Công nghệ PCB - Thiết kế xe buýt song song và giải pháp gây nhiễu cho các ứng dụng tần số cao

Trong thiết kế điện tử hiện đại, thiết kế PCB là rất quan trọng và bus hoạt động như một kênh quan trọng để giao tiếp giữa các thiết bị khác nhau, cung cấp nền tảng cho hiệu suất và hiệu quả của thiết kế PCB. Bài viết này sẽ đi sâu vào các tính năng, ưu điểm và nhược điểm của bus song song và nối tiếp trong thiết kế PCB tốc độ cao cũng như các kịch bản ứng dụng để giúp các kỹ sư thiết kế hiểu rõ hơn và chọn loại bus phù hợp.

Bus là một đường dẫn vật lý được chia sẻ để giao tiếp giữa hai hoặc nhiều thiết bị, một tập hợp các đường tín hiệu và một liên kết chung giữa nhiều thành phần để truyền thông tin giữa chúng. Tùy thuộc vào chế độ hoạt động của nó, có hai loại bus chính: bus song song và bus nối tiếp.

Bus song song được thiết kế để cho phép truyền nhiều dữ liệu cùng một lúc. Cấu trúc xe buýt này tương tự như một con đường rộng rãi có thể chứa nhiều phương tiện di chuyển cùng một lúc và thường được sử dụng trong các tình huống đòi hỏi truyền dữ liệu cao hơn. Ưu điểm của bus song song là tốc độ truyền dữ liệu nhanh vì có thể truyền nhiều tín hiệu cùng một lúc. Tuy nhiên, khi tốc độ truyền dữ liệu tăng lên, các vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu và nhiễu cũng xuất hiện. Kết nối bus song song đòi hỏi nhiều đường tín hiệu hơn, dẫn đến sự phức tạp trong thiết kế tăng lên và trong các hoạt động tần số cao, các vấn đề về nhiễu xuyên âm và độ trễ giữa các tín hiệu không thể bỏ qua.

Không giống như bus song song, bus nối tiếp truyền dữ liệu từng bit một. Tín hiệu nối tiếp thường sử dụng ít đường tín hiệu hơn, làm cho việc định tuyến dễ dàng và rõ ràng hơn. Vì chỉ cần một hoặc vài dây để truyền dữ liệu, bus nối tiếp đặc biệt quan trọng trong việc giảm không gian chiếm trên PCB và giảm độ phức tạp của sản phẩm đã hoàn thành.

Bus nối tiếp thường có khả năng chống nhiễu cao hơn, đặc biệt nếu tín hiệu vi sai được sử dụng, trong đó mỗi cặp bao gồm cả dương và âm, do đó cải thiện tính toàn vẹn của tín hiệu. Mặc dù bus nối tiếp truyền ít bit hơn trên một đơn vị thời gian, tốc độ dữ liệu cao hơn có thể đạt được bằng cách sử dụng tốc độ truyền cao hơn.

Parallel bus phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi băng thông cao và độ trễ thấp. Các ứng dụng phổ biến bao gồm truyền dữ liệu trong máy tính và kết nối các thiết bị ngoại vi hiệu suất cao như card đồ họa. Bus song song có khả năng truyền nhiều dữ liệu cùng một lúc, mang lại cho chúng một lợi thế đáng kể khi xử lý một lượng lớn dữ liệu. Ví dụ, bus máy tính truyền thống như PCI và PCIe sử dụng song song để truyền dữ liệu nhanh. Tuy nhiên, ở tần số hoạt động cao, nhiễu nghiêm trọng có thể xảy ra giữa các đường tín hiệu song song, vì vậy các nhà thiết kế cần xem xét bảo trì tính toàn vẹn tín hiệu và quản lý nhiễu khi sử dụng bus song song. Hệ thống dây điện và kỹ thuật điều chỉnh tín hiệu thích hợp có thể có hiệu quả trong việc giảm tác động của những vấn đề này.

Bus nối tiếp hoạt động tốt hơn trong truyền dữ liệu đường dài và trao đổi dữ liệu quy mô lớn so với bus song song. Bus nối tiếp đơn giản và chi phí thấp và là một trong những lựa chọn phổ biến cho truyền thông hiện đại. Các ứng dụng bao gồm các tiêu chuẩn giao diện khác nhau như I2C, SPI và USB, được sử dụng rộng rãi để kết nối giữa các cảm biến, vi điều khiển và các thiết bị ngoại vi khác. Bus nối tiếp được thiết kế để cung cấp cho nó một lợi thế về khả năng chống nhiễu, làm cho nó phù hợp với môi trường có nhiễu điện từ nghiêm trọng. Ví dụ, CAN bus là một giao thức truyền thông nối tiếp thường được sử dụng trong các ứng dụng ô tô và công nghiệp, với các cơ chế phát hiện lỗi và dự phòng mạnh mẽ đảm bảo truyền dữ liệu đáng tin cậy trong các môi trường phức tạp.

