Технология PCB - высокоскоростной последовательный анализ PCB и его минимизация

Введение

With the increaSing compLexity and performance of electronic products, the density of printed circuit boards and the frequency of related devices are constantly increasing. сохранение и повышение скорости и производительности системы стало важной проблемой для конструкторов. повышение частоты сигнала, край утяжелился., размер печатной платы уменьшился., and the wiring density increases, сорт., which significantly increase the influence of crosstalk in высокоскоростное проектирование печатная плата. Проблема слышимости объективна, но превышение определенного предела может привести к ошибке запуска цепи, что может привести к сбоям в работе системы. The проектироватьer must understand the mechanism of crosstalk and apply appropriate methods in the проектировать to minimize the negative effects of crosstalk.

возникновение и изменение частотного цифрового сигнала

последовательные помехи означают отрицательные шумовые сигналы напряжения, возникающие в результате взаимодействия электромагнитного поля между соседними сигналами, когда сигнал распространяется по линии передачи, то есть энергия, связанная одной линией с другой.

Как показано на рисунке 1, для облегчения анализа мы описываем модель последовательности двух соседних линий передачи на основе дискретной эквивалентной модели. передаточная линия AB и CD обладают сопротивлением Z0, а зажим соответствует сопротивлению R = Z0. Если движущей силой точки A является источник помех, то кабельная сеть между A и B называется линией помех, а между C и D - линией помех. Континуум вблизи привода сети источника помех называется ближним переходом (также называемым обратным контактом), а интерференция вокруг принимающего конца сети источника называется удаленным переходом (также называемым преходящим). переходные помехи возникают главным образом из взаимодействия lm и емкости см сантиметр между двумя соседними проводниками.

индуктивная связь

На рисунке 1 сначала рассматривается только индуктивная связь, вызванная взаимностью lm. магнитное поле сигнала, передаваемого по линиям а - в, индуктивное напряжение на линиях с - D. Роль магнитной связи аналогична роли трансформаторов. Поскольку это распределённая линия передачи, взаимная индуктивность также превратилась в ряд трансформаторов, распределенных между двумя соседними параллельными линиями передачи. когда ступенчатый сигнал напряжения перемещается от а до в, каждый трансформатор, расположенный на линии помех, по очереди вызывает острие помех в помеховой сети. шум напряжения, наложенный на интерференционные сети, прямо пропорциональн изменениям тока, приводимого в сети помех. формула вычисления шумов, возникающих в результате взаимоиндукции, является следующей:

Следует отметить, что полярность связи между различными частями трансформатора связи различна. The interference energy induced to the interfered network is forward and backward in sequence, Но полярность как раз наоборот, получение диска по линии передачи соответственно C и C. начать с точки D.

As shown in Figure 2, энергия прямых помех в направлении с прямо пропорциональна входному напряжению и каждой взаимоиндуктивной составляющей lm. Потому что вся энергия прямых помех достигает точки с почти одновременно, суммарный аварийности взаимной индукции двух линий передачи, the longer the parallel length of the transmission line, Чем больше объем производимой взаимности, and the forward interference energy also increases; however, энергия обратных помех в точке направления D отличается от энергии прямых помех в точке направления C да, Хотя обе стороны имеют одинаковую общую площадь связи, составляющая помех для каждого индуктора последовательно достигает D, and the effective time of the backward interference energy is as long as 2Tp (Tp is the propagation delay). With the extension of the parallel length (that is, the increase of mutual inductance), the magnitude of the backward crosstalk will not change, Но продолжительность увеличится.

емкостная связь

взаимная емкость - это еще один механизм, порождающий взаимные помехи. конденсатор сm будет генерировать индуктивный ток в интерференционной сети. Этот ток прямо пропорционально скорости изменения напряжения в интерференционной сети. формула вычисления шумов, возникающих в результате взаимодействия Cm, является следующей:

The coupling mechanism of the distributed coupling capacitor is similar to that of the distributed inductive coupling, Разница в полярности связи. Как показано на диаграмме 3, the polarities of the forward and backward interference energy of mutual capacitive coupling are both positive.

- 2.3 The combined effect of mutual inductance and mutual capacitance

обычно параллельно происходит конденсаторное переходное и электрическое возмущение. из литературы [1] Мы можем получить формулы вычисления общего переходного процесса между близкими и дальними концами, наложенные соответственно емкостной и индуктивной связью.

общий шум в ближней части:

общий шум от удаленного конца:

среди, Z0, C, l, Cm, Lm, L, and V0 are the characteristic impedance of the transmission line, емкость на единицу длины, индуктивность на единицу длины, the coupling capacitance and coupling inductance between the two transmission lines, параллельная длина двух линий передачи, and the voltage peak value.

из вышеприведенных двух формул видно, что из - за полярности конденсаторной и индуктивной связи общий шум при переходе на большие расстояния вычитается, т.е. На рисунке печатная плата, полосовая схема обеспечивает хорошее равновесие между индуктивной связью и ёмкостной связью, а энергия прямой связи невелика; Что касается микрополосных линий (Microstfip), то значительная часть электрического поля, связанного с последовательными помехами, приходится на воздух, а не на другие изоляционные материалы. Именно поэтому в обычном дизайне часто игнорируются интерференции на удаленных переходах и подчеркиваются причины улучшения ситуации на стыке.

В настоящем проекте, the relevant parameters of the печатная плата (such as thickness, dielectric constant, сорт.), длина пути, ширина линии, line spacing, Положение линии передачи и плоскости земли, поток тока влияет на c, l, Cm, Lm, L, величина зависит от частоты и подъёма сигнала/время падения устройства.

