High-Speed ​​PCB:een uitgebreide gids

Ongetwijfeld maken de meeste reguliere engineeringprojecten gebruik van het standaard PCB-ontwerp. Ook kunnen traditionele PCB's niet voor alles werken. Dus als je te maken hebt met een geavanceerde applicatie, heb je een high-speed PCB nodig.

Het ontwerpen van high-speed PCB's kan echter lastig zijn. U moet aandacht besteden aan details zoals signaalintegriteit, reflecties en overspraak. Als u niet bekend bent met een van deze termen, is dit artikel iets voor u.

In dit artikel leer je alles over high-speed PCB's en de regels voor het ontwerpen ervan. We zullen het ook vergelijken met een hoogfrequente printplaat.

Dus laten we beginnen.

Wat is een high-speed PCB?

Hogesnelheidssysteem

High-speed PCB's zijn apparaten die high-speed signalen gebruiken om gegevens tussen componenten over te dragen. De signalen reizen langs de koperen sporen van het bord totdat ze hun doelen bereiken. Bovendien kan het signaal analoog of digitaal zijn.

Er is echter maar een klein verschil tussen high-speed en standaard boards. Maar eerst moet u dit weten:wat we gebruiken om een ​​systeem als "hoge snelheid" te classificeren, zijn de signaalrandsnelheden van het systeem. Dus als het snel is, is het een high-speed PCB. Dus de signaalrandsnelheid van het systeem scheidt hoge snelheid van standaard PCB's.

We beschouwen ook elke PCB met een hoge signaalintegriteit als een high-speed PCB. Andere indicatoren die u kunnen helpen een high-speed ontwerp te onderscheiden van een normaal ontwerp, zijn dat high-speed PCB's RF-front-ends hebben voor draadloze netwerken.

De meeste ontwerpen met hoge snelheid zijn ook gericht op onderling verbonden ontwerpen, PCB-stack-upontwerpen en routering. Dus het derde gebied zal geen gedoe zijn als je het goed hebt in de eerste twee gebieden.

Hoge snelheid PCB-toepassingen

Meerdere PCB's

High-speed PCB's werken in bijna elke toepassing. Hier zijn enkele van de toepassingen die het gebruik van high-speed PCB's ondersteunen:

• U kunt high-speed PCB's gebruiken in netwerkcommunicatiesystemen. Het primaire doel hier is de verificatie van de signaalintegriteit.
• High-speed PCB's kunnen high-speed digitale testboards maken. Deze borden kunnen verschillende signalen testen, waaronder het afrollen van RF-signalen.
• High-speed PCB's kunnen ook krachtige consumentenelektronica creëren met grote volumes en een korte time-to-market.
• High-speed PCB's kunnen ook radiocircuits creëren met een hoge vereiste voor impedantiecontrole.
• Bovendien werken deze borden ook in medische apparatuur die operaties op hoge snelheid nodig heeft.

Andere producten die high-speed PCB's gebruiken, zijn onder meer:

• Routers
• High-speed datakanalen
• Servers
• Eindversterkers
• Opslagnetwerken
• Zendontvangermodules

Regels en uitdagingen voor het ontwerpen van snelle PCB's

Printplaat

Net als elk ander PCB-ontwerpproces hebben high-speed PCB's regels die hun ontwerpmethode bepalen. Terwijl we enkele van de regels in detail bekijken, zullen we ook de mogelijke ontwerpuitdagingen onderzoeken.

Impedantie

U moet rekening houden met twee impedantiewaarden bij het ontwerpen van een lay-out met hoge PCB's. Deze impedantiewaarden omvatten enkelzijdige impedantie Zo en differentiële impedantie Zdiff.

Dit zijn de gebruikelijke impedantiewaarden voor zowel parallelle als seriële interfaces. Bovendien is het essentieel dat u zich aan de juiste impedantie houdt bij het ontwerpen van uw high-speed PCB's. Anders zullen uw PCB-tracks signaalreflecties hebben.

Dat is niet alles. Het gebruik van de verkeerde impedantie zal ook leiden tot verlies van signaalkwaliteit, een lage werkfrequentie en ondraaglijke EMI genereren.

