Onderdrukkingsmethode voor signaalreflectie in high-speed PCB-lay-out

Met de aanstaande ontwikkeling van elektronische wetenschap en technologie, ontwikkelt het elektronische systeem samengesteld door IC-chip zich snel naar grootschalige, miniatuur en hoge snelheid. Tegelijkertijd komt er ook een probleem naar voren dat het krimpen van het volume van het elektronische systeem leidt tot de vergroting van de routeringsdichtheid van het circuit, terwijl de signaalfrequentie constant stijgt en de randomzettijd van het signaal kort wordt. Wanneer de onderlinge verbindingsvertraging van signalen 10% groter is dan de signaalomzettijd, zullen signaaldraden aan boord het effect van transmissielijnen vertonen, waardoor een reeks problemen zoals signaalreflectie en overspraak steeds meer naar voren komen. De komst van het hogesnelheidsprobleem brengt een grotere uitdaging met zich mee voor het hardwareontwerp en als sommige ontwerpen die vanuit het oogpunt van logica als correct worden beschouwd, niet ongeschikt worden verwerkt, zal het hele ontwerp falen. Daarom is het oplossen van de problemen van hogesnelheidscircuits een van de essentiële elementen geworden die het succes van het systeem bepalen.

Principes van reflectie en de invloed ervan

• Principes van reflectie

De directe reden voor reflectie ligt in de incompatibiliteit van de impedantie van transmissielijnen die leidt tot de onvolledige absorptie van signaalenergie op de terminal. Het reflectieprobleem weerspiegelt de signaalkwaliteit van een enkel netwerk, gerelateerd aan de fysieke eigenschappen van het signaalpad van een enkel netwerk en het terugkerende pad. Gewoonlijk hebben fysieke eigenschappen van PCB-routering grote invloed op transmissielijnen, voornamelijk inclusief routeringsmateriaal, routeringsbreedte, routeringsdikte, afstand tussen andere routeringsvlakken en -vlakken en diëlektrische constante van aangrenzend materiaal. Wanneer signalen langs een enkel netwerk worden verzonden, wordt een tijdelijke impedantieverandering van interconnectielijnen gegenereerd. Als de interconnectie-impedantie die door signalen wordt gevoeld ongewijzigd blijft, zal de niet-vervorming behouden blijven. Als de interconnectie-impedantie die door signalen wordt gevoeld blijft veranderen, zal vervorming worden gegenereerd met reflectie geproduceerd op het veranderingspunt. Het reflectiesignaal wordt teruggestuurd naar het emissie-uiteinde van signalen en wordt weer teruggekaatst totdat het krimpt met het verkleinen van de energie. Ten slotte zullen de spanning en stroom van signalen stabiel worden.

• Berekening van reflectie

Wanneer signalen naar voren worden verzonden langs transmissielijnen, zal op elk moment een tijdelijke impedantie worden gevoeld. Als de impedantie die door signalen wordt gevoeld constant is, wordt deze normaal doorgestuurd. Zolang de gevoelde impedantie verandert, zal er altijd reflectie optreden, ongeacht de oorzaak. De significante index die de hoeveelheid reflectie meet, is de reflectiecoëfficiënt die de verhouding aangeeft tussen de reflectiespanning en de oorspronkelijke signaalspanning. Reflectiecoëfficiënt kan worden gedefinieerd volgens formule:.

In deze formule, Z₁ verwijst naar de impedantie na verandering terwijl Z₀ de impedantie vóór verandering. Stel dat de karakteristieke impedantie van PCB-routering 50Ω is. Tijdens het transmissieproces wordt een weerstand van 150Ω aangetroffen en dan is de reflectiecoëfficiënt (150-50)/(150+50)=1/2 (In dit geval wordt de invloed van parasitaire capaciteit en inductantie niet in overweging genomen met weerstand als een ideale pure weerstand). Dit resultaat geeft aan dat de helft van de energie van het oorspronkelijke signaal wordt teruggestuurd naar de bronterminal. Als de spanning van transmissiesignalen 5V is, is de reflectiespanning 2,5V.

• Invloed van reflectie

1). Signaalvervorming door reflectie

Als een lead niet correct is afgesloten, wordt de signaalpuls van de aandrijfzijde gereflecteerd op de ontvangende terminal. Wanneer gereflecteerde signalen vrij sterk zijn, zal de gestapelde golfvorm mogelijk de logische toestand veranderen die leidt tot een onverwacht effect, waardoor de signaalomtrek wordt vervormd. Wanneer vervorming zo duidelijk wordt, zullen mogelijk talloze fouten worden veroorzaakt met ontworpen mislukt. Ondertussen zijn signalen met vervorming gevoeliger voor ruis, wat ook tot ontwerpfouten zal leiden.

2). Over- en onderschrijding door reflectie

Overshooting verwijst naar het feit dat de eerste piekwaarde of dalwaarde de spanning overschrijdt. Voor stijgende flank verwijst het naar het feit dat de eerste piekwaarde de hoogste spanning overschrijdt, terwijl het voor dalende flank verwijst naar het feit dat de eerste dalwaarde de laagste spanning overschrijdt. Overdreven doorschieten zal mogelijk beveiligingsdiodes vernietigen, wat leidt tot vroegtijdig falen. Undershooting verwijst naar het feit dat de volgende dalwaarde of piekwaarde mogelijk valse kloksignalen zal genereren, wat leidt tot verkeerd lezen en verkeerd schrijven van de werking van het systeem.

