Технология PCB - Высокоскоростная технология проектирования помех DSP PCB

В последние годы, с быстрым развитием новых технологий и новых устройств, высокоскоростные устройства становятся все более популярными, высокоскоростной дизайн схем стал широко необходимой технологией. Чипы TI DSP TMS320C62xx, C64xx и C67xx являются одними из быстрорастущих высокоскоростных устройств. Внутренняя структура C6000 - это серия с фиксированной точкой и плавающей запятой, совместимая с DsP, текущая основная частота процессора 100 МГц, - 4i00 МГц. Благодаря ядру архитектуры VelociTITM Advanced Super - Long Direction (VLIW) восемь 32 - разрядных команд могут выполняться параллельно в течение одного командного цикла. Благодаря своей высокоскоростной вычислительной мощности он широко используется в областях связи, электронной войны, радиолокации, обработки изображений и других областях, требующих более высоких интеллектуальных и высокоскоростных возможностей обработки.

По мере того, как чип интегрируется все больше и больше выводов, упаковка устройств постоянно меняется, от DIP до OSOP, от SOP до PQFP и от PQFP до BGA. Устройства серии TMS320C6000 упакованы в BGA. В применении схемы упаковка BGA имеет характеристики высокой скорости успеха, низкой скорости восстановления и высокой надежности, применение становится все более распространенным. Однако, поскольку упаковка BGA относится к упаковке пластырей с сферической решеткой, физическая реализация системы в разработке, то есть конструкция на уровне пластины, включает в себя множество высокоскоростных технологий проектирования цифровых схем. Шумовые помехи являются основным фактором в высокоскоростных системах. Радиация и конфликты происходят в высокочастотных схемах, в то время как звонки, отражения и последовательные помехи происходят с более быстрой граничной скоростью. Без учета особенностей высокоскоростной компоновки сигнала и проводки проектная плата не будет работать должным образом. Таким образом, успех проектирования PCB - платы является очень важной частью процесса проектирования схемы DSP.

1 Эффект линий электропередач

1.1 Целостность сигнала

Целостность сигнала в основном включает отражение, звонок, отскок от заземления и последовательные помехи. Линии на PCB - панели могут быть эквивалентны последовательной и параллельной конденсаторам, сопротивлениям и индуктивным структурам, показанным на рисунке 1. Типичное значение последовательного сопротивления составляет 0.25D / R - 4). 55DJft, значение шунтирующего сопротивления обычно очень высокое. Когда паразитное сопротивление, емкость и индуктивность добавляются к фактическому соединению PCB, конечное сопротивление на соединении называется характеристическим сопротивлением zo.

Если сопротивление линии передачи не соответствует сопротивлению приемного конца, это приведет к отражению и колебанию сигнала.

эквивалентная схема проводки PCB

Геометрия проводки, неправильное соединение концов, передача через разъем и разрыв плоскости питания вызывают отражение. Когда сигналы меняются по горизонтали вверх и вниз, возникает чрезмерный удар и удар вниз. Они могут мгновенно производить заусенцы выше или ниже стабильного уровня, что может легко повредить устройство. Звонки и окружающие колебания сигнала вызваны соответственно неправильной индуктивностью и емкостью на линии. Кольца могут быть уменьшены с помощью соответствующих оконечных соединений.

Когда в цепи появляется большой поток электричества, это приводит к отскоку заземления. Если через плоскость мощности чипа и пластины протекает большой переходный ток, паразитная индуктивность и сопротивление между упаковкой чипа и плоскостью мощности вызовет шум мощности. Последовательные помехи - это проблема связи между двумя сигнальными линиями. Взаимодополняемость и взаимная совместимость сигнальных линий создает шум на линии. Конденсаторная связь приводит к току связи, а индуктивная связь приводит к напряжению связи. Параметры слоя PCB, расстояние между сигнальными линиями, электрические характеристики привода и приемника и способ соединения линии оказывают определенное влияние на последовательные помехи.