Andere impedantietypen waarmee u rekening moet houden, ook al zijn ze zeldzaam, zijn onder meer:

• Gemeenschappelijke ZCM
• Even modus Zoe
• En dierentuin in vreemde modus

Aarding

Voor de meeste high-speed PCB-ontwerpen is het onmogelijk om alle interfaces op één laag te traceren. Daarom heb je de hulp van via's nodig om sporen over te dragen naar meerdere lagen. Er zijn echter specifieke regels die dit proces beheersen.

• Je ontwerpen moeten op alle lagen hetzelfde GND-polygoonpotentieel hebben, vooral in de buurt van de signaalvia's. We noemen deze GND via's stitching via's, en ze moeten zo dicht mogelijk bij de GND-polygoon liggen. Bovendien zorgt het naleven van deze regel ervoor dat alle hogesnelheidssporen dezelfde GND-referentie hebben.

• Wees voorzichtig bij het ontwerpen van je via's. Een slecht ontwerp veroorzaakt impedantieproblemen op je board. Maar u kunt dit voorkomen door ervoor te zorgen dat alle via's de juiste diameters hebben.

• Het gebruik van via's voor snelle signaalroutering kan lastig zijn. U moet dus voldoende ruimte tussen via's plaatsen om een ​​hoge stroomdichtheid en oververhitting te voorkomen.

Overspraak

Overspraak is elk ongewenst effect dat wordt gegenereerd bij het verzenden van signalen via een communicatiespoor. Deze ongewenste effecten zijn meestal op aangrenzende sporen en veroorzaken vaak signaalverandering.

Bovendien vindt overspraak meestal plaats wanneer tracks te dicht bij elkaar lopen. In dat geval kunt u overspraak verminderen door minimaal 3 W ruimte tussen de sporen te laten.

Gebruik voor differentiële paren de 5W-regel om uw tracks op de juiste manier te verdelen. Als je board een differentieel paar nodig heeft dat periodieke signalen uitzendt, raden we je aan om het minstens 8 W uit de buurt van andere differentiële paren te houden.

Ook moet er voldoende afstand zijn tussen sporen met asynchrone seinen en snelle seinsporen. Bovendien kunt u overspraak minimaliseren op meerlagige boards die sporen loodrecht op de sporen van het aangrenzende bord routeren.

Locatie van componenten

PCB met componenten

De locatie van componenten is essentieel voor high-speed PCB-ontwerpen. Plan, voordat u met uw ontwerp begint, waar u uw componenten gaat plaatsen.

Idealiter plaatst u een aparte GND-polygoon voor analoge componenten (indien aanwezig) en houdt u deze uit de buurt van digitale sporen en componenten. Op die manier kunt u EMI-problemen voorkomen.

Ook hebben high-speed componenten geen erg lange sporen nodig. Zorg er dus voor dat u voldoende ruimte overhoudt voor het afstemmen van de lengte, zodat ze niet in de buurt van storingsbronnen blijven.

Bovendien moet u voorkomen dat u snelle componenten in de buurt van de rand van uw bord plaatst. Dit heeft nadelige gevolgen voor uw signaalkwaliteit. In plaats daarvan kunt u dergelijke componenten naar het midden plaatsen.

Vorm volgen

Verschillende baanvormen

Hogesnelheidsbanen moeten afgeronde en gladde hoeken hebben. Vermijd ook het gebruik van scherpe bochten. Maar het kan een redelijke hoeveelheid tijd kosten om de beste baanvorm te krijgen.

De beste manier om de optimale spoorvorm te krijgen en impedantieveranderingen te voorkomen, is door ze in een hoek van 45 graden te buigen.

De grote drie problemen van high-speed PCB-ontwerpen

Hogesnelheidsprintplaten hebben veel problemen die een circuit onbruikbaar kunnen maken als je ze niet oplost. En van alle verschillende problemen hebben we drie belangrijke opgesomd die u moet vermijden. Laten we deze drie dus eens nader bekijken.

Timing

Je bord heeft timingproblemen als je signalen niet correct worden verzonden, vooral in vergelijking met andere borden. Een klok regelt al deze signalen, dus als je timing slecht is, zijn de enige gegevens die je ontvangt corrupte gegevens.

