan tensi sambungan. Bunyi salib berasal dari sambungan elektromagnetik antara rangkaian wayar isyarat, antara sistem isyarat dan sistem distribusi kuasa, dan antara saluran. Penyeberangan salib boleh menyebabkan jam palsu, ralat data intermittent, dll., yang boleh mempengaruhi kualiti penghantaran isyarat bersebelahan. Sebenarnya, percakapan salib tidak boleh dibuang sepenuhnya, tetapi ia boleh dikawal dalam julat yang sistem boleh menahan. Parameter lapisan PCB, jarak garis isyarat, ciri-ciri elektrik hujung pemandu dan hujung penerima, dan kaedah penghentian asas semua mempunyai kesan tertentu pada perbualan salib.

Overshot dan bawah-hoot: Overshot adalah nilai puncak pertama atau lembah yang melebihi tekanan ditetapkan. Untuk pinggir naik, ia merujuk kepada tegangan tertinggi; untuk pinggir yang jatuh, ia merujuk kepada tekanan yang paling rendah. Penembakan bermakna lembah berikutnya atau nilai puncak melebihi tekanan ditetapkan. Terlalu berlebihan boleh menyebabkan dioda perlindungan berfungsi, menyebabkan kegagalan awalnya. Rentetan bawah lebihan boleh menyebabkan jam palsu atau ralat data (kesalahan operasi).

Ossilasi dan oscilasi cincin: fenomena Ossilasi berulang-ulang melebihi dan melebihi bawah. Ossilasi isyarat ialah oscilasi disebabkan oleh induktansi dan kapasitasi transisi garis, yang milik keadaan yang kurang damp, dan oscilasi sekeliling milik keadaan yang terlalu damp. Ossilasi dan oscilasi sekeliling juga disebabkan oleh banyak faktor seperti refleksi. Ossilasi boleh dikurangkan dengan penghentian yang betul, tetapi ia adalah mustahil untuk mengeluarkannya sepenuhnya.

Bunyi melompat tanah dan bunyi balik: apabila ada suara arus besar dalam sirkuit, ia akan menyebabkan suara melompat tanah. Contohnya, apabila nombor besar output cip diaktifkan pada masa yang sama, akan ada semasa transient besar antara cip dan papan. Jika pesawat kuasa mengalir melalui, induktan dan perlawanan pakej cip dan pesawat kuasa akan menyebabkan bunyi kuasa, yang akan menghasilkan perubahan tegangan dan perubahan pada pesawat tanah sebenar, dan bunyi ini akan mempengaruhi tindakan komponen lain. Peningkatan kapasitas muatan, penurunan resistensi muatan, meningkat indunsi tanah, dan meningkat bilangan peranti tukar semua akan menyebabkan meningkat lompatan tanah.

Analisis ciri-ciri elektrik saluran penghantaran

Dalam PCB berbilang lapisan, kebanyakan garis penghantaran tidak hanya diatur pada tahap tunggal, tetapi diatur pada tahap berbilang, dan setiap tahap disambung melalui vias. Oleh itu, dalam PCB berbilang lapisan, saluran penghantaran biasa mengandungi tiga bahagian: garis penghantaran, sudut kabel, dan melalui. Dalam kes frekuensi rendah, garis dicetak dan laluan jejak boleh dianggap sebagai sambungan elektrik biasa untuk menyambung pins peranti berbeza, yang tidak akan mempunyai banyak kesan pada kualiti isyarat. Bagaimanapun, dalam kes frekuensi tinggi, garis cetak, sudut dan butang tidak hanya perlu mempertimbangkan sambungan mereka, tetapi juga pengaruh karakteristik elektrik dan parameter parasit pada frekuensi tinggi.

Analisis ciri-ciri elektrik garis penghantaran dalam PCB kelajuan tinggi

Dalam rancangan PCB kelajuan tinggi, ia tidak dapat dihindari untuk menggunakan bilangan besar garis sambungan isyarat, dan panjang mereka berbeza. Masa lambat isyarat melewati garis sambungan tidak dapat diabaikan dibandingkan dengan masa perubahan isyarat sendiri. Isyarat berada di garis sambungan pada kelajuan gelombang elektromagnetik. Untuk penghantaran, garis sambungan pada masa ini adalah rangkaian kompleks dengan resistensi, kapasitasi, dan induktansi, yang perlu dijelaskan oleh model sistem parameter yang disebarkan, iaitu, model garis penghantaran.

Garis transmisi digunakan untuk mengirim isyarat dari satu hujung ke yang lain. Ia terdiri dari dua wayar dengan panjang tertentu, satu dipanggil laluan isyarat, dan yang lain dipanggil laluan kembali. Dalam sirkuit frekuensi rendah, ciri-ciri garis transmisi kelihatan sebagai ciri-ciri elektrik yang murni. Dalam, semasa frekuensi isyarat transmisi meningkat, impedance kapasitatif antara wayar menurun, dan impedance induktif pada wayar meningkat. Kawalan isyarat tidak hanya akan menjadi perlawanan murni, iaitu, isyarat tidak hanya akan dihantar pada wayar, tetapi juga akan menyebar dalam medium antara konduktor. Jika frekuensi isyarat meningkat lebih lanjut, apabila j Ï·L>>R,1/(jÏ·C)