Công nghệ vi sóng - Cân nhắc thiết kế bố trí PCB tần số cao và mật độ cao

Các thiết bị hiện tại đang hướng tới tốc độ cao, tiêu thụ điện năng thấp, kích thước nhỏ và khả năng chống nhiễu cao. Thiết kế PCB là một giai đoạn quan trọng trong thiết kế sản phẩm điện tử. Nó cho phép kết nối và chức năng giữa các thành phần điện tử và cũng là một phần quan trọng của thiết kế mạch điện. Các mạch tần số cao có mức độ tích hợp cao hơn và mật độ bố trí cao hơn, vì vậy điều quan trọng là làm thế nào để bố trí các bo mạch chủ mật độ cao tốc độ cao hợp lý và khoa học hơn.

Cân nhắc thiết kế bố trí PCB tốc độ cao

Khi thiết kế sơ đồ điện, nhiều bảng mô-đun chức năng nên được sử dụng theo yêu cầu cấu trúc và phân chia chức năng và kích thước vật lý và phương pháp lắp đặt của mỗi bảng chức năng PCB được xác định. Sự tiện lợi của việc vận hành và bảo trì, che chắn, tản nhiệt và hiệu suất EMI cũng nên được xem xét.

Khi lập kế hoạch bố trí, bạn cần xác định sơ đồ bố trí, chẳng hạn như mạch chính, đường tín hiệu, chi tiết về phương pháp định tuyến và các nguyên tắc định tuyến cần tuân theo. Thông qua kiểm tra, phân tích và sửa đổi một số bước trong quá trình thiết kế PCB. Không có vấn đề gì khi kiểm tra các quy tắc toàn diện trước khi thiết kế thêm sau khi toàn bộ quá trình bố trí hoàn tất.

Về thiết kế bố trí PCB đa lớp:

Các mạch tần số cao thường được tích hợp cao và có thiết kế dây mật độ cao. Do đó, việc sử dụng các tấm nhiều lớp chủ yếu là một phương tiện cần thiết và hiệu quả để giảm nhiễu. Trong giai đoạn bố trí PCB, cần phải lập kế hoạch hợp lý về kích thước và số lớp của bảng mạch để sử dụng đầy đủ các lớp giữa để thiết kế, không chỉ có thể xử lý đất, giảm hiệu quả cảm ký sinh, rút ngắn chiều dài truyền tín hiệu, mà còn có thể giảm đáng kể các yếu tố như tín hiệu. Các ưu điểm như nhiễu chéo, các phương pháp trên có lợi cho thiết kế độ tin cậy của mạch tần số cao. Ngay cả khi sử dụng cùng một tấm, tiếng ồn của bảng bốn lớp thấp hơn 20dB so với bảng hai lớp. Tuy nhiên, có một vấn đề là càng nhiều lớp PCB, quy trình sản xuất càng phức tạp và chi phí càng cao. Điều này đòi hỏi rằng trong bố trí PCB, ngoài việc chọn số lượng lớp PCB phù hợp, bố trí thành phần hợp lý nên được thực hiện. Lập kế hoạch và sử dụng các quy tắc cáp thích hợp để hoàn thành thiết kế.

Thiết kế xung quanh bố trí PCB nhiều lớp, giải thích tám điểm sau:

Thiết kế bố trí PCB nhiều lớp

1. Ít dây dẫn chéo giữa các chân giữa các lớp mạch tần số cao hơn là tốt hơn.

Điều này có nghĩa là càng ít Via được sử dụng trong kết nối của bạn thì càng tốt. Lý do là Via có thể mang lại điện dung phân phối 0,5pF, giảm số lượng Via có thể cải thiện tốc độ phản hồi và giảm khả năng lỗi dữ liệu.

2. Dây dẫn ngắn hơn giữa các chân mạch HF càng tốt.

Cường độ bức xạ của tín hiệu tỷ lệ thuận với chiều dài dây của đường tín hiệu. Dây tín hiệu tần số cao càng dài thì càng dễ kết nối với thiết bị của nó. Do đó, đối với các dây tín hiệu tần số cao như đồng hồ tín hiệu, bộ dao động tinh thể, dữ liệu DDR, LVDS, USB và HDMI, chiều dài dây ngắn hơn là tốt hơn và nếu có không gian, cần phải đóng gói.