1.2 Решения

Для решения общих проблем необходимо принять ряд мер:

Мощный слой не ограничивает направление тока, и обратная линия может следовать по пути сопротивления вблизи линии сигнала. Это может привести к электрической петле, которая будет методом высокоскоростной системы. Однако слой мощности не устраняет линейный шум и не обращает внимания на путь распределения мощности, и все системы создают шум и вызывают ошибки. Поэтому необходимы специальные фильтры, которые реализуются шунтирующими конденсаторами. Как правило, конденсаторы от lshrimp до lOp.F размещаются на входном конце питания пластины, в то время как конденсаторы от 0.01p.F до центра U0.1 помещаются между источником питания и заземлением каждого активного устройства на панели. Поточная емкость действует как фильтр, который размещает большую емкость (10aF) на входе питания, создавая низкочастотный (60 Гц) шум за пределами пластины, а шум, создаваемый активными устройствами на пластине, составляет 100 МГц или выше гармоники. Поточная емкость, помещенная между каждым чипом, обычно намного меньше, чем у входа питания, размещенного на панели.

По опыту, если вы смешиваете аналоговые и цифровые компоненты в дизайне, разделите PCB на аналоговые и цифровые, аналоговые устройства на аналоговые, цифровые устройства на цифровые и межрегиональные преобразователи a / D. Симуляционные и цифровые сигналы развертываются в их соответствующих областях, чтобы гарантировать, что обратный ток цифрового сигнала не течет в землю аналогового сигнала.

Обход и развязка предотвращают переход энергии из одного контура в другой. Необходимо рассмотреть три области кольца, а именно: слой питания, нижний слой, компоненты и внутреннее подключение к источнику питания. Максимальное увеличение ширины источника питания и наземной линии означает, что линия земли шире линии электропитания. Отношения между ними: заземление > линия электропитания > линия сигнала. Обычно ширина сигнальной линии составляет O.2 - O.3 мм, а более тонкая ширина может составлять 0,05 "-" 0,7 мм, линия питания - 1,2 "-" 2,5n 'Lrfl. В качестве заземления используется большая медная проволока. Подключите неиспользуемое место к земле на печатной доске в качестве заземления. Или можно сделать многослойную пластину, один слой для источника питания, а другой слой для наземной линии. Настройка керамического конденсатора с центром 0,01 для каждого чипа ИС. Если печатная плата имеет небольшое пространство и не может быть установлена, танталовый электролитический конденсатор может быть настроен на 1 - 10 чипов каждые 4 - 10 чипов. Устройство имеет небольшое высокочастотное сопротивление, сопротивление меньше lQ в диапазоне 500 кI - Iz - 20 МГц и ток утечки очень мал (ниже O.5LLA). Конденсаторы развязки должны быть установлены вблизи интегральных схем, чтобы сократить площадь конденсаторных проводов и переходных токовых схем, особенно высокочастотных шунтирующих конденсаторов.

Когда система работает на частоте 50 МГц, возникают проблемы с эффектом линии передачи и целостностью сигнала, а традиционные меры могут дать удовлетворительные результаты. Когда системные часы достигают 120 МГц, необходимо учитывать знания о проектировании высокоскоростных схем, иначе ПХБ, разработанные традиционными методами, не будут работать должным образом. Таким образом, высокоскоростная конструкция схемы PCB стала технологией проектирования, которую должны освоить разработчики электронных систем.

2 Технология проектирования высокоскоростных сигнальных схем PCB

2.1 Высокоскоростные сигнальные линии

Многослойные пластины необходимы для высокоскоростной проводки сигналов и являются эффективным средством уменьшения помех. Уменьшить размер печатной платы, в полной мере использовать средний слой, чтобы установить экран, для достижения плотного заземления, эффективно снизить паразитную индуктивность, сократить длину передачи сигнала, уменьшить перекрестные помехи между сигналами и т. Д. Все это способствует надежности высокоскоростных схем. Данные показывают, что при сборе того же материала на 8 - м Национальном симпозиуме по радиоэлектронным и электромагнитным импульсам уровень шума в четырехслойной панели был на 20 дБ ниже, чем в двухслойной панели. Чем меньше изгибов в проводе, тем лучше. Использование полной прямой линии требует перехода. 45 - градусный ломаный или дуговой переход может быть использован для уменьшения внешней передачи и связи высокоскоростного сигнала и уменьшения излучения и отражения сигнала.

