Технология PCB - Решения для проектирования параллельных шин и создания помех в высокочастотных приложениях

В современном электронном дизайне конструкция PCB имеет решающее значение, а шины служат ключевым каналом связи между различными устройствами, обеспечивая основу для производительности и эффективности проектирования PCB. В этой статье подробно рассматриваются характеристики, преимущества и недостатки параллельных и последовательных шин в высокоскоростном проектировании PCB, чтобы помочь инженерам - дизайнерам лучше понять и выбрать подходящий тип шины.

Шина - это общий физический путь связи между двумя или более устройствами, набор сигнальных линий и общий канал связи между несколькими компонентами для передачи информации между ними. В соответствии с режимом работы шины имеют два основных типа: параллельные шины и последовательные шины.

Параллельные шины предназначены для одновременной передачи нескольких битов данных. Эта структура шины похожа на просторную дорогу, которая может вместить несколько транспортных средств одновременно и часто используется для более требовательных ситуаций передачи данных. Преимущество параллельных шин заключается в том, что данные передаются быстро, так как они могут передавать несколько сигналов одновременно. Тем не менее, по мере увеличения скорости передачи данных возникают проблемы целостности сигнала и помех. Для соединения параллельной шины требуется больше сигнальных линий, что приводит к увеличению сложности проектирования, и в высокочастотных операциях нельзя игнорировать проблемы последовательных помех и задержек между сигналами.

В отличие от параллельных шин, последовательные шины передают данные один за другим в битовом порядке. Последовательные сигналы обычно используют меньше сигнальных линий, что делает проводку более простой и ясной. Поскольку для передачи данных требуется только один или несколько проводов, последовательные шины особенно важны для уменьшения пространства, занимаемого PCB, и снижения сложности готовой продукции.

Последовательные шины обычно более устойчивы к помехам, особенно при использовании дифференциальных сигналов, где каждая пара дифференциальных линий состоит из положительных и отрицательных полюсов, что повышает целостность сигнала. Хотя последовательные шины передают меньше битов на единицу времени, более высокие скорости передачи данных могут быть достигнуты за счет использования более высоких скоростей распространения.

Параллельные шины подходят для приложений, требующих высокой пропускной способности и низкой задержки. Общие приложения включают передачу данных внутри компьютера и подключение к высокопроизводительным периферийным устройствам, таким как графические карты. Параллельные шины могут одновременно передавать несколько битов данных, что дает им значительные преимущества при обработке больших объемов данных. Например, традиционные компьютерные шины, такие как PCI и PCIe, используют параллелизм для быстрой передачи данных. Тем не менее, на высоких рабочих частотах могут возникать серьезные помехи между параллельными линиями сигнала, поэтому разработчики должны учитывать поддержание целостности сигнала и управление помехами при использовании параллельных шин. Надлежащие технологии проводки и регулирования сигналов могут эффективно уменьшить последствия этих проблем.

Последовательные шины лучше справляются с передачей данных на большие расстояния и крупномасштабным обменом данными, чем параллельные шины. Последовательная шинная проводка проста и недорога и является одним из основных вариантов современной связи. Приложения включают в себя различные стандарты интерфейса, такие как I2C, SPI и USB, которые широко используются для подключения между датчиками, микроконтроллерами и другими периферийными устройствами. Конструкция последовательной шины дает ей преимущество с точки зрения помехоустойчивости, что делает ее пригодной для среды с серьезными электромагнитными помехами. Например, шины CAN являются протоколами последовательной связи, часто используемыми в автомобильных и промышленных приложениях, и их мощные механизмы обнаружения ошибок и резервирования обеспечивают надежную передачу данных в сложных условиях.

Передача данных может осуществляться только один раз, как узкая дорога, по которой может ходить только один автомобиль. Данные должны передаваться один за другим и выглядеть как длинная строка данных, поэтому их называют « последовательными».

Лучшим примером параллельной передачи является чип памяти DDR. Он имеет набор линий данных D0 - D7, а также DQS и DQM. Эта линия передается вместе. Независимо от того, в каком бите есть ошибка, данные не передаются правильно. Только повторная передача. Поэтому каждый кабель линии передачи данных должен быть одинаковой длиной и должен быть запутан несколько раз.

Последовательные данные различны. Данные передаются один за другим, и между битами нет связи. Этот бит не содержит ошибок и не может передать следующий бит. Параллельные данные - это набор данных, один из которых ошибается, и весь набор данных не будет работать.

Требования к проводке PCB

Требования к параллельной шине:

(1) Рекомендуется, чтобы шины были лучше внутренних проводов, а расстояние между шиной и другими проводами должно быть как можно больше.

(2) В дополнение к специальным требованиям, однопроводное проектное сопротивление гарантирует 50 Ом, дифференциальное проектное сопротивление гарантирует 100 Ом.

(3) Рекомендуется, чтобы одна и та же группа шин имела одинаковую длину проводки и следовала определенному временному порядку с часовой линией и контролировала длину проводки со ссылкой на сильные результаты анализа временных рядов.

(4) Рекомендуется как можно ближе к источнику питания I / O или опорной плоскости GND для этой группы шин, чтобы обеспечить целостность опорной плоскости.

(5) Для шины, время подъема которой меньше 1ns, требуется полная опорная плоскость, и она не должна пересекать разделы.

(6) Рекомендуется, чтобы шины с более низким адресом ссылались на требования к проводке часов.

(7) Расстояние между линиями змеевидной обмотки не должно быть меньше 3 - кратной ширины линии.

Требования к высокоскоростной последовательной шине PCB

Для последовательных шин с частотой более 100 Мбит / с в дополнение к общим правилам управления помехами и проводки для параллельных шин при проектировании проводки необходимо учитывать некоторые дополнительные требования:

(1) Высокоскоростная последовательная шина PCB должна учитывать потери проводки и определять ширину и длину линии.

(2) Рекомендуется при нормальных условиях ширина провода не менее 5 миль, провода должны быть как можно короче.

(3) За исключением вентиляционного отверстия, высокоскоростная последовательная шина не должна быть перфорирована и заменена.

(4) Если в последовательной шине задействована скорость вставки выводов выше 3125 Гбит / с, то следует оптимизировать сварочный диск, чтобы уменьшить радиационное воздействие, вызванное разрывным сопротивлением.

(5) Рекомендуется при замене слоя проводки высокоскоростной последовательной шины выбрать слой проводки с наименьшим коротким сечением сквозного отверстия. Для сигналов соединителя, когда пространство проводки ограничено, слой проводки с коротким сечением с коротким отверстием отдает приоритет передающему концу.

(6) Рекомендуется сверлить заземляющее отверстие рядом с сигнальным пробоином при скорости 3125 Гбит / с или выше, а конденсаторы с переменной связью также должны быть подвергнуты специальной обработке для защиты от сварных дисков.

(7) Если высокоскоростные сигнальные отверстия обрабатываются с помощью обратного бурения, необходимо учитывать влияние уменьшения мощности тока на плоскости заземления источника питания после сужения узкого места потока и повышения индуктивности кольцевой цепи фильтра.

(8) Высокоскоростные сигналы избегают линии разделения плоского слоя, а горизонтальное расстояние между краем линии сигнала и краем линии разделения гарантируется на уровне 3 Вт.

(9) Двусторонние высокоскоростные сигналы не должны пересекаться и маршрутизироваться.