PCB Teknik - Yüksek hızlı devre tasarımında sinyal integritet analizi

Sistem saat frekansı ve zamanın arttığı sürece sinyal bütünlük tasarımı daha da önemli olur. Maalesef, çoğu dijital devre tasarımcıları sinyal bütünlük sorunlarının önemini anlamıyor ya da tasarımın son aşamasına kadar fark etmezler.

Bu makale yüksek hızlı dijital donanım devrelerin tasarımında sinyal integritesinin etkisini tanıtıyor. Bu, özellikle imfaz kontrolü, terminal eşleşmesi, güç ve yeryüzü uçakları, sinyal yönlendirmesi ve karşılaştırma gibi sorunlar içeriyor. Bu bilgiyi gizlemek için bir dijital devre tasarımcısına devre tasarımının başlangıç sahnelerinde potansiyel sinyal integritet sorunlarını fark etmesine izin verir ve tasarımın tasarımın dizayn performansına sinyal integritet etkisini engellemesine de yardım edebilir.

Sinyal bütünlüğü her zaman donanım mühendislerinin gerekli tasarım deneyiminin biriydi, dijital devre tasarımında uzun süre ihmal edildi. Düşük hızlı mantıklı devre tasarımının döneminde, sinyal integritet ile ilgili problemler nadiren oluşur, sinyal integritet düşünüşünü etkileşimliliğin kaybı olarak kabul edilir. Ancak son yıllarda saat hızları ve yükselme zamanları arttığı sürece sinyal integritet analizinin ihtiyacı ve tasarımı da arttırdı. Maalesef, çoğu tasarımcılar fark etmedi ve hala tasarımdaki sinyal bütünlüğün sorunu nadiren düşünüyorlar.

Modern dijital devreler, GHz'e kadar frekanslara ulaşabilir ve 50 saniye kadar zamanı yükselebilir. Bu hızla, PCB tasarımın izlerindeki zayıflığı bir ayak bile olur. Sonuçları voltaj, gecikme ve arayüz sorunları sadece bu hatta sınırlı olmayacak, ancak bütün tahtaları ve Adjacent tahtalarını etkileyecek.

Bu sorun hibrid devrelerinde özellikle ciddi. Örneğin, dijital olarak analog sinyaller alınacak bir sistemde yüksek performans ADC olduğunu düşünün. ADC cihazının dijital çıkış limanında yayılan enerji analog giriş limanından 130dB (10, 000, 000, 000, 000 kere) kolayca ulaşabilir. ADC dijital limanında her ses. Tasarımdaki sinyal integritet gizemli bir süreç değil. Tasarımın başlangıç sahnelerindeki potansiyel sorunları fark etmek ve sonraki sahnelerde bunun sebebiyle ilgili sorunları etkilendirmek önemlidir. Bu makale, bütünlük sorunları ve onlarla nasıl uğraşacağını gösteriyor.

Sinyal bütünlüğünü kontrol edin:

1. Isolasyon

PCB tahtasındaki komponentler farklı sınır hızları ve çeşitli ses farklılıkları vardır. SI'yi geliştirmenin en doğrudan yolu, PCB'deki komponentlerin fiziksel izolasyonunu, aygıtın sınır değerine ve hassasiyetliğine dayanarak ulaşmak. Aşağıdaki şekilde bir örnek. Örneğinde, elektrik temsili, dijital I/O portları ve yüksek hızlı mantıklı, saat ve veri dönüştürme devreleri için yüksek riskli devreler, özellikle düşünülecektir. İlk düzende, saat ve veri dönüştürücülerini sesli cihaza yakın yerleştirin. Ses duyarlı devrelere çift olacak ve performanslarını azaltacak. İkinci düzende etkileyici devre izolasyonu sistem tasarımının sinyal bütünlüğüne fayda verecek.

2. Etkileyici, yansıtma ve terminal eşleştirmesi

Yüksek hızlı devre tasarımında etkileyici kontrol ve terminal eşleşmesi temel sorunlar. Genelde radyo frekansı devreleri her devre tasarımının en önemli kısmı olarak kabul edilir, fakat bazı dijital devreler radyo frekansından daha yüksek frekans tasarlıyor, impedans ve terminal eşleşmesini unutmuyor.

Dijital devreler üzerinde birkaç ölümcül etkisi var. İmparatorluğu aşağıdaki şekilde görün:

a. Dijital sinyal alıcı cihazının girişi ve yayınlama cihazının çıkışı arasında yansıtmaları sebep olacak. Yükselmiş sinyal geri döndürülür ve sonunda tamamen sarılana kadar çizginin her iki tarafında yayılır.

b. Yönlendirilmiş sinyal transmis çizgisinden geçen sinyalin çalınması etkisini sağlar ve çalınması voltaj, sinyal gecikmesini ve sinyalin tamamen kötüleşmesini etkiler.

c. Eşleşmiş sinyal yolları ortama sinyal radyasyonu neden olabilir.