Здесь мы не будем делать количественный анализ влияния этих параметров на последовательное возмущение. зависимость между этими параметрами и степенью влияния помех, Более подробную информацию см..

2.4 тенденции изменения последовательности

размеры взаимной индуктивности и емкости влияют на размер последовательных помех, что эквивалентно изменению характеристик и скорости распространения линии передачи. Аналогичным образом, геометрия линии передачи в значительной степени влияет на изменение взаимоиндукции и емкости, поэтому на эти параметры влияют и собственные характеристические импеданцы линии передачи. в одной и той же среде относительно низкая линия передачи сопротивлений более тесно связана с основной плоскостью (плоскость Земли), относительно низкая линия передачи сопротивлений менее тесно связана с соседней линией передачи, поэтому линия передачи малых сопротивлений имеет меньшие колебания сопротивлений, вызванные последовательным сопротивлением.

некоторые последствия соучастия

высокая скорость, высокая плотность проектирование печатная плата, обычно обеспечивается полная залежь, so that each signal line basically only interacts with its nearest signal line, А перекрестная связь с другими линиями дальнего действия может быть ничтожной. Однако, in an analog system, when high-power signals pass through low-level input signals or when components with higher signal voltages (such as TTL) are close to components with lower signal voltages (such as ECL), требуется очень высокое сопротивление. способность к помехам. в печатная плата design, if not handled correctly, последовательные помехи влияют на Целостность сигналов высокоскоростной сети печатная платаs.

3.1. ошибка, вызванная последовательным возбуждением

последовательное возмущение сигнала является важной частью проблемы целостности сигнала, с которой сталкивается высокоскоростное проектирование. функциональные ошибки цифровых схем, вызванные последовательными помехами, наиболее распространенны.

Рисунок 4 - типичная передача логики ошибок в соседней сети, вызванная последовательными импульсами. сигнал, передаваемый в сети источника помех через конденсатор связи, генерирует шумовые импульсы в интерференционной сети и на принимающем конце, что приводит к нежелательному выбросу импульса в конец приема. если интенсивность импульса превышает пусковое значение принимающего конца, то генерируется неуправляемый пусковой импульс, что приводит к логическому нарушению функции сети следующего уровня.

3.2 временная задержка

в цифровом проектировании, the момент issue is an important consideration. На рисунке 5 показаны проблемы времени из - за шума. The lower part of the figure is the two kinds of noise pulses generated by the interference source network (Helpful Figure 5 Delay glitch and Unhelpful glitch caused by crosstalk noise). When the noise pulse (helpful glitch) is superimposed on the interfered network, Это создает помехи для передачи сигналов сети. The delay is reduced; similarly, when the noise pulse (Unhelpful glitch) is superimposed on the interfered network, это увеличивает задержку нормальной передачи сигнала от интерференционной сети. Хотя это снижает задержку передачи в сети шум от помех помогает улучшить производительность сети печатная плата timing, фактически печатная плата design, Факторы неопределенности, связанные с интерференцией в сети источников, Такие задержки не поддаются контролю, so this kind of crosstalk The delay caused must be suppressed.

4. Minimize crosstalk

Crosstalk is ubiquitous in high-speed and высокая плотность печатная плата design, and the impact of crosstalk on the system is generally negative. для уменьшения помех, самое главное - свести к минимуму связь между сетями источников помех и интерференционными сетями. невозможно полностью избежать друг друга высокая плотность сложный печатная плата design. Однако, in the system design, Конструкторы должны выбирать надлежащие методы сведения к минимуму помех без ущерба для других характеристик системы. Combined with the above analysis, Решение проблемы соучастия рассматривается главным образом в следующих областях:

если позволяют условия монтажа, увеличить расстояние между линиями передачи по мере возможности; или уменьшить, насколько это возможно, параллельную длину между соседними линиями передачи (суммарная параллельная длина), желательно между различными слоями.

сигнальный слой соседнего слоя (без плоской изоляции) должен быть перпендикулярно расположен в направлении проводов и, насколько это возможно, избегать параллельной проводки, с тем чтобы уменьшить разрыв между слоями.

при обеспечении времени сигнала, старайтесь выбрать устройства с низкой скоростью преобразования, чтобы замедлить изменение электрического поля и магнитного поля и тем самым уменьшить последовательное возмущение.

при проектировании электрических реакторов, при условии соблюдения сопротивлений характеристик, диэлектрический слой между проводом и исходной поверхностью (силовыми или смежными пластами) должен быть как можно более тонким, что увеличивает связь между линией передачи и основной поверхностью и уменьшает прилегающую связь линии передачи.

Поскольку в поверхностном слое имеется только одна опорная плоскость, связь между электрическим полем, проводка которого протекает на поверхности, лучше, чем электрическое поле, в котором проводка в промежуточном слое провода, поэтому линии сигналов, которые более чувствительны к последовательному возмущению, должны располагаться, насколько это возможно, внутри слоя.

сопротивление удаленного и близкого конца линии передачи может быть приведено в соответствие с сопротивлением линии передачи, что значительно снижает амплитуду последовательных помех.

Заключительные замечания

Проект цифровой системы вступил в новый этап. Many high-speed design issues that used to be of secondary importance now have a critical impact on system performance. Проблема целостности сигналов, включая последовательное возмущение, привела к изменению концепции проектирования, проектный процесс, метод проектирования. перед лицом новых вызовов, для шумов, связанных с последовательными помехами, важно найти сети, которые оказывают реальное влияние на нормальное функционирование системы, instead of blindly suppressing crosstalk noise on all networks. Это также соответствует ограниченному снабжению. противоречивый. The crosstalk discussed in this article is of great significance for solving the crosstalk problem in high-speed and высокая плотность схемы спроектированы.