Технология PCB - Анализ целостности сигнала в высокоскоростных схемах

частота и время нарастания часов в системе, signal intеgrity проектировать beComes more anD more important. К сожалению, most digital конструктор схемы не осознавая важности проблемы целостности сигналов, или до последней стадии проектирования понять.

This article introduces этот influence of signal integrity in the design of high-speed digital hardware circuits. Это включает в себя такие вопросы, как контроль характеристического импеданса, согласование терминалов, power and ground planes, маршрутизация сигналов, and crosstalk. знание этих знаний позволяет Конструкторам цифровых схем на ранних этапах проектирования схем обращать внимание на потенциальные проблемы целостности сигналов, Она также может помочь в проектировании, чтобы избежать влияния целостности сигнала на проектные характеристики.

Хотя целостность сигнала всегда была одним из необходимых конструкторских опытов инженера оборудования, it has long been ignored in digital circuit design. в век проектирования тихоходных логических схем, проблемы, связанные с полнотой сигнала, the consideration of signal integrity is considered a waste of efficiency. Однако, as clock rates and rise times have increased in recent years, возросла также необходимость и дизайн анализа целостности сигналов. Unfortunately, Большинство дизайнеров не заметили, and still rarely consider the issue of signal integrity in the design.

современная цифровая цепь может частоту до GHZ, время подъема до 50 ps. At this rate, недосмотр на закон печатная плата design trace is even one foot, и возникающее напряжение, delay and interface problems will not only be limited to this line, но также влияет на все платы и соседние платы.

Эта проблема особенно остро стоит в смешанных схемах. например, предполагается, что система ADC с высокой производительностью принимает Аналоговые сигналы в цифровой форме. распределение энергии в цифровом порту вывода ADC может быть проще, чем аналоговый порт ввода 130 db (в 100 миллионов раз). ADC цифровой порт на любом шуме. проектная целостность сигнала не является загадочным процессом. Важно признать потенциальные проблемы на ранних этапах разработки и эффективно избегать их возникновения на более позднем этапе. В настоящем документе рассматриваются некоторые ключевые проблемы целостности сигналов и пути их решения.

Ensure signal integrity:

1. Isolation

Components on a печатная плата board have various edge rates and various noise differences. Наиболее непосредственным способом улучшения SI является физическое разделение компонентов на сети печатная плата based on the boundary value and sensitivity of the device. Следующая диаграмма - пример. In the example, питание, digital I/порт, and high-speed logic, Это схема с высокой степенью риска для такта и преобразования данных, будет уделено особое внимание. In the first layout, установить часы и преобразователи данных рядом с шумовым устройством. Noise will couple to sensitive circuits and reduce their performance. изоляция эффективных схем во втором макете будет способствовать целостности сигнала, разработанного системой.

2. импеданс, reflection and terminal matching

Impedance control and terminal matching are basic issues in high-speed circuit design. обычно радиочастотные схемы считаются наиболее важной частью конструкции каждой схемы, but some digital circuit designs with higher frequency than radio frequency neglect impedance and terminal matching.

из - за рассогласования импедансов на Цифровые схемы оказывают несколько смертельных последствий, see the figure below:

a. цифровой сигнал вызовет отражение между входом приемного устройства и выводом передающего устройства. отражённый сигнал возвращается и распространяется по обеим концам линии, пока он полностью не поглощается в конце.

B, отражательный сигнал может вызвать эффект вызова сигнала через линию передачи, он влияет на напряжение и задержку сигнала, а также полностью ухудшает сигнал.

c. несогласованный путь сигнала может привести к излучению сигнала в окружающую среду.

проблемы, возникающие в результате рассогласования импедансов, можно свести к минимуму путём концевого резистора. The termination resistor is usually one or two discrete components placed on the signal line close to the receiving end. простой способ соединить маленькое сопротивление.

The terminal resistance limits the signal rise time and absorbs part of the reflected energy. Следует отметить, что использование совпадений импедансов не устраняет полностью деструктивные факторы. Однако, Выбор подходящих устройств, оконечное сопротивление может эффективно контролировать целостность сигнала.

не все сигнальные линии нуждаются в импедансном контроле, например, спецификация compact PCI характеристики импеданса и характеристики конечного сопротивления.

другие стандарты и конструкторы, не требующие импедансных норм управления, they are not specifically concerned. Окончательный стандарт может изменяться в различных прикладных программах. поэтому, the length of the signal line (correlation and delay Td) and the signal rise time (Tr) need to be considered. The general rule for impedance control is that Td (delay) should be greater than 1/6 of Tr.

