PCB Blogu - Yönlendirme teknolojisi, gömülü PCB kartının bütünlüğünü iyileştirir

1. Giriş

Baskılı devre kartları, elektronik ürünlerdeki devre bileşenlerinin ve cihazların temel desteğidir ve tasarım kalitesi genellikle gömülü sistemlerin güvenilirliğini ve uyumluluğunu doğrudan etkiler. Geçmişte, bazı düşük hızlı devre kartlarında saat frekansı genellikle sadece 10 MHz civarındaydı. Devre kartı veya paket tasarımının ana zorluğu, çift katmanlı kart üzerindeki tüm sinyal hatlarının nasıl yönlendirileceği ve paketi bozmadan nasıl birleştirileceğiydi. Ara bağlantılar sistem performansını etkilemediği için ara bağlantıların elektriksel özellikleri kritik değildir. Bu anlamda sinyal düşük hız devre kartındaki ara bağlantı hatları engelsiz ve şeffaftır. Ancak gömülü sistemlerin gelişmesiyle birlikte kullanılan devreler temel olarak yüksek frekanslı devrelerdir. Saat frekansının artması nedeniyle, sinyalin yükselen kenarı da kısalır ve baskılı devrenin geçen sinyale kapasitif ve endüktif reaktansı, baskılı devrenin direncinden çok daha büyük olacaktır. sinyal. Gömülü sistemler için, saat frekansları 100 MHz'i aştığında veya yükselen kenarlar 1 ns'den az olduğunda sinyal bütünlüğü etkileri önemli hale gelir. Bu makale, yüksek hızlı sayısal devrelerde sinyal hatlarının gerçek elektriksel özelliklerinden yola çıkmakta, bir elektriksel karakteristik modeli kurmakta, sinyal bütünlüğünü etkileyen ana nedenleri ve problemlerin nasıl çözüleceğini bulmakta ve bu konuda dikkat edilmesi gereken problemleri vermektedir. kablolama ve izlenecek yöntemler ve beceriler.

2. Sinyal bütünlüğü

Genel olarak, sinyal bütünlüğünün şu anlamları içermesi gerektiği düşünülebilir: sinyalin dalga biçimi bozulması belirli bir aralıkta kontrol edilmelidir, sinyal akışının zamanlama diyagramı mantık gereksinimlerini karşılayabilir ve sinyal üretme ve iletme süreci patlama durumunda kararlı. Sinyal bütünlüğünün bozulması esas olarak iki nedenden kaynaklanmaktadır. İlk olarak, iletim kanalının empedans uyumsuzluğunun neden olduğu yansıma etkisi de dahil olmak üzere, özellikle iletim kanalının paraziti olmak üzere dış parazit nedeniyle, orijinal dalga biçimi yok edilir; ikinci olarak, dijital sinyal doğal olarak orijinal dalga biçimini değiştirerek bir spektral dağılım etkisi meydana gelir. Saat frekansı nispeten yüksek olduğunda, örneğin saat 10 MHz veya daha fazlasına ulaştığında veya darbenin kenar süresi 1ns veya altına ulaştığında, sinyali beklendiği yere almanın kolay olmadığını göreceğiz. Titreşim, gecikme, zemin sıçraması, yansımalar, karışma, anahtarlama gürültüsü, güç kaynağı uyumsuzluğu, zayıflama, darbe uzatma, zamanlama karışıklığı vb. dahil olmak üzere sinyal bütünlüğü sorunlarını etkileyen birçok faktör vardır. Sinyal bütünlüğü sorunları her zaman sinyalin tüm sürecini içerir. , bu nedenle sinyal bütünlüğü güvencesi, tüm sinyalin çalıştığı fiziksel ortamı gerektirir. Bunun için sinyal bütünlük sisteminin modellenmesi gerekmektedir. Sinyal bütünlük sistem modeli üç bölümden oluşmalıdır: tam sinyal kaynağı, sinyalin fiziksel koordinasyon kanalı ve sinyalin tam alımı. Üç bölümün ana içeriği aşağıdaki gibidir:

(1) Eksiksiz sinyal kaynağı: üretilen sinyalin bütünlüğünü sağlayın. Bunlara güç kaynağı garantisi, gürültü filtreleme, toprak potansiyeli, ortak mod ortadan kaldırılması, çıkış empedansı garantisi vb. dahildir.