İmparatorluk uygulaması nedeniyle neden olan sorun dirençleri sonlandırarak küçük olabilir. Sonlandırma dirençleri genelde alınan sonuna yakın sinyal çizgisine yerleştirilmiş bir ya da iki diskret komponenti. Basit bir yöntem, seride küçük bir dirençte bağlanmak.

Terminal dirençliği sinyal artma zamanını sınırlar ve yansıtılmış enerjinin bir parçasını sarsır. İmparans eşleşmesinin kullanımı tamamen yok edemeyeceğini fark etmeye değer. Ancak, uygun cihazı dikkatli seçerek terminal impedansı sinyalin bütünlüğünü etkili olarak kontrol edebilir.

Tüm sinyal çizgilerin, kompakt PCI özelliklerinin özellikleri gibi, impedance ve terminal impedance özelliklerine ihtiyacı yok.

Özellikle ilgilenmeyen diğer standartlar ve tasarımcılar için imkansız kontrol özellikleri gerekmez. Son standart bir uygulamadan diğerine değişebilir. Bu yüzden, sinyal çizginin uzunluğu (Td'in bağlantısı ve gecikmesi) ve sinyal yükselmesi zamanı (Tr) düşünmeli. impedance kontrolünün genel kuralı, Td (gecikme) Tr'in 1/6'dan daha büyük olması.

3. İç elektrik katı ve iç elektrik katı bölümü

Şimdiki döngü tasarımında dijital devre tasarımcıları tarafından görmezden gelen faktörler, iki kapı devrelerin arasındaki tek sonlu sinyaller iletişimini (aşağıdaki şekilde gösterilen şekilde) düşünüyor. A kapıdan B kapıya dönüştü, sonra yeryüzünden A kapıya döndü.

Yukarıdaki resmde iki potansiyel sorun olacak:

a. A ve B noktaları arasındaki yeryüzü düşük impedans yolundan bağlanmalı. Yer uçakları arasında büyük bir impedans bağlantısı olursa, yeryüzü uça ğı çatlarının arasında voltaj arka akışı olacak. Bu kesinlikle tüm aygıtların genişliğinin sinyal bozulmasına ve giriş sesinin üstünlüğüne sebep olacak.

b. Şimdiki dönüş dönüşünün alanı mümkün olduğunca küçük olmalı. Çeviri bir anten gibidir. Genellikle konuşurken, büyük bir döngü alanı döngü radyasyonu ve davranışı şansını arttıracak. Her devre tasarımcısı, dönüş akışının sinyal çizgisinin doğrudan yolunda olabileceğini umuyor, böylece en küçük dönüş alanı.

Büyük bölge topraklarını kullanarak iki problemi aynı zamanda çözebilir. Büyük bölge yerleştirmesi tüm yerleştirme noktaları arasında küçük bir impedans sağlayabilir, ve dönüş akışının mümkün olduğunca doğrudan sinyal çizgisinde dönmesine izin verir.

PCB tasarımcıları arasında ortak bir hata yeryüzünde vial ve yerleştirmek. Aşa ğıdaki çizgi, sinyal çizgi bir geoelektrik katmanın üzerinde olduğunda ağımdaki akışın yönünü gösterir. Bu dönüş akışı boşaltmaya zorlanacak. Bu kesinlikle büyük bir dönüş dönüşü oluşturacak.

Genelde konuşurken, yerde güç uçağına yerleştirmek mümkün değil. Ancak bazı durumlarda yerleştirme imkansız olduğunda, PCB tasarımcısı ilk defa sinyal dönüşünün geçmediğinden emin olmalı. Aynı kurallar karışık sinyal devrelerine uyuyor.

PCB tahtasında çoklu toprak uçakları kullanılmazsa. Özellikle yüksek performans ADC devrelerinde, analog sinyali, dijital sinyali ve saat devrelerini etkili olarak sinyaller arasındaki araştırmaları azaltmak için kullanılabilir. Tekrar emphasize edilmeli ki, bazı zamanlarda sloting edilemez olduğu yerde PCB tasarımcısı ilk defa sinyal dönüşünün geçmediğinden emin olmalı.

