Дизайн PCB - Детали пути возврата PCB высокоскоростных цепей

1. Основные понятия обратного потока

Принцип цифровых печатных плат заключается в том, что цифровой сигнал передается от одной логической двери к другой, а сигнал передается от выходного конца к приемнику через провод, что, по - видимому, является односторонним потоком, поэтому многие цифровые инженеры считают, что петля не имеет значения, в конце концов, привод устройства и приемник назначаются в режиме напряжения, Зачем думать о электричестве! На самом деле, основная теория схем говорит нам, что сигналы передаются через ток, в частности, движение электронов, поток электронов является одной из характеристик электронов, никогда не останавливается нигде, ток везде возвращается, поэтому ток всегда течет в контуре, и любой сигнал в цепи существует в форме замкнутого кольца. Для передачи высокочастотных сигналов это фактически процесс зарядки диэлектрического конденсатора, зажатого между линией передачи и слоем постоянного тока.

2. Последствия обратного потока

Обратный ток обычно достигается в цифровой схеме через приземление и плоскость питания. Пути обратного потока высокочастотных и низкочастотных сигналов различны. Обратный поток низкочастотного сигнала выбирает путь сопротивления, а обратный поток высокочастотного сигнала выбирает путь сопротивления.

Когда ток поступает от привода сигнала к приемному концу сигнала через сигнальную линию, всегда есть обратный поток в противоположном направлении: от заземления нагрузки, через медную плоскость, достигая источника сигнала, ток течет через сигнальную линию, чтобы сформировать замкнутое кольцо. Частота шума, вызываемого током, протекающим через медную плоскость, равна частоте сигнала, и чем выше частота сигнала, тем выше частота шума. Логические ворота реагируют не на входной сигнал, а на разницу между входным сигналом и эталонным выводом. Одноточечная концевая схема реагирует на разницу между входным сигналом и его логической опорной плоскостью, поэтому помехи в наземной опорной плоскости так же важны, как и помехи в пути сигнала. Логические ворота и указанные контрольные входные штыри реагируют, и мы не знаем, какой из них состоит из указанных эталонных штырей (для TTL, как правило, отрицательной мощности, для ECL, как правило, положительной мощности, но не всей), и по существу, помехоустойчивость к дифференциальным сигналам хорошо влияет на шум и плоскость скольжения мощности.

Когда многие цифровые сигналы переключаются синхронно на PCB - панели (например, шины данных ЦП, адресные шины и т. Д.),

Электрический ток от нестационарной нагрузки поступает в землю из цепи питания или через нее, поскольку линии электропитания и сопротивление на земле одновременно генерируют шум переключателя (SSN), и на земле будет шум отскока от плоскости заземления (воспроизведение). И когда линии электропитания и заземления на печатной пластине окружены большей площадью, их радиационная энергия также больше, поэтому мы анализируем состояние переключателя цифрового чипа и принимаем меры для управления режимом обратного потока, чтобы уменьшить площадь окружения и достичь цели излучения.

Примеры иллюстрируют:

IC1 - выходной конец сигнала, IC2 - входной конец сигнала (для упрощенной модели PCB предполагается, что приемный конец содержит нижнее сопротивление), а третий слой - пласт. Земля IC1 и IC2 находится на третьем уровне. Верхний правый угол слоя TOP - это плоскость питания, подключенная к положительному полюсу источника питания. C1 и C2 являются развязывающими конденсаторами IC1 и IC2, соответственно. Источник питания и заземление чипа, показанные на рисунке, являются как источником питания для передачи сигнала, так и заземлением для приема сигнала.

При низких частотах, если S1 - клемма выводит высокий уровень, источник питания всего контура тока достигает плоскости электропитания VCC по проводу, затем входит в IC1 по оранжевому пути, затем покидает S1 - зажим, через R1 - зажим второго слоя входит в IC2, а затем в слой GND и возвращается к отрицательному зажиму питания через красный путь.

При высоких частотах характеристики распределения PCB сильно влияют на сигнал. То, что часто называют обратным током, - это проблемы, с которыми часто сталкиваются высокочастотные сигналы. Когда S1 - R1 изменяется очень быстро с увеличением сигнала тока, внешнее магнитное поле может вызвать обратный ток вблизи проводника, и если плоскость заземления третьего слоя является полной плоскостью, синий пунктирный ток может быть создан на плоскости заземления, если мощность слоя TOP имеет полную плоскость, Синяя пунктирная линия на верхнем этаже также будет иметь обратный поток. Теперь сигнальный контур имеет электрический контур, излучающую энергию, способность связывать внешние сигналы. (Кожные эффекты при высоких частотах также излучают энергию наружу, принцип такой же.)