(2) Sinyalin fiziksel koordinasyon kanalı: İletim sırasında sinyalin değişmediğinden emin olun. Bunlar şunları içerir: karışma, gecikmeler, kanal düşüşleri, yansımalar ve rezonanslar, bant genişliği, zayıflama, empedans kontrolü, devre bağlama ve daha fazlası.

(3) Eksiksiz sinyal alımı: bozulma olmadan yüksek verimli alım sağlayın. Bunlar şunları içerir: giriş empedansı eşleştirme, topraklama işleme, çok terminalli ağ karşılıklı empedansı, ayırma kapasitörleri, filtre kapasitörleri, giriş ağı sinyal dağıtımı ve sinyal koruma sorunları

2.1 Gecikme: Gecikme, sinyalin PCB kartının iletim hattında sınırlı bir hızda iletildiği anlamına gelir. Göndericiden alıcıya sinyal gönderilir ve arada bir iletim gecikmesi vardır. Sinyal gecikmelerinin sistemin zamanlaması üzerinde etkisi vardır; Yayılma gecikmeleri öncelikle telin uzunluğu ve teli çevreleyen ortamın dielektrik sabiti tarafından belirlenir. Yüksek hızlı bir dijital sistemde, sinyal iletim hattının uzunluğu, saat darbelerinin faz farkını etkileyen doğrudan bir faktördür. Saat darbelerinin faz farkı, aynı anda üretilen iki saat sinyalinin alıcı uca ulaştığı asenkron zamanı ifade eder. Saat darbesi faz farkı, sinyal kenarının varışının tahmin edilebilirliğini azaltır ve saat darbesi faz farkı çok büyükse, alıcı uçta hatalı bir sinyal üretecektir.

2.2 Yansıma: Yansıma, sinyalin sinyal hattındaki yankısıdır. Sinyal gecikme süresi, sinyal geçiş süresinden çok daha büyük olduğunda, sinyal hattı bir iletim hattı olarak kullanılmalıdır. İletim hattının karakteristik empedansı yük empedansı ile eşleşmediğinde, sinyal gücünün bir kısmı (voltaj veya akım) hatta iletilir ve yüke ulaşır, ancak bir kısmı yansıtılır. Yük empedansı orijinal empedanstan daha küçükse, yansıma negatiftir; aksi takdirde, yansıma olumludur. İz geometrisindeki varyasyonlar, yanlış kablo sonlandırması, konektörler aracılığıyla iletim ve güç düzlemi süreksizliklerinin tümü bu tür yansımalara neden olabilir.

2.3 Crosstalk: Crosstalk, iki sinyal hattı arasındaki bağlantı, sinyal hatları arasındaki karşılıklı endüktans ve karşılıklı kapasitans ve sinyal hattındaki gürültüdür. Kapasitif kuplaj kuplaj akımını indüklerken endüktif kuplaj kuplaj voltajını indükler. Parazit gürültüsü sinyal hatları arasındaki, sinyal sistemleri ile güç dağıtım sistemleri arasındaki ve yollar arasındaki elektromanyetik bağlantıdan kaynaklanır. Çapraz sarma, yanlış saatlere, kesintili veri hatalarına vb. neden olabilir ve bitişik sinyallerin iletim kalitesini etkileyebilir. Gerçekte, karışma tamamen ortadan kaldırılamaz, ancak sistemin tolere edebileceği aralık içinde kontrol edilebilir. PCB katmanının parametreleri, sinyal hatları arasındaki mesafe, sürücü ucun ve alıcı ucun elektriksel özellikleri ve temel sonlandırma yönteminin tümü, karışma üzerinde belirli bir etkiye sahiptir. Yüksek hızlı PCB kartlarını kablolarken, kablolama alanı küçükse veya kablo yoğunluğu yüksekse, karışma sorunu çok ciddidir ve bunun neden olduğu elektromanyetik parazit devrenin sinyalini ciddi şekilde etkileyecektir. Karışmayı azaltmak için, kablolama sırasında aşağıdaki önlemler alınabilir: karışmaya duyarlı sinyal hatlarını uygun şekilde sonlandırın ve empedans eşleşmesi yoluyla kuplaj kapasitansını azaltarak karışmayı azaltın.

