Технология PCB - Что такое высокоскоростная конструкция PCB

Что такое высокоскоростной PCB дизайн? Высокоскоростная конструкция PCB относится к проектированию платы, которая может поддерживать высокоскоростную передачу сигналов, эти сигналы обычно относятся к высокоскоростным цифровым сигналам, высокоскоростным аналоговым сигналам и т. Д. Высокоскоростная конструкция PCB имеет специальные требования с точки зрения выбора материала, проектирования компоновки, проектирования проводки и т. Д. Для обеспечения целостности и стабильности сигнала в процессе передачи, сигнал не искажается, не распадается во время передачи и отвечает требованиям к производительности системы.

Что такое высокоскоростный сигнал?

В ответ на эту проблему всемирно известная компания EDA Software Cadence определила его следующим образом:

Любой сигнал, превышающий 50 МГц, является высокоскоростным сигналом;

Если длина траектории передачи региона, где расположен сигнал, превышает 1/6λ, он будет идентифицирован как высокоскоростный сигнал;

Высокоскоростный сигнал или нет, независимо от частоты, и общий по умолчанию: сигнал считается высокоскоростным, когда его поднимающийся/падающий край меньше 50 секунд;

Когда сигнал передается по пути передачи, он может рассматриваться как высокоскоростный сигнал, если возникает серьезный эффект кожи и потеря энергии.

Что такое высокоскоростная цепь

Обычно считается, что если частота цифровой логической схемы достигает или превышает 45 МГц ~ 50 МГц, и схема, работающая выше этой частоты, составляет определенное количество всей электронной системы (скажем, 1/3), она называется высокоскоростной схемой.

Фактически, гармоническая частота края сигнала выше, чем сама частота сигнала. Именно поднимающийся край и падающий край (или прыжок сигнала) вызывают неожиданный результат передачи сигнала. Поэтому общепринято, что если задержка распространения линии превышает время подъема движущего конца 1/2 цифрового сигнала, такой сигнал считается высокоскоростным сигналом и производит эффект линии передачи.

Передача сигнала происходит в момент изменения состояния сигнала, например, во время подъема или падения. Сигнал передается от привода к приемнику в течение определенного периода времени. Если время передачи меньше 1 / 2 времени подъема или падения, отраженный сигнал от приемника достигнет привода до изменения состояния сигнала. Вместо этого отраженный сигнал достигнет привода после изменения состояния сигнала. Если отраженный сигнал силен, наложенная форма волны может изменить логическое состояние.

Определение высокоскоростных сигналов

Выше мы определили предварительные условия для возникновения эффекта линии передачи, но как узнать, является ли задержка линии больше 1/2 времени подъема сигнала водителя? В целом, типичное значение времени подъема сигнала может быть указано в руководстве по устройству, а время движения сигнала в конструкции PCB определяется фактической длиной проводки. На рисунке ниже показано соответствие между временем подъема сигнала и допустимой длиной проводки (задержка).

Задержка на единицу дюйма на ПХД составляет 0,167ns. Однако, если на сетевом кабеле много отверстий, штифтов и ограничений, задержка увеличится. Как правило, время подъема сигнала для высокоскоростных логических устройств составляет около 0,2 секунды. Если на плате есть чип GaAs, большая длина проводки составляет 7,62 мм.

Установите Tr как время подъема сигнала и Tpd как задержку распространения линии сигнала. Если Trâ ¥4Tpd, сигнал попадает в безопасную зону. Если 2Tpd, сигнал попадает в область неопределенности. Если Trâ¤2Tpd, сигнал попадает в проблемную область. Для сигналов, падающих в неопределенные и проблемные районы, следует использовать высокоскоростные методы проводки.

Что такое линия передачи

Проводка на панели PCB может быть эквивалентна последовательной и параллельной емкости, сопротивлению и индуктивной структуре, как показано ниже. Типичное значение последовательного сопротивления составляет 0,25 - 0,55 Ом / фут. Из - за наличия изоляционного слоя параллельное сопротивление обычно очень высокое. После добавления паразитного сопротивления, емкости и индуктивности в фактическую проводку PCB конечное сопротивление на проводке называется характеристическим сопротивлением ZO. Чем шире диаметр провода, тем ближе он к источнику питания / земной линии или чем выше диэлектрическая константа изоляционного слоя, тем меньше сопротивление характеристик. Если сопротивление передающей линии и приемного конца не совпадает, окончательное стабильное состояние выходного сигнала тока и сигнала будет иным, что приведет к отражению сигнала на приемном конце, а затем отправке обратно в передатчик сигнала и повторному отражению. По мере уменьшения энергии амплитуда отраженного сигнала уменьшается, пока напряжение и ток сигнала не стабилизируются. Этот эффект называется осцилляцией, и колебания сигнала обычно появляются вдоль подъема и спуска сигнала.

Эффект линии передачи

На основе модели линии передачи, определенной выше, можно сделать вывод о том, что линия передачи будет иметь следующие последствия для общей конструкции схемы.