Поскольку уровень высокочастотного сигнала и ток быстро меняются, но цикл изменений короткий, требуемая энергия не очень велика, поэтому чип питается развязывающим конденсатором, близким к чипу. Когда C1 достаточно большой и реагирует достаточно быстро (значение ESR очень низкое, обычно используются керамические конденсаторы. Листовые конденсаторы имеют гораздо более низкий ESR, чем танталовые конденсаторы. Оранжевые пути верхнего слоя и красные пути слоя GND можно считать несуществующими (Есть ток, соответствующий источнику питания всей пластины, но не ток, соответствующий указанному сигналу).

Таким образом, в зависимости от среды, построенной на рисунке, весь путь тока выглядит следующим образом: положительный зажим сигнальной линии IC1 - S1 - L2 C1 - VCC - IC2 R1 - GND - сквозное отверстие - желтый путь слоя GND - сквозное отверстие - отрицательный зажим конденсатора. Как вы видите, в вертикальном направлении тока находится коричневый эквивалентный ток, который индуцирует магнитное поле посередине, и это кольцо также легко связано с внешними помехами. Если сигнал, показанный на рисунке, является часовым сигналом, существует набор 8 - разрядных линий передачи данных, подключенных к одному и тому же источнику питания на одном и том же чипе с тем же маршрутом обратного тока. Если линии данных переворачиваются в одном и том же направлении одновременно, на часах может ощущаться большой обратный ток, и если линии часов не совпадают должным образом, такие помехи могут быть смертельными для сигналов часов. Интенсивность последовательных помех не пропорциональна высокому или низкому уровню источника помех, а пропорциональна скорости изменения тока источника помех. Для чисто резистивных нагрузок ток последовательного возмущения пропорционален dI / dt = dV / (T? 10% - 90% * R). В формуле dI / dt (скорость изменения тока), dV (амплитуда источника помех) и R (нагрузка источника помех) относятся к параметрам источника помех (для конденсаторных нагрузок dI / dt такой же, как и T? от 10% до 90% квадрата обратно пропорционально. ). Из формулы видно, что последовательное возмущение низкочастотного сигнала не обязательно меньше, чем последовательное возмущение высокоскоростного сигнала. То есть, мы говорим: сигнал 1KHz не обязательно является низкоскоростным сигналом, учитывая ситуацию на краю. Для сигналов с очень крутыми краями он содержит много гармоник и имеет большие амплитуды на всех октавах. Поэтому при выборе устройства следует также позаботиться о том, чтобы не выбирать слепо быстро переключающийся чип, что не только дорого, но и увеличивает проблемы с последовательными помехами и EMC.

Любой соседний слой питания или другая поверхность с соответствующими конденсаторами на обоих концах сигнала, обеспечивающими путь низкого сопротивления к GND, может использоваться в качестве обратной поверхности сигнала. В распространенных приложениях, приемопередатчик соответствует чипу IO питания, как правило, один и тот же, между источником питания и землей обычно есть развязывающие конденсаторы 0,01 - 0,1uF, и эти конденсаторы расположены как раз на обоих концах сигнала, поэтому эффект обратного тока в плоскости питания уступает только плоскости Земли. В случае обратного потока с использованием других плоскостей мощности на обоих концах сигнала обычно нет пути низкого сопротивления к земле. Таким образом, ток, индуцированный в соседней плоскости, найдет ближайший конденсатор и вернется на землю. Если « ближний конденсатор» находится вдали от начальной или конечной точки, обратный поток также проходит через участок « длинного расстояния», образуя полный обратный путь, который также является обратным путем соседнего сигнала. Тот же путь обратного тока имеет тот же эффект, что и интерференция с общей землей, что эквивалентно последовательным помехам между сигналами.

Для некоторых неизбежных перекрестных шунтов мощности высокочастотные фильтры, изготовленные из конденсаторов или серий RC, могут быть подключены к шунту (например, конденсаторы 680p серии 10 омических резисторов, значение которых зависит от их собственного типа сигнала, т.е. обеспечивает путь возврата высокой частоты, но также изолирует низкочастотные последовательные помехи между плоскостями друг друга). Это может включать добавление конденсаторов между плоскостями питания, что может показаться смешным, но, безусловно, работает. Если некоторые нормы не позволяют, емкость может быть заземлена отдельно от двух плоскостей в точке разделения.

В случае обратного потока с использованием других плоскостей несколько небольших конденсаторов могут быть надлежащим образом заземлены на обоих концах сигнала, чтобы обеспечить обратный путь. Но зачастую это трудно осуществить. Большая часть поверхностного пространства вблизи зажима занята соответствующими резисторами и развязывающими конденсаторами чипа.

Шум обратного тока является одним из основных шумов в плоскости отсчета. Поэтому необходимо изучить пути обратного потока и диапазон потока.