Aşa ğı farklı bir ayna katı içinde, dikkat dağıtma alanının (aşağıdaki şekilde gösterilen) bölgesine de verilmesi gerekiyor. Tahtanın kenarında, elektrik uçak katmanının yeryüzündeki uçak katmanın radyasyon etkisi var. Kıyıdan elektromagnetik enerji sızdırılması yakın tahtalara zarar verecek. Aşa ğıdaki bir şekilde görün. Güç uçak katmanının b ölgesini düzenleyin (a şağıdaki b çizgisini görün), böylece yeryüzü uçak katmanı belirli bir bölgede kapatır. Bu, yakın tahtalara elektromagnetik sızdırma etkisini azaltır.

4. Sinyal düzenlemesi

Sinyal integritesini sağlamak için en önemli şey sinyal hatlarının fiziksel düzenlemesi.PCB tasarımcıları sık sık çalışma basıncısı altında, tasarımı en kısa zamanda tamamlamak için değil de sinyalin bütünlüğünü sağlamak için. Mümkün sorunlar ve sinyaller arasındaki boşluk nasıl dengelenmesini bilmek sistem tasarımının sürecini tercih eder. Yüksek hızlı akışı sinyal çizgilerinde kesilmeyi etkili olarak halledemez. Sinyal kesiminin problemi en büyük ihtimalle a şağıdaki bir şekilde oluşacak. Düşük hızlı devrelerde, genelde sinyal kesintiyi düşünmek gerekmez, ama hızlı devrelerde bu mesele düşünmeli. Bu yüzden devre tasarımında ve aşağıdaki figürde b/c olarak gösterilen metodu kullanarak sinyalin devamlığını etkili olarak garanti edilebilir.

Yüksek hızlı devre tasarımında sinyal sürücüyle ortak bir sorun var. Eğer özel bir sebep yoksa, tüm kısa sürücü mümkün olduğunca yok edilmeli. Yüksek frekans devre tasarımında, kısa sürücü sinyal çizgileri uygulaması nedeniyle radyasyon gibidir.

Yüksek hızlı devre dizaynının rotasyonunda farklı çift rotasyonuna özel dikkat vermelidir. Farklı çift iki tamamen uyumlu sinyal çizgileri tarafından kullanılır. Farklı çift gürültü müdahalesinden kaçıp S/N hızını geliştirebilir. Fakat farklı çift sinyal çizgisinin özellikle düzenleme için yüksek ihtiyaçları var:

1. İki kablo, kabloya ulaşabildiği kadar yakın olmalı;

2. İki çizginin uzunluğu tam olarak aynı olmalı;

Birlikte ayarlanmayan iki cihaz arasındaki farklı çift sinyal çizgileri doğru yola yönlendirmek anahtar sorunudur.

Yukarıdaki resimde, iki sinyal çizginin uzunluğuna göre, kesin bir riskler olacak. Doğru düzenleme yukarıdaki b figüründe gösterilen yolu kullanmalı. Farklı çift uçağındaki genel kural, iki sinyal çizgisini eşit bir şekilde uzatmak ve birbirine yaklaşmak.

5. Çoklu konuşma

PCB tasarımında, karışık konuşma dikkatine değerli başka bir sorun. Aşa ğıdaki figur, PCB'de üç yakın paralel sinyal çizgilerin arasındaki karışık konuşma alanını ve bağlı elektromagnet alanını gösterir. Sinyal çizgilerin arasındaki aralık çok küçük olduğunda sinyal çizgilerin arasındaki elektromagnet bölgeleri birbirine etkileyecek ve sinyal düşürmesine sebep olacak, bu da karışık konuşma.

Çapraz konuşması sinyal çizgi uzayını artırarak çözülebilir. Ancak, PCB tasarımcıları genelde daha sıkı sürücü uzay ve kısa sinyal çizgi uzay tarafından sınırlanır; Çünkü tasarımda daha fazla seçenek yok, tasarımda bazı karışık konuşma sorunlarını tanıtmak imkansız. Belli ki, PCB tasarımcıları karışık konuşma sorunlarını yönetmesi gerekiyor. Yıllar boyunca güvenilir yer için çok önemli kural yayınlandı. Sanayinde genel tanınan bir kural 3W kuralıdır, yani yakın sinyal çizgileri arasındaki mesafe en az 3 kat sinyal çizginin genişliğinde olmalı. Ancak, praksideki kabul edilebilir sinyal hattı uzağı gerçek uygulama, çalışma çevresinde ve tasarlama düzenlemesi gibi faktörlere bağlı. Sinyal hattı boşluğu bir durumdan diğerine değişir ve her sefere hesaplanır. Bu yüzden, karışık konuşma sorunları boşa çıkamazsa, karışık konuşması ölçülemeli. Bu bilgisayar simülasyon teknolojisi tarafından temsil edilebilir. Simülatörü kullanarak tasarımcı sinyal bütünlük etkisini belirleyebilir ve sistemin karışık konuşma etkisini tahmin edebilir.