• Отраженные сигналы

• Ошибки задержки и времени

· Множественные пороговые значения логического уровня при перекрестном неправильном переключении

• Перевышение и падение

• Индукционный шум (или помехи)

• Излучение EMI

Отображаемый сигнал

Если линия не подключена должным образом (совпадение зажимов), импульсы сигнала от привода отражаются в приемнике, что приводит к непредвиденным последствиям искажения контура сигнала. Когда искажения очень заметны, они могут привести к различным ошибкам, которые могут привести к провалу дизайна. В то же время повышенная чувствительность искажения сигнала к шуму также может привести к сбоям в проектировании. Без должного учета вышесказанного EMI значительно возрастет, что не только повлияет на результаты проектирования, но и приведет к сбоям в системе в целом.

Основными причинами отраженных сигналов являются следующие: слишком длинная проводка; Несопоставимые конечные линии передачи, избыточная емкость или индуктивность и несоответствия импеданса.

Ошибки задержек и времени

Ошибки задержки сигнала и тайминга: сигнал остается неизменным в течение определенного периода времени, когда сигнал меняется между высокими и низкими порогами логического уровня. Чрезмерная задержка сигнала может привести к ошибкам времени и дисфункции устройства.

Проблемы обычно возникают, когда есть несколько приемников. Дизайнер схемы должен определить задержку времени в плохом случае, чтобы убедиться, что конструкция правильна. Причина задержки сигнала: драйвер перегружен и кабель слишком длинный.

Ошибка пересечения пороговых значений на нескольких логических уровнях

Во время скачкообразной перестройки частоты сигнал может несколько раз пересекать порог логического уровня, что приводит к этому типу ошибок. Погрешность многократного пересечения порога логического уровня является особой формой колебаний сигнала, то есть колебания сигнала происходят вблизи порога логического уровня, и многократное пересечение порога логического уровня может привести к логической дисфункции. Отраженные сигналы вызваны длинными проводами, непроницаемыми линиями передачи, чрезмерной емкостью или индуктивностью и рассогласованием сопротивлений.

Перевышение и снижение

Перевышение и падение происходят по двум причинам: слишком длинная линия или слишком быстрое изменение сигнала. Хотя большинство приемников элементов защищены диодами защиты входа, иногда эти уровни превышения могут превышать диапазон напряжения питания элемента, повреждая элемент.

Кроссталк

Кроссталк означает, что когда сигнал проходит через одну сигнальную линию, соответствующие сигналы будут индуцированы на соседних сигнальных линиях на плате PCB, которая называется кросссталк.

Чем ближе сигнальный кабель к наземному кабелю, тем больше расстояние между линиями и тем меньше генерируется сигнал перекрестного разговора. Асинхронные сигналы и часовые сигналы более склонны к перекрестному разговору. Поэтому способ устранения перекрестного разговора заключается в удалении сигнала перекрестного разговора или защите серьезно нарушенного сигнала.

Электромагнитное излучение

Электромагнитные помехи (ЭМИ), которые вызывают чрезмерное электромагнитное излучение и чувствительность к электромагнитному излучению. ЭМИ указывает, что когда цифровая система включена, она излучает электромагнитные волны в окружающую среду, тем самым мешая нормальной работе электронных устройств в окружающей среде. Основная причина заключается в том, что рабочая частота схемы слишком высока, а макет и проводка необоснованны. В настоящее время есть программные инструменты для моделирования EMI, но эмуляторы EMI очень дорогие, и сложно установить параметры моделирования и граничные условия, что непосредственно повлияет на точность и практическую возможность результатов моделирования. Обычная практика заключается в применении правил конструкции, контролирующих ЭМИ, к каждому звену конструкции, чтобы реализовать правило управления и управления в каждом звене конструкции.

Элементы высокоскоростного проектирования PCB: руководство по макету и проводке

Разумная компоновка и спецификация проводки предназначены для обеспечения целостности сигнала и предотвращения общих проблем EMI, таких как последовательные помехи, излучение и разрывы сопротивления. Следующие спецификации могут быть больше, чтобы избежать ряда проблем в высокоскоростном дизайне PCB.

1. Земельный слой, слой мощности и слой накладки: Убедитесь, что PCB, накладанная под высокоскоростной линией передачи, имеет равномерную землю и не пройдет через разрыв между землей и слоем мощности.

2.Характеристическое импеданс: в линии передачи должны применяться конкретные ширины выравнивания, чтобы обеспечить, что характерное импеданс и входное импеданс имеют конкретные значения на высокоскоростном взаимосоединении.

3.Расстояние линии передачи: поддерживайте адекватное расстояние между выравниваниями на ПХД для предотвращения значительного перекрестного разговора и обеспечения того, чтобы сигналы не превышали толерантность приемника к шуму.

Целостность электропитания: размещение слоя питания и заземления бок о бок, особенно части PDN, питающей высокоскоростные компоненты, чтобы предотвратить чрезмерные звонки.

5.Автобус и дифференциальная пара маршрутизации: принудить совпадения времени на параллельных автобусах и дифференциальных пар, чтобы обеспечить минимальное отклонение между критическими сигналами.

6.Размещение компонентов: Убедитесь, что критические высокоскоростные компоненты размещены в макете PCB, чтобы все критические сигналы могли быть маршрутизированы с минимальными переходами слоя.