Технология PCB - высокоскоростное проектирование управляемости PCB и электромагнитной совместимости

(1) ChallengeS faced by electronic system проектировать

With the large-scale increase in system проектировать сложность и интеграция, electronic system проектироватьа are engaged in circuit проектировать above 100MHZ, рабочая частота шины достигла или превысила 50 МГц, and some even exceeded 100MHZ. сейчас, about 50% of the проектироватьs have a clock frequency of more than 50MHz, and nearly 20% of the проектироватьS тактовая частота более 120MHz.

когда система работает на 50 МГц, there will be transmission line effects and signal integrity problems; when the system clock reaches 120MHz, unless проектирование высокоскоростных схем knowledge is used, полихлорированные дифенилы проектироватьed based on traditional methods will not work. поэтому, high-speed circuit проектировать технология стала тенденцией проектировать method that electronic system проектироватьиммиграция должна быть усыновлена. The controllability of the проектировать этот процесс может быть использован только проектировать techniques of high-speed circuit проектироватьers.

(2) What is a high-speed circuit

Считается, что если частота цифровых логических схем достигает или превышает 45 МГц ~ 50 МГц и если схемы, работающие на этой частоте выше, занимают определенную долю всей электронной системы (например, 1 / 3), то они называются высокоскоростными.

На самом деле, the harmonic frequency of the signal edge is higher than the frequency of the signal itself. It is the rising and falling edges of the signal (or signal jumps) that cause unexpected results in signal transmission. поэтому, it is generally agreed that if the line propagation delay is greater than 1/время нарастания привода цифрового сигнала 2, Этот сигнал считается высокоскоростным сигналом, который создает эффект линии передачи.

Передача сигнала происходит в момент изменения состояния сигнала, например, время подъема или падения. сигнал от конца привода до конца приема проходит через определенное время. если время передачи меньше 1 / 2 времени подъема или падения, то отраженный сигнал от принимающего конца достигнет конца привода до изменения состояния сигнала. Вместо этого, после изменения состояния сигнала отраженный сигнал достигнет конца привода. Если отраженный сигнал очень сильный, наложенная форма может изменить логическое состояние.

(3) Determination of high-speed signals

Above we have defined the preconditions for the occurrence of transmission line effects, Но как мы узнаем/время нарастания сигнала на конце привода? Generally, Типичное значение времени нарастания сигнала может быть дано в Руководстве устройства, and the signal propagation time is determined by the actual wiring length in the PCB проектировать. The following figure shows the corresponding relationship between the signal rise time and the allowable wiring length (delay).

The delay per unit inch on the PCB is 0.167ns. However, если много дырок, вывод многих устройств, and many constraints set on the network cable, задержка увеличится. Generally, время нарастания сигнала в быстроходных логических приборах около 0.2ns. чип из арсенида галлия, the maximum wiring length is 7.62 мм.

Let Tr be the signal rise time and Tpd be the signal line propagation delay. если это 4Tpd, сигнал падает в безопасное место. If 2Tpd‰¥Tr‰¥4Tpd, сигнал падает в область неопределенности. Если Tr - 2Tpd, сигнал падает в проблемную область. использовать сигналы для зоны неопределенности и проблемы, high-speed wiring methods should be used.

(4) What is a transmission line

The traces on the панель PCB can be equivalent to the series and parallel capacitance, структура сопротивления и индуктивности показана ниже. The typical value of series resistance is 0.25 - 0.55 ohms/нога. Because of the insulating layer, сопротивление параллельного сопротивления обычно очень высокое. After adding parasitic resistance, емкость и индуктивность фактической проводки PCB, the final impedance on the wiring is called the characteristic impedance Zo. ширина стального диаметра, the closer to the power/поверхность земли, or the higher the dielectric constant of the isolation layer, Чем меньше характеристическое сопротивление. If the impedance of the transmission line and the receiving end do not match, Окончательный режим стабилизации выходных токов и сигналов будет отличаться, which causes the signal to be reflected at the receiving end, отражённый сигнал будет отправлен обратно в конец передачи и снова отражённый обратно. As the energy decreases, амплитуда отраженных сигналов будет снижаться до тех пор, пока напряжение и ток сигнала не стабилизируются. This effect is called oscillation, колебания сигналов обычно видны по восходящей и нисходящей ступеням сигнала..