Чем короче провод между выводами высокоскоростных устройств, тем лучше. Чем длиннее длина провода, тем больше распределенная индуктивность и емкость, что приведет к отражению, колебаниям и т. Д. в высокоскоростных схемных системах. Чем меньше чередования между проводами между выводами высокоскоростных схем, тем лучше, то есть чем меньше отверстий используется при соединении элементов. По оценкам, сквозные отверстия могут принести распределенную емкость около 0,5 pF, что значительно увеличивает задержку цепи. При проводке высокоскоростных схем следует обратить внимание на « перекрестные помеха», вводимые близкими параллельными маршрутами сигнальных линий. Если невозможно избежать параллельного распределения, можно разместить большую площадь « земле» на обратной стороне параллельной сигнальной линии, чтобы уменьшить помехи. В двух соседних слоях направления прямых должны быть перпендикулярны друг другу.

Для особо важных сигнальных линий или локальных ячеек применяется корпус заземления. В то время, когда сигналы часов, высокоскоростные аналоговые сигналы и другие не мешающие сигналы перемещаются, защищенные исходные линии могут быть добавлены к периферии, а защищенные сигнальные кабели зажаты посередине. Все виды сигнальных линий не могут образовывать контуры, а наземные линии не могут образовывать электрические контуры. Если будет создана цепь проводки контура, это вызовет большое количество помех в системе. Использование цепной проводки хризантемы * может эффективно избежать кольцевой проводки при проводке. Рядом с каждым блоком IC должен быть установлен один или несколько высокочастотных развязывающих конденсаторов. Когда аналоговые и цифровые наземные линии соединяются с общими земляными линиями, используются высокочастотные дроссели. Некоторые высокоскоростные сигнальные линии должны обрабатываться специально: дифференциальные сигналы требуют, чтобы они были на одном уровне и как можно ближе к параллельным линиям, и не позволяют вставлять какие - либо сигналы между дифференциальными сигнальными линиями и требуют равной длины.

Высокоскоростная сигнальная проводка должна по возможности избегать образования ветвей или пней. Высокочастотные сигнальные линии могут легко генерировать большее электромагнитное излучение при ходьбе по поверхности. Проводя высокочастотные сигнальные линии между источником питания и проводами и поглощая электромагнитные волны через источник питания и нижний слой, излучение будет значительно уменьшено.

2.2 Высокоскоростные тактовые линии

Часовые схемы играют важную роль в цифровых схемах. C64xDSP является частью платформы C6000 с высокой скоростью обработки. Высокоскоростные часы C64xDSP могут достигать 1,1 ГГц, что в 10 раз больше, чем у ранних C62xDSP. Таким образом, в будущем при разработке современных электронных систем на основе DSP требования к проводке часов будут расти. Приоритет отдается высокоскоростным часовым сигнальным линиям, как правило, при проводке, необходимо отдавать приоритет основным часовым сигнальным линиям системы. Высокоскоростная часовая линия сигнала имеет высокую частоту, которая требует, чтобы линия была как можно короче, чтобы гарантировать искажение сигнала.

Высокочастотные часы особенно чувствительны к шумовым помехам. Для уменьшения помех необходимо обеспечить защиту и защиту высокочастотных часовых линий.

Высокочастотные часы (часы с частотой выше 20 МГц или со скоростью подъема менее 5 ns) должны быть защищены от земной линии шириной линии не менее 10 rail и шириной линии не менее 20 миль. Защитный конец линии высокочастотной сигнализации должен быть хорошо связан с землей через отверстие и соединен с землей примерно каждые 5e. Сторона передачи часов должна быть последовательно соединена с демпфирующим сопротивлением около 22 - 220Q. Маршрутизация высокоскоростных часовых сигналов, насколько это возможно, спроектирована на одном и том же уровне и не имеет других источников помех и маршрутов вокруг высокоскоростных часовых сигнальных линий. Для высокочастотных часовых соединений рекомендуется использовать звездообразное соединение или соединение точка - точка. Т - соединение должно обеспечивать, чтобы рука выглядела одинаково, минимизируя избыточные Ls, и медь должна использоваться под кристаллическим генератором или чипом часов для предотвращения помех. Избегайте помех от сигнальных шумов, вызванных этими линиями.

