Технология PCB - как повысить целостность сигнала встроенной системы печатных плат

По мере развития электронной техники все больше и больше сфер будут применяться встраиваемые системы. Во многих случаях люди больше не рассматривают функции и производительность, но надёжность и совместимость. Тогда "важным вопросом" стало то, как улучшить целостность сигнала на печатной плате встраиваемой системы с помощью технологии разводки.

Хорошо известно, что PCB (Printed Circuit Board) является основной опорой элементов цепи в электронной продукции и что качество конструкции часто непосредственно влияет на надежность и совместимость встроенных систем. в прошлом в некоторых низкоскоростных схемах частота часов обычно составляла около 10 МГц. Основная задача проектирования платы или упаковки заключается в том, чтобы установить все линии сигнализации на двухслойной доске и не повредить упаковке в процессе сборки.

Since the interconnection line never affects system performance, электрические характеристики межсоединений не важны. в this sense, гладкая и прозрачная линия межсоединений в схеме малой скорости сигнала. However, развитие встроенной системы, Используемая схема в основном высокочастотная. As the clock frequency increases, уменьшение подъёма сигнала, А емкость и индуктивность печатных схем к проходному сигналу значительно превысят сопротивление самой печатной схемы, что серьезно скажется на целостности сигнала. встроенная система, when the clock frequency exceeds 100 MHz or the rising edge is less than 1 ns, эффект полноты сигнала становится очень важным.

В печатной плате сигнальная линия является основным носителем передачи сигнала, и прокладка сигнальной линии будет напрямую определять превосходство передачи сигнала, что напрямую повлияет на производительность всей встраиваемой системы. Необоснованная разводка приведет к различным проблемам целостности сигнала, временной селекции, шумам и электромагнитным помехам (EMI) в схеме, что серьезно повлияет на производительность встраиваемой системы. В связи с этим данная статья начинается с фактических электрических характеристик сигнальных линий в высокоскоростных цифровых схемах, моделирования электрических характеристик, выявления основных причин, влияющих на целостность сигнала, и решения проблем, уделения внимания проблемам в разводке, а также методологии и технике. 

целостность сигнала

Целостность сигнала - это масса сигнала сигнальной линии, то есть способность сигнала реагировать в схеме с правильной тактовой частотой и уровнем напряжения. Сигнал с хорошей целостностью сигнала означает, что он имеет то, что должно быть достигнуто при необходимости Значение уровня напряжения. Различия в целостности сигнала вызваны не одним фактором, а множеством факторов при проектировании на уровне платы. Проблема целостности сигнала отражается многими способами, включая задержку, рефлекс, перекрестные наводки, перегрузки, осцилляции, отскок от земли.

Задержка: задержка означает, что сигнал передается на линии передачи на панели PCB с ограниченной скоростью. В течение этого периода существовала задержка с передачей сигнала с конца отправления на конец приема. задержка сигнала влияет на время вставки; задержка передачи зависит главным образом от длины провода и диэлектрической проницаемости среды вокруг провода. в высокоскоростной цифровой системе длина линии передачи сигнала является самым непосредственным фактором, влияющим на фазовое отклонение тактовых импульсов. разность фаз тактовых импульсов означает время, в течение которого два тактовых сигнала одновременно генерируются, когда они достигают принимающего конца. разность фаз тактовых импульсов снижает предсказуемость приближения края сигнала. Если разница фаз тактовых импульсов будет слишком большой, принимающий конец будет генерировать неправильный сигнал.

рефлекс: рефлекс - это эхо сигнала на линии сигнала. в тех случаях, когда задержка сигнала значительно превышает переходный период сигнала, сигнальная линия должна использоваться в качестве линии передачи. когда характеристическое сопротивление линии передачи не совпадает с импедансом нагрузки, часть сигнальной мощности (напряжение или ток) передается в линию и достигает нагрузки, но часть сигнальной мощности отражается. если сопротивление нагрузки меньше первоначального сопротивления, то рефлекс отрицательный; В противном случае, реакция будет положительной. Такое отражение может быть вызвано изменением геометрии соединения, неправильным соединением конца, передачей через разъем и разрывом в панели питания.