3. Trong các thiết bị điện tử tần số cao, độ cong dây giữa các chân càng nhỏ càng tốt.

Dây dẫn tần số cao tốt nhất là sử dụng đường thẳng. Nếu bạn cần uốn cong, bạn có thể sử dụng cáp 45 độ hoặc cáp cong. Yêu cầu này chỉ được sử dụng để tăng cường độ kết hợp của lá đồng trong các mạch tần số thấp, nơi đáp ứng yêu cầu này có thể làm giảm sự phản xạ và nhiễu ghép nối giữa các tín hiệu tần số cao.

4. Chú ý đến "nhiễu xuyên âm" được giới thiệu bởi dây song song và đường tín hiệu gần.

Đối với định tuyến mạch tần số cao, cần chú ý đến "nhiễu xuyên âm" được giới thiệu bởi các đường tín hiệu song song gần. Crosstalk đề cập đến hiện tượng ghép nối giữa các đường tín hiệu không được kết nối trực tiếp. Vì tín hiệu tần số cao được truyền dọc theo đường truyền dưới dạng sóng điện từ, đường tín hiệu sẽ hoạt động như ăng ten và năng lượng từ trường điện từ sẽ được phát ra xung quanh đường truyền. Do sự kết hợp của trường điện từ, các tín hiệu nhiễu không mong muốn giữa các tín hiệu được gọi là nhiễu xuyên âm. Các thông số của lớp PCB, khoảng cách giữa các đường tín hiệu, các đặc tính điện của các thiết bị đầu cuối truyền và nhận và cách các đường tín hiệu được kết nối đều có ảnh hưởng nhất định đến nhiễu xuyên âm. Vì vậy,

(1) Nếu có nhiễu xuyên âm nghiêm trọng giữa hai dây, dây nối đất hoặc mặt phẳng nối đất có thể được chèn giữa hai dây nếu không gian dây cho phép, điều này có thể đóng vai trò cách ly và giảm nhiễu xuyên âm.

(2) Khi không gian xung quanh đường tín hiệu có trường điện từ thay đổi, nếu không thể tránh được sự phân bố song song, một khu vực rộng lớn của "đường đất" có thể được thiết lập ở phía bên kia của đường tín hiệu song song, có thể làm giảm đáng kể nhiễu.

(3) Có thể tăng không gian giữa các đường tín hiệu liền kề và giảm chiều dài song song của các đường tín hiệu với điều kiện đủ không gian dây. Đường đồng hồ phải vuông góc với đường tín hiệu phím thay vì song song.

(4) Nếu các đường song song trong cùng một lớp là gần như không thể tránh khỏi, thì chúng phải vuông góc với nhau trong các lớp liền kề.

(5) Trong mạch kỹ thuật số, tín hiệu đồng hồ thông thường là một tín hiệu thay đổi cạnh nhanh chóng, nhiễu xuyên âm bên ngoài rất lớn. Do đó, trong thiết kế, nên nối đất đường đồng hồ và để lại nhiều không gian hơn cho đường đất để giảm điện dung phân phối và do đó ít nhiễu xuyên âm.

(6) Đồng hồ tín hiệu tần số cao nên sử dụng tín hiệu đồng hồ vi sai điện áp thấp bất cứ khi nào có thể và chú ý đến tính toàn vẹn của lỗ thủng.

(7) Không treo chân trống, nhưng nối đất hoặc kết nối nguồn điện, vì dây treo có thể tương đương với ăng ten phát, nối đất sẽ ức chế phát, v.v.

5. Dây mặt đất tín hiệu kỹ thuật số tần số cao và dây mặt đất tín hiệu tương tự nên được cách ly.

Khi kết nối dây mặt đất tương tự, dây mặt đất kỹ thuật số, v.v. với dây mặt đất chung, hãy sử dụng các hạt chặn tần số cao để kết nối hoặc cách ly trực tiếp và chọn kết nối một điểm thích hợp. Tín hiệu kỹ thuật số tần số cao của điện thế nối đất của dây nối đất không nhất quán, giữa hai tín hiệu này tồn tại sự khác biệt điện áp DC, dây nối đất tín hiệu kỹ thuật số tần số cao thường chứa rất nhiều. Khi kết nối trực tiếp với tín hiệu kỹ thuật số, tín hiệu tần số cao nối đất với tín hiệu thành phần hài hòa và tín hiệu tương tự nối đất. Sóng hài tín hiệu tần số cao sẽ được ghép nối với nhiễu tín hiệu analog bằng cách nối đất. Do đó, trong điều kiện bình thường, dây mặt đất của tín hiệu kỹ thuật số tần số cao và dây mặt đất của tín hiệu tương tự nên được cách ly để tránh nhiễu xuyên âm giữa dây mặt đất kỹ thuật số và dây mặt đất tương tự.