2.4 Aşma ve aşma: Aşma, ayarlanan voltajı aşan bir tepe veya vadi değeridir. Yükselen kenar için voltajı ifade eder; düşen kenar için voltajı ifade eder. Azalma, bir sonraki vadi veya tepe noktasının ayarlanan voltajı aşmasıdır. Aşırı aşma, koruma diyotunun çalışmasına neden olarak erken arızalanmasına neden olabilir. Aşırı düşüklük, sahte saat veya veri hatalarına (yanlış işlemler) neden olabilir.

2.5 Salınım ve Çevresel Salınım: Salınım fenomeni, tekrarlanan aşmalar ve azalmalar. Sinyalin salınımı, düşük sönümlü duruma ait hat üzerindeki geçişin endüktansı ve kapasitansının neden olduğu salınımdır, çevreleyen salınım ise aşırı sönümlü duruma aittir. Salınım ve çevre salınımları, yansımalar gibi, birçok faktörden kaynaklanır ve salınımlar, uygun sonlandırma ile azaltılabilir, ancak tamamen ortadan kaldırılamaz. Zemin sıçrama gürültüsü ve geri dönüş gürültüsü: Devrede büyük bir akım dalgalanması olduğunda, zemin sıçrama gürültüsüne neden olur. Örneğin, çok sayıda çipin çıkışları aynı anda açıldığında, çip ile kart arasında büyük bir geçici akım olacaktır. Yonga paketinin ve güç düzleminin endüktansı ve direnci, gerçek toprak düzleminde voltaj dalgalanmalarına ve değişikliklere neden olacak güç kaynağı gürültüsüne neden olacak ve bu gürültü diğer bileşenlerin davranışını etkileyecektir. Yük kapasitansının artması, yük direncinin azalması, toprak endüktansının artması ve anahtarlama cihazlarının sayısının artması, zemin sıçramasının artmasına neden olacaktır.

3. İletim kanalının elektriksel özelliklerinin analizi

Çok katmanlı bir PCB kartında, iletim hatlarının çoğu yalnızca tek bir katman üzerinde düzenlenmemiştir, aynı zamanda birden çok katman üzerinde kademeli olarak düzenlenmiştir ve katmanlar, yollarla birbirine bağlanmıştır. Bu nedenle, çok katmanlı bir PCB kartında, tipik bir iletim kanalı esas olarak üç bölümden oluşur: iletim hattı, izleme köşesi ve geçiş deliği. Düşük frekans durumunda, basılı çizgiler ve izleme yolları, sinyal kalitesi üzerinde fazla bir etkisi olmayacak olan farklı cihazların pinlerini bağlayan sıradan elektrik bağlantıları olarak kabul edilebilir. Bununla birlikte, yüksek frekanslarda, izler, köşeler ve yollar sadece bağlantılarını değil, aynı zamanda elektriksel özelliklerinin ve parazitik parametrelerinin yüksek frekanslardaki etkisini de dikkate almalıdır.

