Công nghệ PCB - Đường dẫn trở lại PCB mạch tốc độ cao

1. Khái niệm cơ bản của PCB reflow

Trong sơ đồ mạch kỹ thuật số PCB, tín hiệu kỹ thuật số được truyền từ cổng logic này sang cổng logic khác. Tín hiệu được gửi qua dây dẫn từ đầu ra đến đầu nhận. Nó dường như chảy theo một hướng. Nhiều kỹ sư kỹ thuật số tin rằng đường dẫn mạch không quan trọng. Rốt cuộc, cả trình điều khiển và máy thu đều được chỉ định là thiết bị chế độ điện áp, vậy tại sao phải xem xét dòng điện.

Trên thực tế, lý thuyết mạch cơ bản cho chúng ta biết rằng tín hiệu được truyền qua dòng điện. Cụ thể, đó là chuyển động của các electron. Một đặc điểm của dòng electron là các electron không bao giờ dừng lại ở bất cứ đâu. Bất cứ nơi nào dòng điện đi, chúng phải quay trở lại. Do đó, dòng điện luôn chảy trong mạch và bất kỳ tín hiệu nào trong mạch đều tồn tại dưới dạng vòng kín. Đối với truyền tín hiệu tần số cao, nó thực sự là quá trình sạc một tụ điện trung bình bị kẹp giữa đường truyền và lớp DC.

2. Ảnh hưởng của PCB reflow

Các mạch kỹ thuật số thường dựa vào mặt đất và mặt phẳng nguồn điện để hoàn thành dòng chảy ngược. Tín hiệu tần số cao và tín hiệu tần số thấp có đường trở lại khác nhau. Đối với tín hiệu tần số thấp trở lại, chọn con đường có trở kháng thấp nhất và đối với tín hiệu tần số cao trở lại, chọn con đường có độ tự cảm thấp nhất.

Khi dòng điện bắt đầu từ trình điều khiển tín hiệu, chảy qua đường tín hiệu và được tiêm vào đầu nhận tín hiệu, luôn có dòng chảy ngược theo hướng ngược lại: bắt đầu từ chân nối đất của tải, đi qua mặt phẳng đồng, chảy đến nguồn tín hiệu và sau đó chảy qua. Dòng điện trên đường tín hiệu tạo thành một vòng kín. Tần số tiếng ồn gây ra bởi dòng điện chạy qua mặt phẳng đồng bằng với tần số tín hiệu. Tần số tín hiệu càng cao, tần số tiếng ồn càng cao. Cổng logic không phản ứng với tín hiệu đầu vào tuyệt đối, mà là sự khác biệt giữa tín hiệu đầu vào và chân tham chiếu. Mạch đầu cuối một điểm phản ứng với sự khác biệt giữa tín hiệu đầu vào và mặt phẳng tham chiếu hợp lý của nó, do đó sự can thiệp vào mặt phẳng tham chiếu mặt đất cũng quan trọng như sự can thiệp vào đường dẫn tín hiệu.

Cổng logic đáp ứng các chân đầu vào và các chân tham chiếu được chỉ định, chúng tôi không biết cái nào là chân tham chiếu được chỉ định (đối với TTL, thường là nguồn điện âm, đối với ECL, thường là nguồn điện dương, nhưng không phải tất cả). Đối với tính năng này, Khả năng chống nhiễu của tín hiệu vi sai có tác động tốt đến tiếng ồn nảy trên mặt đất và độ trượt của mặt phẳng công suất.

Khi nhiều tín hiệu kỹ thuật số trên bo mạch PCB được chuyển đổi đồng bộ (chẳng hạn như bus dữ liệu CPU, bus địa chỉ, v.v.), do sự hiện diện của dây nguồn và dây mặt đất, điều này gây ra dòng tải tạm thời từ nguồn điện vào mạch hoặc từ mạch đến dây mặt đất. Trở kháng tạo ra tiếng ồn chuyển đổi đồng bộ (SSN), Và tiếng ồn bật ngược mặt đất (được gọi là bật ngược mặt đất) cũng sẽ xuất hiện trên đường mặt đất. Khi khu vực xung quanh của dây nguồn và dây nối đất trên tấm in lớn hơn, chúng cũng có năng lượng bức xạ lớn hơn. Vì vậy, chúng tôi đã phân tích trạng thái chuyển đổi của chip kỹ thuật số và thực hiện các bước để kiểm soát chế độ quay trở lại để giảm diện tích xung quanh. Diện tích, mục đích là phóng xạ tối thiểu.