6. Tăng điện dung tách rời tần số cao của chân nguồn mô-đun IC.

Thêm tụ tách tần số cao gần chân nguồn của mỗi mô-đun IC. Tăng điện dung tách rời tần số cao của chân nguồn mô-đun IC, có thể ức chế hiệu quả sự can thiệp của sóng hài tần số cao vào chân nguồn.

7. Tránh vòng lặp trong khi nối dây.

Khi nối dây, các tín hiệu tần số cao khác nhau không nên tạo thành vòng lặp. Nếu không thể tránh khỏi, khu vực vòng lặp phải càng nhỏ càng tốt.

8. Tín hiệu chính phải đảm bảo các yêu cầu phù hợp trở kháng.

Trong quá trình truyền, khi trở kháng không phù hợp, tín hiệu sẽ được phản xạ trong kênh truyền dẫn, điều này sẽ dẫn đến tín hiệu tổng hợp vượt quá, khiến tín hiệu dao động gần ngưỡng logic. Cách cơ bản để loại bỏ phản xạ là phù hợp tốt với trở kháng của tín hiệu truyền. Do sự khác biệt lớn giữa trở kháng tải và trở kháng đặc trưng của đường truyền và phản xạ, trở kháng đặc trưng của đường truyền tín hiệu phải bằng tải và trở kháng càng nhiều càng tốt. Cũng cần lưu ý rằng đường truyền trên PCB không thể đột ngột thay đổi hoặc rẽ, và giữ trở kháng giữa các điểm của đường truyền càng liên tục càng tốt, nếu không sẽ có phản xạ giữa mỗi đoạn của đường truyền. Khi thực hiện định tuyến PCB tốc độ cao, bạn cần tuân theo các quy tắc định tuyến sau:

(1) Quy tắc định tuyến LVDS. Tín hiệu LVDS yêu cầu định tuyến khác biệt với chiều rộng đường 7 mils và khoảng cách đường 6 mils.

(2) Quy tắc dây USB. Đường phân phối khác biệt yêu cầu tín hiệu USB, chiều rộng đường dây là 10ml, khoảng cách đường dây là 6mil, khoảng cách đường dây mặt đất và tín hiệu là 4mil;

(3) Quy tắc cáp HDMI. Cần có đường phân phối chênh lệch tín hiệu HDMI với chiều rộng đường 10ml, khoảng cách đường 6mil và khoảng cách giữa hai nhóm tín hiệu chênh lệch HDM1 là hơn 20mil.

(4) Quy tắc dây DDR. Hệ thống dây DDR yêu cầu tín hiệu càng không bị thủng càng tốt. Các đường tín hiệu có cùng chiều rộng và các đường được đặt cách nhau bằng nhau. Hệ thống dây điện phải tuân thủ nguyên tắc 3W để giảm nhiễu xuyên âm giữa các tín hiệu.

Giảm nhiễu xuyên âm giữa các tín hiệu

Ngoài các phương pháp thiết kế được mô tả ở trên, tín hiệu tần số cao dễ bị bức xạ điện từ lớn hơn khi được định tuyến. Các kỹ sư nên cố gắng tránh các nhánh tín hiệu tốc độ cao hoặc dây gốc cây khi định tuyến PCB. Nếu dây tín hiệu tần số cao được kết nối giữa nguồn điện và mặt đất, bức xạ được tạo ra bởi nguồn điện và sóng điện từ hấp thụ bởi lớp dưới cùng sẽ giảm đáng kể. Nói tóm lại, các mạch tần số cao thường có mức độ tích hợp cao và mật độ dây cao. Việc sử dụng các tấm nhiều lớp là một phương tiện cần thiết và hiệu quả để giảm nhiễu. Trong giai đoạn bố trí PCB, kích thước của một lớp nhất định của bảng mạch in nên được lựa chọn hợp lý và sử dụng đầy đủ lớp trung gian để thiết lập lá chắn, tốt hơn để đạt được bề mặt gần mặt đất.