4. Yüksek hızlı PCB kartlarında iletim hatlarının elektriksel özelliklerinin analizi

Yüksek hızlı PCB kartı tasarımında çok sayıda sinyal bağlantı hattı kullanılması kaçınılmazdır ve uzunlukları farklıdır. Bağlantı hattından geçen sinyalin gecikme süresi, sinyalin kendisinin değişim süresi ile karşılaştırıldığında göz ardı edilemez ve sinyal elektromanyetik dalgalar hızında iletilir. Yukarı akış iletimi için, şu anda bağlantı hattı, dağıtılmış bir parametre sistemi modeli, yani iletim hattı modeli tarafından tanımlanması gereken direnç, kapasitans ve endüktansa sahip karmaşık bir ağdır. Bir sinyalin bir uçtan diğer uca iletilmesi için kullanılan ve belirli uzunlukta 2 kablodan oluşan bir iletim hattı, birine sinyal yolu ve diğerine dönüş yolu denir. Düşük frekanslı devrelerde, iletim hatları tamamen dirençli elektriksel özellikler gibi davranır. Yüksek hızlı PCB kartlarında, iletim sinyalinin frekansı arttıkça teller arasındaki kapasitif empedans azalır ve teller üzerindeki endüktif empedans artar ve sinyal teli artık saf direnç gibi davranmaz, yani sinyal sadece tel üzerinden iletilmez, aynı zamanda iletkenler arasındaki ortamda da yayılır. Düzgün bir tel için, iletim hattının direnci R, parazitik endüktans L ve parazitik kapasitans C eşit olarak dağıtılır (yani, L1=L2=…=Ln; C1=C2=…=Cn+1) dış çevre değişikliğini dikkate almadan.

5. Yüksek hızlı PCB kartlarındaki viaların elektriksel özelliklerinin analizi

Via, genellikle baskılı devre kartındaki bir deliği ifade eder, çok katmanlı PCB kartlarının tasarımında önemli bir faktördür. Via'lar, eklenti bileşenlerinin sabit kurulumu veya katmanlar arasındaki ara bağlantı için kullanılabilir. Süreç açısından bakıldığında, yollar genellikle üç kategoriye ayrılır: kör yollar, gömülü yollar ve geçiş yolları. Kör delikler, baskılı devre kartının üst ve alt yüzeylerinde belirli bir derinlikte bulunur ve yüzey katman devresi ile alttaki iç katman devresinin bağlantısı için kullanılır. Deliğin derinliği ve çapı genellikle belirli bir oranı geçmez. Gömülü yollar, baskılı devre kartının iç katmanında bulunan ve devre kartının yüzeyine uzanmayan bağlantı deliklerine atıfta bulunur. Açık delikler tüm devre kartından geçer ve katmanlar arasındaki ara bağlantı için veya bileşenler için montaj delikleri olarak kullanılabilir. Açık deliğin süreç içinde gerçekleştirilmesi daha kolay olduğu ve maliyeti daha düşük olduğu için, genel baskılı devre kartı, diğer iki tür açık delik yerine açık deliği kullanır. Aşağıda belirtilen geçiş delikleri, geçiş delikleri olarak kabul edilir. Özel bir iletim hattı olarak, yollar sadece toprağa parazitik kapasitans değil, aynı zamanda yüksek hızlı devrelerde parazitik endüktans da üretir. Yolun parazitik kapasitansının devre üzerindeki etkisi esas olarak dijital sinyalin yükselen kenarını yavaşlatmak veya bozmak ve devrenin hızını azaltmaktır. Yolun parazit kapasitans değeri ne kadar küçükse, etki o kadar küçük olur. Parazitik endüktansın ana etkisi, güç kaynağı baypas kapasitörünün etkinliğini azaltmak ve tüm güç kaynağı filtreleme etkisini daha da kötüleştirmektir.

6. İletim hattı köşelerinin iletim kanalı sinyal bütünlüğü sorunlarına katkısı

PCB kartının yazdırılan çizgisi köşeden geçtiğinde, yazdırılan çizginin genişliğinin değişimi evet'tir ve yazdırılan çizginin karakteristik empedansı da değişir. Köşeden geçerken izin genişliği genişlediğinden, iz ile referans katmanı arasındaki kapasitans artar ve izin karakteristik empedansı azalır. Bu nedenle, yazdırılan çizginin köşesinde, sinyalin yazdırılan hatta yansımasına yol açan ve sinyal bütünlüğünü etkileyen karakteristik empedans süreksizliği vardır. Farklı geometrik şekillerdeki köşelerin yansıma ve iletim özelliklerinin karşılaştırılması: Ortak PCB kartı baskılı çizgi köşe geometrileri: Dik açılı köşeler, yuvarlatılmış köşeler, iç ve dış 45 derece eğimli köşeler ve 45 derece dış eğimli köşeler. Farklı geometrilerdeki izlerin köşelerinin yansıma ve iletim özellikleri farklıdır. Mükemmel iletim özelliklerinin sırası şu şekildedir: dik açı