Chỉ có thể truyền một dữ liệu tại một thời điểm, giống như một con đường hẹp, chỉ cho phép một chiếc xe đi bộ trên đó. Dữ liệu phải được truyền đi từng cái một, trông giống như một chuỗi dữ liệu dài, vì vậy nó được gọi là "nối tiếp".

Ví dụ tốt nhất về truyền tải song song là chip bộ nhớ DDR. Nó có một tập hợp các đường dữ liệu D0-D7, cũng như DQS và DQM. Các đường dây này được truyền cùng nhau. Bất kể bit nào có lỗi, dữ liệu sẽ không được truyền chính xác. Chỉ truyền lại. Do đó, mỗi cáp của dây dữ liệu phải có chiều dài bằng nhau và phải được quấn nhiều lần.

Serial data khác nhau. Dữ liệu được truyền đi từng cái một và không có kết nối giữa các bit. Bit này không có lỗi và không thể chuyển bit tiếp theo. Dữ liệu song song là một tập hợp dữ liệu trong đó một bit bị lỗi và toàn bộ tập dữ liệu sẽ không hoạt động.

Yêu cầu cáp PCB

Yêu cầu dây song song Busbar:

(1) Đề nghị xe buýt tốt nhất là cáp nội bộ, khoảng cách giữa xe buýt và các cáp khác nên tăng càng nhiều càng tốt.

(2) Ngoại trừ các yêu cầu đặc biệt, trở kháng thiết kế dây đơn đảm bảo 50 ohms và trở kháng thiết kế vi sai đảm bảo 100 ohms.

(3) Đề nghị cùng một nhóm xe buýt duy trì cùng một độ dài dây và tuân theo một mối quan hệ thời gian nhất định với đường đồng hồ và tham khảo kết quả mạnh mẽ của phân tích thời gian để kiểm soát độ dài dây.

(4) Nên đặt càng gần nguồn I/O hoặc mặt phẳng tham chiếu GND của nhóm xe buýt này càng tốt để đảm bảo tính toàn vẹn của mặt phẳng tham chiếu.

(5) Xe buýt có thời gian tăng dưới 1ns yêu cầu một mặt phẳng tham chiếu đầy đủ và không được đi qua phân vùng.

(6) Đề nghị xe buýt địa chỉ thấp hơn tham khảo các yêu cầu về dây đồng hồ.

(7) Khoảng cách giữa các dây cuộn hình rắn không được nhỏ hơn 3 lần chiều rộng của đường.

Yêu cầu cáp nối tiếp PCB tốc độ cao

Đối với bus nối tiếp có tần số trên 100Mbps, ngoài việc tuân theo các quy tắc điều khiển xuyên âm và định tuyến chung của bus song song, có một số yêu cầu bổ sung cần được xem xét trong thiết kế cáp:

(1) Bus nối tiếp PCB tốc độ cao cần xem xét tổn thất dây, xác định chiều rộng và chiều dài dây.

(2) Đề nghị chiều rộng dây chuyền sản xuất trong điều kiện bình thường không nhỏ hơn 5 triệu và dây phải ngắn nhất có thể.

(3) Xe buýt nối tiếp tốc độ cao không nên đục lỗ và thay thế ngoại trừ quạt ra qua lỗ.

(4) Khi tốc độ của chân cắm liên quan trong bus nối tiếp cao hơn 3,125Gbps, cần tối ưu hóa tấm chống hàn để giảm tác động không bức xạ do trở kháng không liên tục.

(5) Nên chọn lớp cáp nhỏ nhất thông qua lỗ ngắn khi thay thế lớp cáp nối tiếp tốc độ cao. Đối với tín hiệu của đầu nối, khi không gian cáp bị hạn chế, lớp cáp có đầu nối lỗ ngắn được ưu tiên phân bổ cho đầu gửi.

(6) Nên khoan một lỗ nối đất bên cạnh lỗ tín hiệu khi tốc độ từ 3,125Gbps trở lên, tụ điện ghép nối AC cũng nên được xử lý đặc biệt để ngăn chặn đĩa hàn.

(7) Nếu tín hiệu tốc độ cao được xử lý thông qua lỗ thông qua khoan ngược, cần phải xem xét tác động của việc giảm công suất hiện tại của mặt phẳng mặt đất cung cấp điện và tăng độ tự cảm vòng lọc sau khi cổ chai dòng chảy bị thu hẹp.

(8) Tín hiệu tốc độ cao tránh đường phân chia của lớp phẳng, khoảng cách ngang giữa cạnh của đường tín hiệu và cạnh của đường phân chia được đảm bảo là 3W.

(9) Tín hiệu tốc độ cao hai chiều không nên vượt qua và định tuyến.