3. разделение внутренних и внутренних электрических слоев

цифровые библиотеки будут игнорировать факторы конструктор схемы in the current loop design include the consideration of the transmission of single-ended signals between two gate circuits (as shown in the figure below). токовая цепь от двери а до двери в, and then back to gate A from the ground plane.

на приведенной выше диаграмме есть две потенциальные проблемы:

поверхность земли между точками а и в должна быть соединена по низкому сопротивлению. Если пласт соединяется с большим сопротивлением, то возникает обратный поток напряжения между соединительными выводами пласта. Это неизбежно приведет к искажению амплитуд сигнала и наложению входных шумов на все устройства.

b. площадь токового контура должна быть как можно меньше. The loop is like an antenna. Вообще говоря, a larger loop area will increase the chance of loop radiation and conduction. каждый конструктор схем хочет вернуть ток непосредственно по линии сигнала, so that the smallest loop area.

применение крупномасштабного приземления может решить обе эти проблемы одновременно. приземление на большой площади может обеспечивать небольшое сопротивление между всеми точками приземления, while allowing the return current to return as directly as possible along the signal line.

обычная ошибка печатная плата конструктор должен сделать сквозное отверстие и гнездо на плоскости земли. The figure below shows the direction of current flow when a signal line is on a slotted geoelectric layer. ток контура будет принудительно обойден через гнездо, which will inevitably produce a large circulating loop.

Вообще - то, невозможно прорезать пазы на наземной доске питания. Однако в некоторых неизбежных случаях конструкторы печатная плата должны прежде всего убедиться в том, что нет сигнальных контуров, проходящих через канавку. те же правила применяются и к смешанным сигнальным схемам.

Unless multiple ground planes are used in the печатная плата board. Especially in the high-performance ADC circuit, поверхностный слой аналоговых сигналов разделения, digital signal and clock circuit can be used to effectively reduce the interference between signals. Следует еще раз подчеркнуть, что в некоторых случаях это неизбежно., the печатная плата конструктор должен прежде всего удостовериться в том, что нет сигнала, проходящего через область вскрытия канавок.

в энергетическом слое с зеркальными различиями следует также обращать внимание на площадь межслойной зоны (как показано на диаграмме ниже). на краю платы существует радиационный эффект от слоя питания на уровень земли. утечка электромагнитной энергии с края повредит соседней цепи. См. рисунок b ниже), чтобы перекрыть поверхность земли в том или ином районе. Это уменьшит воздействие электромагнитной утечки на соседние платы.

сигнальная проводка

The most important thing to ensure signal integrity is the physical wiring of the signal lines. печатная плата Конструкторы часто испытывают рабочее давление, not only to complete the design in the shortest possible time, Необходимо также обеспечить целостность сигналов. Knowing how to balance the gap between possible problems and signals will promote the process of system design. высокоскоростной ток не может эффективно обрабатывать разрыв в сигнальной линии. The problem of signal discontinuity is most likely to occur in the figure a below. в цепи малых скоростей, there is usually no need to consider signal discontinuity, но в быстроходных схемах, this issue must be considered. Therefore, при проектировании схемы использовать метод, указанный в b/c in the figure below, можно эффективно обеспечивать непрерывность сигнала.

при проектировании высокоскоростных схем возникает еще одна проблема с сигнальной проводкой. Если нет особых причин, следует как можно быстрее устранить все короткозамыкания. при проектировании высокочастотных схем короткое замыкание, как совпадение импедансов линии сигнала, вызывает излучение.

Special attention should be paid to the routing of differential pairs in the routing of high-speed circuit design. дифференциальная пара приводится двумя полностью дополняющими сигнальными линиями. The differential pair can avoid noise interference and improve the S/отношение N. Однако, the differential pair signal line has particularly high requirements for wiring:

1. The two wires must be as close as possible to the wiring;

2. длина двух линий должна быть одинаковой;

Вопрос о том, как правильно распределить разницу в маршруте между двумя неразборчивыми устройствами, является ключевым для сигнальных линий.

In the above picture a, из - за разной длины двух сигнальных линий, there will be some uncertain risks. правильная схема подключения должна быть показана на рис.. The general rule in differential pair wiring is to keep the two signal lines equally spaced and close to each other.