5) эффект линии передачи

модель линии передачи, словом, the transmission line will bring the following effects to the entire circuit проектировать.

¢ Reflected signals

¢ Delay & Timing errors

¢ Repeatedly crossing the logic level threshold error False Switching

¢ Overshoot/Undershoot

¢ Induced Noise (or crosstalk)

излучение электромагнитных помех

5.1 Reflected signal

If a trace is not properly terminated (terminal matching), Затем, сигнал с конца привода отражается в конце приема, causing unexpected effects and distorting the signal profile. когда искажение очень серьезно, it can cause a variety of errors and cause проектировать неудача. At the same time, повышенная чувствительность искаженного сигнала к шуму, which can also cause проектировать неудача. If the above situation is not considered enough, EMI значительно увеличится, which will not only affect the results of its own проектировать, Но это может привести к сбоям во всей системе.

The main reasons for reflected signals are: too long traces; transmission lines that are not terminated by matching, чрезмерная емкость или индуктивность, импедансное рассогласование.

5.2 задержка и ошибка времени

задержка сигнала и ошибка таймера проявляются в том, что сигнал не прыгает в течение некоторого времени, когда он изменяется между высоким порогом логического уровня и низким порогом. чрезмерная задержка сигнала может привести к ошибкам в таймере и сбоям в работе оборудования.

при наличии нескольких приемников обычно возникают проблемы. Конструкторы схем должны определить время задержки в худшем случае, чтобы убедиться в правильности конструкции. причина задержки сигнала: перегрузка привода, слишком длинная проводка.

5.3 Multiple times of crossing the logic level threshold error

The signal may cross the logic level threshold many times during the transition процесс, ошибка, приводящая к такому типу. Ошибка при многократном переходе к порогу логического уровня - особая форма колебаний сигнала, То есть, колебание сигнала происходит вблизи порога логического уровня, многократное превышение порога логического уровня приводит к нарушению логической функции. Causes of reflected signals: long traces, тупиковая линия электропередачи, excessive capacitance or inductance, импедансное рассогласование.

5.4 перерасход и недоход

Overshoot and undershoot come from two reasons: the trace is too long or the signal changes too fast. Несмотря на то, что большинство приёмников элементов защищены входной диодом, sometimes these overshoot levels will far exceed the component power supply voltage range and damage components.

5.5 соучастие

линия прохождения сигналов, the relevant signal will be induced on the signal line adjacent to it on the PCB. Мы называем это.

чем ближе сигнальная линия к земле, тем больше расстояние между линиями, тем меньше генерируется последовательный сигнал. асинхронные и тактовые сигналы легче генерировать последовательные помехи. Таким образом, последовательный метод состоит в том, чтобы удалить сигнал последовательного помехи или сигнал серьезного помехи экранированием.

5.6 электромагнитное излучение

EMI (Electro-Magnetic Interference) refers to electromagnetic interference. К числу возникающих проблем относятся чрезмерная электромагнитная радиация и чувствительность к электромагнитному излучению. EMI is manifested in that when a digital system is powered on, Он излучает электромагнитные волны в окружающую среду, thereby interfering with the normal operation of electronic equipment in the surrounding environment. основная причина в том, что схема работает на слишком высокой частоте и неразумно расставлена. программное обеспечение для моделирования EMI, but EMI simulators are very expensive, и трудно установить аналоговые и граничные условия, which will directly affect the accuracy and practicability of the simulation results. наиболее распространенным методом является применение различных видов проектировать rules for controlling EMI in every aspect of the проектировать, Таким образом, реализовать все аспекты регулирования проектировать.