Oplossing:u kunt dit probleem oplossen door twee gekoppelde spoorlengtes te matchen. Het synchroniseert de sporen met uw kloksnelheden en zorgt ervoor dat ze tegelijkertijd worden verzonden.

Ruis

Ruis is elke vorm van interferentie die uw signalen tijdens de transmissie beïnvloedt. Er is wat ruis op elke PCB, maar een hoog ruisniveau kan datacorruptie veroorzaken. Daarom moet u er een probleem van maken dat u in uw ontwerpen moet vermijden.

Oplossing:Houd voldoende afstand tussen uw sporen, waardoor ze minder gevoelig zijn voor ruis. Een goede afstand zal ook het geluidsniveau van uw printplaat verminderen.

Integriteit

Als uw signalen er na verzending niet uitzien zoals ze zouden moeten, is de integriteit aangetast. Dergelijke situaties zijn meestal het gevolg van interferentie die de integriteit van een signaal tijdens verzending kan beïnvloeden.

Oplossing:Het gebruik van een juiste impedantie tussen een ontvanger en zender kan de integriteit en kwaliteit van uw signaal verbeteren. Het vermindert ook de ruisgevoeligheid van uw signaal.

Hoge snelheid PCB-ontwerpvaardigheden

PCB-ontwerp

Hier zijn enkele vaardigheden die je nodig hebt voordat je een high-speed PCB ontwerpt.

Hoe sporen te routeren met impedantiecontrole

PCB met blauwe sporen

U moet begrijpen hoe u lagenstapel en spoorbreedte kunt berekenen. De resultaten van deze berekeningen geven u de essentiële impedantiewaarden. Verkeerde impedantiewaarden hebben een negatief effect op uw signaal en leiden tot gegevensbeschadiging.

Minimalisering van het lusgebied

Hogesnelheidssignalen zijn behoorlijk gevoelig voor EMI/EMC-problemen. Maar u kunt de impact van deze problemen verminderen door eenvoudige basisregels te volgen. Deze regels omvatten het verminderen van lusgebieden, het gebruik van doorlopende grondvlakken en veel naaivia's, en het optimaliseren van traceerretourpaden.

Hoge snelheid routeringsvaardigheden

Er zijn veel dingen waarmee u rekening moet houden bij het routeren van sporen met hoge snelheid. Ten eerste moet je weten hoe je grondvlakken moet snijden en sporen kort moet houden. Je moet ook je sporen beschermen tegen interferentie en digitale lijnen in de ruimte om overspraak te voorkomen.

Gebruik geavanceerde ontwerpsoftware

Het ontwerpen van high-speed PCB's vereist veel complexe functies van uw CAD-software. En je hebt de nodige vaardigheid nodig om met deze functies om te gaan. Op die manier vermijd je het ontwerpen van verschrikkelijke snelle schema's.

Hogesnelheidsprintplaat versus hoogfrequente printplaat

Printplaat

Hoewel hoge snelheid en hoge frequentie verschillende definities hebben, is hun bord in wezen hetzelfde. Ze gebruiken allebei de sinusgolf als drager van gemoduleerde signalen.

Er zijn echter kleine verschillen. We gebruiken bijvoorbeeld snelle circuits wanneer de spanning in korte perioden stijgt en daalt. Tegelijkertijd gebruiken we hoogfrequente borden met kortsluitcycli.

De verschillen zijn niet zo duidelijk om ze als afzonderlijke borden in te stellen. Ze gebruiken zelfs dezelfde basismaterialen. U moet zich concentreren op het behouden van de signaalintegriteit of uw circuit.

Afronding

Hightech printplaat

Er kunnen veel dingen mis gaan als je niet voorzichtig bent bij het ontwerpen van high-speed PCB's. In tegenstelling tot gewone PCB's, heb je veel tijd en aandacht nodig bij het ontwikkelen van een goed high-speed circuitschema.

Bovendien heb je specifieke vaardigheden nodig voordat je ontwerpen maakt, zoals weten hoe je je sporen correct moet routeren en impedantie meten. U moet ook de plaatsing van uw componenten in de gaten houden om te voorkomen dat het voor fabrikanten ingewikkeld wordt.

Wilt u high-speed printplaten maken? Neem dan contact met ons op en wij bieden u graag het beste advies en de beste diensten.