7. Sinyal bütünlüğü sorunlarını bastırmak için kablolama tekniklerini kullanın

Sinyal sürücü kaynağından çıktığında, sinyali oluşturan akımlar ve gerilimler ara bağlantıyı bir empedans ağı olarak ele alır. Sinyal empedans ağı boyunca yayılırken, ara bağlantının neden olduğu geçici empedans değişikliklerini sürekli olarak yaşar. Sinyalin gördüğü empedans aynı kalırsa sinyal bozulmaz. Empedans değiştiğinde, sinyal değişime yansıtılır ve ara bağlantının geri kalanından geçerken bozulur. Empedans yeterince değişirse, bozulma yanlış tetiklemeye neden olabilir. Sinyal bütünlüğü optimizasyonu tasarım sürecinde, önemli bir tasarım hedefi, tüm ara bağlantı hatlarını tek tip iletim hatları olarak tasarlamak ve tüm ağdaki sinyallerin hissettiği empedans değişmeden kalacak şekilde tüm düzgün olmayan iletim hatlarının uzunluğunu azaltmaktır. . Buna dayanarak, sinyal bütünlüğü problemlerini bastırmak için bazı kablolama tekniklerini kullanma yöntemlerinin şu sonuca varılabilir: yazdırılan iletkenlerin iz şekli dolaşmamalı, dallanmamalı veya sert köşeler olmamalı, T-şekilli çizgilerden ve saplamalardan kaçınmaya çalışmalı; aynı ağ sinyal hattını korumaya çalışın. Çizgi genişliği, çizgi genişliği değişimini azaltın; iletim hattı uzunluğunu azaltın, tel genişliğini artırın; teller arasındaki mesafeyi artırmaya çalışın; yüksek hızlı sinyal hatlarının geçişlerini ve köşelerini azaltmaya çalışın ve sinyal hatlarının katmanlar arası dönüşümünü azaltın; makul yol boyutu seçimi; sinyal döngü alanını ve döngü akımını azaltın. Sonuç olarak, kesiti veya ağ geometrisini değiştiren herhangi bir özellik, sinyal tarafından görülen empedansı değiştirecektir. Kablolamada sinyal bütünlüğü problemlerini azaltmanın anahtarı, iletim hattındaki ani empedans değişimini azaltmak, böylece sinyalin tüm ağda yaşadığı empedansın değişmeden kalmasıdır. Kısacası, PCB kartının tasarımında, devre kartının sinyal bütünlüğü sorununu daha iyi çözmek için, bileşenlerin yerleşimini ve kablolarını ve her durumda kullanılması gereken sinyal bütünlüğü sorununa çözümünü entegre etmek gerekir. Baskılı devre kartı.

8. Sonuç

Günümüzün geniş gömülü sistemler uygulamasında, sinyal bütünlüğü, tüm PCB kartı tasarımının başarısını veya başarısızlığını etkileyen gömülü sistemlerin PCB kartı tasarımında son derece önemli bir içerik haline gelmiştir. Devre belirlendiğinde, bileşenler seçildiğinde ve PCB yerleşimi belirlendiğinde, sinyal bütünlüğü sorunlarının oluşmasını engellemek, PCB kartının güvenilirliğini artırmak ve sinyal bütünlüğü sorunlarından kaynaklanan kayıpları azaltmak için kablolama teknikleri kullanılabilir. Gömülü sistem PCB kartının yüksek frekans ortamından kaynaklanan sinyal bütünlüğü sorununu hedefleyen bu makale, makul kablolama ile bunu bastırmak için bir yöntem önermektedir. Çeşitli sinyal bütünlüğü olgusunun analizi ve iletim hatlarının, yolların ve köşelerin elektriksel özelliklerinin modellenmesi ve tanımlanması yoluyla, PCB kartı tasarımında kablolama becerilerini kullanarak sinyal bütünlüğünü geliştirmek için pratik referans değerine sahip bazı yöntemler sonuçlandırılmıştır.