(6) Methods to avoid transmission line effects

In view of the influences introduced by the above transmission line problems, Давайте обсудим пути контроля за этими последствиями в следующих областях:.

6.1 Strictly control the length of key network cables

If there is a high-speed transition edge in the проектировать, the problem of the transmission line effect on the PCB must be considered. В настоящее время такие проблемы возникают в связи с широко используемыми чипами на быстрых интегральных схемах с очень высокими тактовыми частотами. есть некоторые основные принципы решения этой проблемы: если использовать CMOS или TTL - схему проектировать, рабочая частота менее 10 МГц, and the wiring length should not be greater than 7 inches. длина соединения не должна превышать 1.5 inches at 50MHz. если рабочая частота достигает или превышает 75 МГц, the wiring length should be 1 inch. The maximum wiring length for GaAs chips should be 0.3 дюйма. If this standard is exceeded, there will be transmission line problems.

6.2 Reasonably plan the topology of the wiring

Another way to solve the transmission line effect is to select the correct wiring path and terminal topology. The topological structure of the wiring refers to the wiring sequence and wiring structure of a network cable. при использовании быстроходных логических устройств, unless the length of the trace branch is kept short, сигнал быстрого изменения края будет искажен ветвью канала на магистральном канале сигнала. в нормальных условиях, PCB routing uses two basic topologies, маршрутизация и распределение типа звезды.

проводки для цепей хризантемы, электропроводка начинается с конца привода и поступает в каждый приёмный конец по очереди. если использовать последовательное сопротивление для изменения характеристик сигнала, расположение тандемного сопротивления должно быть близко к концу привода. In terms of controlling the high-order harmonic interference of the wiring, лучше всего проводка. However, this wiring method has the lowest distribution rate, и 100% распределения тоже нелегко. In the actual проектировать, we make the branch length in the daisy chain wiring as short as possible. The safe length value should be: Stub Delay <= Trt *0.1.

For example, the length of the branch end in a high-speed TTL circuit should be less than 1.5 inches. This topology occupies less wiring space and can be terminated with a single resistor. However, this wiring structure makes the reception of signals at different signal receiving ends asynchronous.

звездная топология позволяет эффективно избегать асинхронных проблем с синхронным сигналом, однако ручная проводка на высокой плотности PCB - пластине очень трудна. использование автомаршрутизатора - лучший способ завершить звездную проводку. в каждой ветке нужен концевой резистор. оконечное сопротивление должно соответствовать сопротивлению свойств соединения. Это может быть произведено вручную или с помощью инструмента CAD для расчета значений сопротивлений характеристик и зажимов, которые согласуются с сопротивлением. ах...

в двух случаях, simple terminal resistors are used. фактически, more complex matching terminals can be selected. Первый параметр - согласующий терминал RC. РК - согласующий терминал может уменьшить расход мощности, but it can only be used when the signal is relatively stable. This method is most suitable for matching the clock line signal. недостаток в том, что емкость в согласующем терминале РК может повлиять на форму и скорость распространения сигнала.

последовательный зажим согласования сопротивлений не вызовет дополнительных потерь мощности, но снижает скорость передачи сигнала. Этот метод применяется к шинным драйверам, которые не оказывают большого влияния на задержку. преимущества каскадного сопротивления, согласующегося с зажимом, заключаются в том, что он позволяет уменьшить количество перевозимого оборудования и плотность проводов.

The last method is to separate the matching terminal. In this way, the matching component needs to be placed near the receiving end. The advantage is that it will not pull down the signal, and noise can be avoided very well. Typically used for TTL input signals (ACT, HCT, FAST).

In addition, Необходимо также учитывать тип упаковки и тип монтажа оконечного согласующего резистора. Generally, микроволновой элемент с резистором на поверхности SMD, Таким образом, модуль SMD является предпочтительным. If you choose ordinary in-line resistors, there are also two options for installation: vertical and horizontal.