6. Güç ayrılması

Elektrik çözümleme şimdi dijital devre tasarımında standart bir pratik. Burada düşündürmek güç çizgilerinde gürültü sorunlarını azaltmaya yardımcı olacak. Temiz bir güç temizliği yüksek performans devresini tasarlamak için gerekli. Elektrik temsilinde yüksek frekans sesi her yakın dijital cihazı için sorun yaratacak. Tipik gürültü yeryüzü sıçramalardan, sinyal radyasyon ya da dijital aygıtlardan gelir. Elektrik tasarımı çözmenin en kolay yolu, yerde yüksek frekans sesini çözmek için kapasitörleri kullanmak. Ideal çözümleme kapasitörü yüksek frekans sesi için yere düşük impedans yolunu sağlar, bu yüzden güç sağlaması sesini yok ediyor. Gerçek uygulamalar üzerinde tabanlı kapasiteleri çözümleme seçin. Çoğu tasarımcılar güç sağlaması için mümkün olduğunca yakın yüzeysel dağıtma kapasitelerini seçecekler ve tahmin edilebilir güç sağlaması için yere düşük dirençlik yolu sağlamak için kapasitenin değeri yeterince büyük olmalı. Problem genelde kapasiteleri çözümlendirmek için karşılaştı. Kapacitörleri çözümlendirmek basit kapasitör olarak kabul edilemez. Birçok durum var:

a. Kapacitör paketlemesi parasitik etkilendirilecek;

b. Kapacitörler birkaç ekvivalent dirençleri getirecekler;

c. Elektrik tasarımının ve dekorasyon kapasitörünün arasındaki kablo eşit bir etkinlik getirecek;

d. Yer topu ve toprak uçağı arasındaki kablo eşit bir etkinlik getirecek; bunun sebebi olan etkisi:

a. Kapacitörler özel frekanslar üzerinde rezonans etkisini sağlayacak ve sonucu a ğ impedansı, yakın frekans bandlarında sinyaller üzerinde daha büyük etkisi olacak;

b. Eğer eşit dirençlik (ESR) de yüksek hızlı ses ayırmasıyla oluşturduğu düşük dirençlik yolunu etkileyecek;

Dijital tasarımcısına sahip olduğu etkinin kopyasını belirliyor:

a. Cihazdaki Vcc ve GND pinlerinden çizilmiş ipuçlar küçük induktor olarak tedavi edilmeli. Bu yüzden, Vcc ve GND tasarımın mümkün olduğunca kısa ve kalın olması tavsiye edildi.

b. ESR etkisi düşük olan bir kapasitör seçin, bu da enerji tesisinin çözümlenmesine yardım ediyor;

c. Küçük paket kapasitelerini seçmek paket etkinliğini azaltır. Aygıtı küçük bir paketle değiştirmek sıcaklık özelliklerinde değiştirilecek. Bu yüzden, küçük bir paket kapasitesini seçtikten sonra tasarımdaki cihazın düzenlemesi ayarlanmalıdır.

Tasarımda, Y5V kapasitörleri ile X7R kapasitörlerini değiştirmek daha küçük bir paket ve daha düşük ekvivalent etkileyici sağlayabilir, ama aynı zamanda yüksek sıcaklık özelliklerini sağlamak için daha fazla aygıt maliyeti daha yüksek olacak.

Tasarımda, büyük kapasitet kapasiteleriyle düşük frekans gürültüsünün ayrılması da düşünmeli. Aynı elektrolik kapasitelerini ve tantalum kapasitelerini kullanmak cihazın maliyeti etkinliğini geliştirebilir.

7. Toplantı:

Sinyal bütünlük yüksek hızlı dijital devrelerin tasarımında en önemli sorunlardan biridir; Dijital devre tasarımında sinyal integritesini sağlamak için bazı öneriler var:

a. Ses komponentlerinden fiziksel olarak özel hassas komponentler;

b. etkileyici kontrol, refleks ve sinyal terminal uygulaması;

c. sürekli güç ve toprak uçak katmanlarını kullanın;

d. Dönüşte doğru açıları kullanmayı engellemeye çalışın;

e. Farklı çiftin sürücü uzunluğu e şittir;

f. Hızlı devrelerin tasarımı üzerinde Crosstalk düşünmeli;

g. Elektrik tasarımı çözümleme problemi;

Dijital devre tasarımındaki problemlerin iyi bir anlaması devre tasarımının başlangıçta mümkün olduğunca devre tasarımında dijital devre tasarımcılarına yardım edebilir.