В высокоскоростной сигнальной проводке и высокоскоростной часовой проводке требуется меньше LL и меньше ветвей во время проводки, чтобы избежать остатков и отражения сигнала и пересечения. Воздействие сквозных отверстий и остатков (Stub) в высокоскоростных ПХБ отражается не только на воздействии на сигнал, но и на изменении сопротивления проводника. Однако влияние отверстий и пней на сопротивление часто упускается из виду дизайнерами.

Выберите разумный размер отверстия. Например, для PCB - конструкций с 4 - 10 слоями наиболее распространенным вариантом является 10mil / 20mil (бурение / сварочный диск) или 16mil / 30mil. Для некоторых небольших ПХБ высокой плотности также могут использоваться отверстия 8mil / 18mm. Рассмотрим возможность использования большего размера для снижения сопротивления линии электропитания или наземного канала. Подключите источник питания и заземление к отверстию. Чем короче провод между выводами и отверстиями, тем лучше. В то же время вывод источника питания и заземления должен быть как можно толще, чтобы уменьшить сопротивление.

Системные чипы высокой плотности инкапсулируются в BGA или COB, а расстояние между выводами уменьшается. Расстояние между шарами ниже O.6 мм и будет продолжать уменьшаться, так что сигнальные линии инкапсулятора не могут быть нарисованы с помощью традиционных инструментов проводки. На восьмом Национальном симпозиуме по радиоэлектронным и электромагнитным импульсам (249) в настоящее время есть два способа решения этой проблемы: (1) построение сигнальных линий с нижних слоев через отверстия под шаром; (2) В шаровой сеточной решетке можно найти выход, используя очень тонкую проводку и свободную угловую проводку. Для таких устройств с высокой плотностью BGA или COB проводка с очень небольшой шириной и пространством является единственным жизнеспособным вариантом. Только таким образом можно обеспечить высокую производительность и надежность, а также соответствие требованиям высокоскоростного проектирования.

2.3 Конструкция сварных дисков в корпусе BGA

С развитием технологии упаковки устройств относительные размеры упаковки устройств становятся все меньше и меньше. Устройства серии TMS320C6000 имеют до 352 выводов, так как BGA находится в непосредственной близости друг от друга, а отверстие находится в непосредственной близости от выводов, что создает большую индуктивность. Он также вреден для высокоскоростных сигналов, поэтому, когда BGA рассеивается, старайтесь использовать меньшие отверстия. Существует корреляция между размером диска BGA и расстоянием между ступнями BGA, но не может быть больше диаметра шара BGA, как правило, около 1 / 10 - 1 / 5. отверстия в диске BGA и сварочный диск на поверхности элемента должны быть заблокированы и покрыты зеленым маслом. Для сварки BGA другие компоненты не появляются в окружающем 2era.

Выводы

Цифровой сигнальный процессор - это обработка сигналов. С популяризацией высокочастотных устройств плотность печатных плат увеличивается, а помехи увеличиваются, а улучшение качества сигнала ставится на первое место в дизайне. Дизайн высокоскоростной DSP PCB - платы является очень сложным процессом. При проектировании высокоскоростных схем необходимо учитывать несколько факторов, которые соответствуют друг другу. Если высокоскоростные устройства расположены близко друг к другу, задержка может быть уменьшена, но могут возникнуть последовательные помехи и значительные тепловые эффекты. Также парадоксально, что высокоскоростные сигналы должны быть как можно более внутренними проводами, а перфорации должно быть меньше. Поэтому при проектировании нам необходимо учитывать все благоприятные факторы для полного проектирования схемы.

Только таким образом можно спроектировать высококачественную плату PCB с сильной помехоустойчивостью, стабильной производительностью и высокой производительностью в реальном времени.