в вертикальном режиме установки зажима резистора очень коротка, что позволяет снизить тепловое сопротивление между резистором и платы, что облегчает распространение тепла резистора в воздух. но более длинная вертикальная установка увеличит резистор. из - за низкого уровня монтажа горизонтальный монтаж имеет низкую индуктивность. Тем не менее, сопротивление перегрева будет дрейфовать. В худшем случае сопротивление станет разомкнутым, что приведет к сбоям в работе PCB - терминала слежения и станет потенциальным фактором неисправности.

6.3 Methods to suppress electromagnetic interference

A good solution to the signal integrity problem will improve the electromagnetic compatibility (EMC) of the панель PCB. одним из наиболее важных вопросов является обеспечение панель PCB has a good grounding. It is very effective to use a signal layer with a ground layer for complex проектироватьs. In addition, свёртывание плотности сигнала в верхней части платы также является хорошим способом уменьшения электромагнитного излучения. Этот метод может быть реализован с помощью технологии "конструирования" поверхности проектировать and manufacturing PCB. The surface area layer is realized by adding a combination of a thin insulating layer and micro-holes used to penetrate these layers on a common process PCB. The resistance and capacitance can be buried under the surface layer, and the trace density per unit area will be nearly doubled. Reduce the size of the PCB. уменьшение площади PCB сильно влияет на топологическую структуру линий, Это означает уменьшение токового контура, the length of the branch trace is reduced, электромагнитное излучение примерно пропорционально площади токового кольца; одновременно, the small size feature means high-density lead Foot-packaged devices can be used, which in turn reduces the length of the wire, thereby reducing the current loop and improving the electromagnetic compatibility characteristics.

6.4 Other applicable technologies

In order to reduce the instantaneous overshoot of the voltage on the power supply of the integrated circuit chip, a decoupling capacitor should be added to the integrated circuit chip. This can effectively remove the effects of burrs on the power supply and reduce the radiation of the power loop on the printed board.

когда развязывающий конденсатор подключается непосредственно к опоре силовой трубы интегральной схемы вместо слоя мощности, лучше всего шлифовать заусенец. Поэтому у некоторых розеток есть развязывающий конденсатор, and some devices require the distance between the decoupling capacitor and the device to be small enough.

Любые высокоскоростные и мощные устройства должны быть как можно ближе друг к другу, чтобы уменьшить переходное перерегулирование напряжения питания.

If there is no power layer, the long power connection will form a loop between the signal and the loop, becoming a radiation source and a sensitive circuit.

эти дорожки образуют петлю, называемую открытым кольцом, которая не проходит через одну и ту же сеть или другую регистрирующую дорожку. Если контур проходит по другим проводам одной и той же сети, то образуется замкнутый контур. В обоих случаях образуются антенные эффекты (линейные и кольцевые). антенна излучает эмиссию EMI извне и сама по себе является чувствительной схемой. замкнутое кольцо - это вопрос, который необходимо рассмотреть, поскольку его излучение в значительной степени соответствует замкнутой территории.

Concluding remarks

High-speed circuit проектировать Это очень сложный вопрос. проектировать process. ZUKEN's high-speed circuit routing algorithm (Route Editor) and EMC/EMI analysis software (INCASES, Hot-Stage) are used to analyze and find problems. The method described in this article is specifically aimed at solving these high-speed circuit проектировать problems. In addition, при тестировании необходимо учитывать несколько факторов проектироватьing high-speed circuits, and these factors are sometimes opposed to each other. For example, when high-speed devices are placed close to each other, although the delay can be reduced, crosstalk and significant thermal effects may occur. поэтому, in the проектировать, нужно взвешивать факторы и делать общий компромисс; не только удовлетворить проектировать требования, but also reduce the проектировать сложность. The use of high-speed проектирование PCB methods constitutes the controllability of the проектировать process, and only controllable ones are reliable.