5. Crosstalk

In печатная плата design, crosstalk is another issue worthy of attention. На рисунке ниже показаны области соприкосновения и связанные с ними электромагнитные зоны в одной сети между тремя параллельными линиями сигнала печатная плата. When the interval between the signal lines is too small, электромагнитное взаимодействие между линиями сигнала, resulting in signal deterioration, Это звук.

Crosstalk can be solved by increasing the signal line spacing. Однако, печатная плата designers are usually constrained by increasingly tight wiring space and narrow signal line spacing; because there are no more choices in the design, в проекте неизбежно возникнут проблемы. Obviously, печатная плата конструктор должен уметь решать проблемы. В течение многих лет было опубликовано много правил, касающихся надежного интервала. Правило 3W, признанное в отрасли, То есть, the distance between adjacent signal lines should be at least 3 times the width of the signal line. However, the acceptable signal line spacing in practice depends on factors such as actual application, условия работы, and design redundancy. расстояние между линиями сигнала изменяется в разных случаях, каждый раз производится расчет. Therefore, when crosstalk problems are unavoidable, crosstalk should be quantified. This can be represented by computer simulation technology. использовать имитатор, the designer can determine the signal integrity effect and *estimate the crosstalk effect of the system.

6. Power decoupling

Power decoupling is now a standard practice in digital circuit design. Mentioning it here will help reduce noise problems on power lines. для проектирования высокопроизводительных схем жизненно важное значение имеет чистое питание. The high frequency noise superimposed on the power supply will cause problems for each adjacent digital device. типичный шум от земли, signal radiation, or digital devices themselves. Проще всего устранить шум источника энергии, используя конденсатор для развязки высокочастотных шумов на земле. идеальный развязывающий конденсатор обеспечивает низкоомное заземление высокочастотного шума, устранение шумов питания. Choose decoupling capacitors based on actual applications. Most designers will choose surface mount capacitors as close as possible to the power supply pins, емкость должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить низкоомное заземление пути, и таким образом создать предсказуемый шум питания. The problem usually encountered when using decoupling capacitors is that decoupling capacitors cannot be simply regarded as capacitors. есть несколько случаев:

герметизация конденсатора создает паразитную индуктивность;

b. Capacitors will bring some equivalent resistances;

C, провода между выводом питания и развязывающим конденсатором принесет некоторую эквивалентную индуктивность;

d. The wire between the ground pin and the ground plane will bring some equivalent inductance; the effect caused by this:

конденсатор будет иметь резонансный эффект на конкретную частоту, и связанное с этим сопротивление сети будет оказывать большее влияние на сигнал в соседнем диапазоне частот;

B, эквивалентное сопротивление (ESR) также влияет на формирование низкоомного сопротивления высокоскоростного шумового развязки;

The following summarizes the effect this has on a digital designer:

для обработки проводов, выводимых из устройств Vcc и GND, требуется небольшая индуктивная аппаратура. Поэтому рекомендуется, чтобы при проектировании провода Vcc и GND были как можно более короткими и толстыми.

b. Choose a capacitor with low ESR effect, which helps to improve the decoupling of the power supply;

C, выбор миниатюрных герметичных конденсаторов уменьшит индуктивность упаковки. замена оборудования с меньшим объемом упаковки приведет к изменению температурных характеристик. поэтому после выбора миниатюрных конденсаторов необходимо будет скорректировать компоновку деталей в конструкции.

при проектировании замена конденсаторов X7R конденсаторами Y5V обеспечивает меньшую герметичность и меньшую эквивалентную индуктивность, но в то же время повышает стоимость оборудования для обеспечения высоких температур.

In the design, the decoupling of low-frequency noise with large-capacity capacitors should also be considered. Using separate electrolytic capacitors and tantalum capacitors can improve the cost-effectiveness of the device.

Резюме:

Signal integrity is one of the most important issues throughout the design of high-speed digital circuits; here are some suggestions for ensuring signal integrity in digital circuit design:

изолировать чувствительные компоненты и шумовые компоненты;

B, импедансное управление, отражение и сигнальные терминалы для согласования;

c. Use continuous power and ground plane layers;

D, Постарайтесь избегать использования прямых проводов;

e. The wiring length of the differential pair is equal;

F, при проектировании высокоскоростных схем следует учитывать последовательные помехи;

G, питание развязки проблемы;

A good grasp of the problems in digital circuit design mentioned above can help digital конструктор схемы на ранней стадии проектирования цепи как можно больше потенциальных проблем при проектировании цепи.