IC1 là đầu ra tín hiệu, IC2 là đầu vào tín hiệu (để đơn giản hóa mô hình PCB, giả sử đầu tiếp nhận chứa điện trở hạ lưu), và lớp thứ ba là hình thành. Cả IC1 và IC2 đều được nối đất từ mặt phẳng nối đất thứ ba. Ở góc trên bên phải của lớp TOP là một mặt phẳng nguồn được kết nối với cực dương của nguồn điện. C1 và C2 là các tụ tách rời của IC1 và IC2. Nguồn điện và chân nối đất của chip được hiển thị trong hình là nguồn điện và mặt đất của đầu gửi và nhận tín hiệu.

Ở tần số thấp, nếu thiết bị đầu cuối S1 xuất ra mức cao, toàn bộ vòng lặp hiện tại là nguồn được kết nối với mặt phẳng nguồn VCC bằng dây dẫn, sau đó vào IC1 qua đường màu cam, sau đó ra khỏi thiết bị đầu cuối S1 và vào IC2 qua thiết bị đầu cuối R1 qua lớp thứ hai của dây dẫn. Sau đó đi vào lớp GND và trở lại cực âm của nguồn qua đường dẫn màu đỏ.

Ở tần số cao, đặc tính phân phối của PCB có thể ảnh hưởng lớn đến tín hiệu PCB. Echo mặt đất mà chúng ta thường nói đến là một vấn đề thường gặp trong tín hiệu tần số cao. Khi dòng điện trong đường tín hiệu tăng từ S1 lên R1, từ trường bên ngoài thay đổi nhanh chóng, tạo ra dòng điện ngược trong dây dẫn gần đó. Nếu mặt đất của tầng thứ ba là mặt đất hoàn chỉnh, thì dòng điện được chỉ ra bởi các đường chấm màu xanh sẽ được tạo ra trên mặt đất. Nếu lớp TOP có mặt phẳng nguồn điện hoàn chỉnh, cũng sẽ có dòng chảy ngược dọc theo đường chấm màu xanh trên lớp TOP. Tại thời điểm này, vòng tín hiệu có vòng dòng điện nhỏ nhất, năng lượng bức xạ ra bên ngoài là tối thiểu và khả năng ghép nối các tín hiệu bên ngoài là tối thiểu. (Hiệu ứng da ở tần số cao cũng là năng lượng bức xạ bên ngoài tối thiểu, nguyên tắc tương tự)

Vì mức tín hiệu tần số cao và dòng điện của PCB thay đổi nhanh chóng, nhưng chu kỳ thay đổi ngắn và năng lượng cần thiết không lớn, vì vậy chip được cung cấp bởi tụ điện tách rời gần chip nhất. Khi C1 đủ lớn và đáp ứng đủ nhanh (giá trị ESR của nó rất thấp và thường sử dụng tụ gốm. Tụ gốm có ESR thấp hơn nhiều so với tụ điện tantali.), đường màu cam ở tầng trên cùng và đường màu đỏ của lớp GND có thể được coi là không tồn tại.

Do đó, trong môi trường xây dựng, toàn bộ đường dẫn của dòng PCB là: từ cực dương của C1 - đường tín hiệu của VCC-S1 của IC1 - đường màu vàng của lớp GND-GND của L2-R1-IC2 - quá lỗ - cực âm của tụ điện. Có thể thấy rằng dòng điện tương đương màu nâu tồn tại theo chiều dọc của dòng PCB và từ trường được cảm nhận ở giữa. Đồng thời, bề mặt vòng này có thể dễ dàng kết hợp với nhiễu bên ngoài. Nếu tín hiệu là tín hiệu đồng hồ như thể hiện trong hình, có một tập hợp các đường dữ liệu 8 bit song song được cung cấp bởi cùng một nguồn cung cấp cho cùng một PCB và cùng một đường dẫn trở lại hiện tại. Nếu mức dây dữ liệu bị lật theo cùng một hướng cùng một lúc, một dòng điện ngược lớn sẽ được cảm nhận trên đồng hồ. Nếu đường đồng hồ không khớp tốt, kiểu nhiễu xuyên âm này là đủ để có tác động gây chết người đến tín hiệu đồng hồ. Cường độ của nhiễu xuyên âm này không tỷ lệ thuận với giá trị tuyệt đối của mức cao và thấp của nguồn gây nhiễu, mà là tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi hiện tại của nguồn gây nhiễu.