Перекрестные помехи: Перекрестные помехи - это связь между двумя сигнальными линиями, взаимная индуктивность и емкость между сигнальными линиями создает шум в сигнальной линии. Емкостная связь вызывает ток связи, напряжение связи. Перекрестные помехи возникают из-за электромагнитной связи между сетями сигнальных проводов, между сигнальными и распределительными системами, а также между виалами. Перекрестные помехи могут привести к ошибкам синхронизации, прерывистым ошибкам данных, сортировке. которые могут повлиять на качество передачи соседних сигналов. на самом деле, перекрестные помехи не могут быть полностью устранены, но ими можно управлять в пределах досягаемости системы. Параметры слоя печатной платы, расстояние между сигнальными линиями, электрические характеристики ведущего конца и принимающего конца, и окончание базовой линии имеет определенное влияние на последовательное возмущение.

Перегрузка и недогрузка: Перегрузка - это первое значение пика или долины, превышающее заданное напряжение. За край подъема это означает наибольшее напряжение; для падающих краев это минимальное напряжение. Перегрузка означает, что следующее долинное или пиковое значение превышает установленное напряжение. Перенапряжение может привести к работе защитных диодов, что приведет к их преждевременному выходу из строя. Чрезмерное занижение может вызвать ложные ошибки синхронизации или данных (неправильная работа).

колебания и кольцевые колебания: явление колебаний - это повторяющееся перенапряжение и отставание. сигнальные колебания являются колебаниями, вызываемыми индуктивностью и ёмкостью перехода линии, и относятся к недодемпфированным состояниям, а окружающие - к чрезмерно демпфированным состояниям. колебания и окружающие колебания также вызваны такими факторами, как отражение. колебания могут быть уменьшены путем соответствующего прекращения, но они не могут быть полностью устранены.

заземляющий отскок шума и обратный шум: когда в цепи большой поток тока, он может вызвать отскок заземления шум. например, когда выход большого количества чипов одновременно включен, между чипом и платы будет большой переходный ток. Если поток в плоскости мощности протекает, то индуктивность и сопротивление, установленные на кристалле и на уровне мощности, вызывают шум мощности, что приводит к колебаниям напряжения и изменениям напряжения в фактически прилегающих слоях, и этот шум влияет на движение других компонентов. увеличение емкости нагрузки, уменьшение сопротивления нагрузки, увеличение индуктивности заземления и увеличение количества переключателей ведут к повышению отскока заземления.

анализ электрических характеристик канала передачи

В многослойной печатной плате большинство линий передачи не только расположены на одном уровне, но и переплетаются на разных уровнях, и каждый уровень соединен через проходы. поэтому в многослойной печатной плате типичный канал передачи состоит из трех частей: линии передачи, угла включения и прохода. на низкой частоте печатные линии и проходы можно рассматривать как обычные электрические соединения для подключения контактов различных устройств, что не сильно влияет на качество сигнала. Однако в случае высоких частот печатные линии, углы и проходные отверстия следует рассматривать не только с точки зрения их связности, но и учитывать их влияние на электрические и паразитные характеристики на высоких частотах.

Анализ электрических характеристик линий передачи в печатной плате высокой скорости

При проектировании высокоскоростных печатных плат неизбежно использование большого количества сигнальных линий связи, причем их длина различна. время задержки прохождения сигнала по соединительной линии нельзя игнорировать по сравнению со временем изменения самого сигнала. Сигнал проходит по соединительной линии со скоростью электромагнитных волн. Используемая для передачи, соединительная линия в это время представляет собой сложную сеть с сопротивлением, емкостью и индуктивностью, Необходимо описать модель системы с распределенными параметрами, то есть модель линии передачи.

линия передачи используется для передачи сигнала с одного конца на другой. Она состоит из двух проводов с определенной длиной, одна из которых называется сигнальным маршрутом, а другая - траекторией возвращения. в низкочастотной цепи характеристики линии передачи проявляются в электрических свойствах чистого сопротивления. в А, с увеличением частоты сигнала передачи, уменьшается емкостное сопротивление между проводами, увеличивается индуктивное сопротивление проводов. сигнальная линия больше не будет просто чистым сопротивлением, то есть сигнал будет не только передаваться по проводам, но и распространяться в среде между проводниками. если частота сигнала будет увеличиваться, когда j × 13730л > R, 1 / (j ­ 137а ­ C) < для однородных проводов, независимо от внешних изменений, линия передачи равномерно распределена между сопротивлением R, паразитной индуктивностью L и паразитной емкостью C (т.е. L1 = L2 = – Омега = Ln; C1 = C2 = – Омега = Cn + 1).