3). Oscillatie

Oscillatie is ook een symptoom veroorzaakt door reflectie. Met dezelfde eigenschap met doorschieten, wordt het herhalen van doorschieten en onderschieten oscillatie binnen een klokcirkel genoemd. Het is het gevolg van het feit dat overtollige energie die wordt gegenereerd door reflectie niet op tijd wordt geabsorbeerd in circuits.

Methode voor het onderdrukken van reflectie

De belangrijkste elementen die reflectie veroorzaken, zijn onder meer de geometrische vorm van routering (breedte, lengte, bochten), conversie van hetzelfde netwerkrouteringsvlak, transmissie via connector, discontinuïteit tussen stroom en aarde, onjuiste topologische structuur en incompatibiliteit van netwerkuiteinde. De belangrijkste onderdrukkingsmethoden worden in het volgende deel geïntroduceerd.

• Systeemfrequentie-escalatie

De transformatiesnelheid van de signaalrand wordt in mogelijke situaties verlaagd, zodat reflectie van transmissielijnen de stabiele toestand zal bereiken voorafgaand aan de verbinding tussen een signaal en transmissielijn. Enerzijds moet worden voldaan aan ontwerpvoorschriften; aan de andere kant moeten componenten met een lage snelheid worden opgepikt om vermenging tussen verschillende soorten signalen te voorkomen.

• Signaalverwerking optimalisatie

Vanwege strikte eisen op het gebied van tijdsvolgorde, moeten componenten en knooppunten die hoge snelheidsproblemen kunnen veroorzaken vooraf worden bepaald. Allerlei eisen met betrekking tot de lay-out en routering van componenten moeten worden aangepast en de ontwerpindex van signaalintegriteit zal uiteindelijk worden gecontroleerd. De belangrijkste verwerkingsmethodes omvatten:
1). Relatief dunne printplaten worden toegepast om parasitaire parameters van doorgaande gaten te verminderen.
2). Het aantal lagen moet passend worden gerangschikt. De middelste lagen moeten volledig worden gebruikt om de afscherming in te stellen om aangrenzende aarding beter te implementeren, wat de parasitaire inductantie effectief zal verminderen, de transmissielengte van signalen zal verkorten en de overspraak tussen signalen aanzienlijk zal escaleren.
3). De geometrische vorm van signaallijnen op PCB's moet worden gecontroleerd met verminderde windingen en met minimale impedantie-discontinuïteitspunten van routering. Vooral voor routering in hoogfrequente circuits moeten volledig rechte lijnen worden toegepast. Wanneer bochten nodig zijn, kunnen onderbroken lijnen of boog van 45° worden toegepast, waardoor externe straling van hoogfrequente signalen en koppeling tussen hoogfrequente signalen wordt verminderd.
4). Routering van belangrijke signaallijnen moet in hetzelfde vlak worden gerangschikt om onnodige doorgaande gaten te verminderen.
5). De integriteit van het vlak moet worden gewaarborgd om een ​​reflow-pad met een lage impedantie voor signaallijnen te bieden. Dit is bedoeld om de koppeling van de common-mode-impedantie en de ruis van de common-mode-schakelaar te verminderen om problemen met de signaalintegriteit met betrekking tot het voedingssysteem te verminderen of te elimineren.
6). Toepassing van de juiste routeringstopologische structuur.

Topologische structuur van routering verwijst naar routeringsvolgorde en structuur van een signaallijn. In praktische circuits is er altijd een situatie waarin een enkele aandrijfbron meerdere belastingen aandrijft en aandrijfbron en belastingen voldoen aan de topologie van de structuur. Verschillende topologische structuren hebben duidelijk verschillende invloed op signalen. Gewoonlijk worden twee soorten topologische basisstructuren toegepast in PCB-routing, dat wil zeggen, daisy chain- en start-shape-topologie, zoals weergegeven in figuur 1 hieronder.

a. Daisy-chain

De routering begint vanaf de stuurterminal en arriveert opeenvolgend bij elke ontvangende terminal. Als de serieweerstand wordt toegepast om de signaaleigenschappen te veranderen, moet de positie van de serieweerstand dicht bij de stuurklem zijn. In termen van beheersing van hogere harmonische interferentie heeft daisy chain het beste routeringseffect. Dit type routering heeft echter de laagste routeerbaarheid, minder dan 100%. In praktische ontwerpen moet de aftakkingslengte in daisy chain zo kort mogelijk zijn. De routeringsruimte van deze topologische structuur is klein en een enkele weerstand kan worden toegepast voor compatibiliteit met beëindiging. Bovendien zorgt dit type routeringsstructuur ervoor dat de signaalontvangst op verschillende signaalontvangstterminals niet goed verloopt.

b. Topologie in stervorm

Dit type routering is in staat om niet-synchronisatie van kloksignalen effectief te vermijden, maar het heeft het nadeel dat elke tak een afsluitweerstand vereist. De weerstandswaarde van de eindweerstand moet compatibel zijn met de in-line karakteristieke impedantie. Voor systemen waarvan de verschillende signalen gelijktijdig nodig zijn op de ontvangende terminal, is stervormige topologie het meest geschikt.

• Beëindigingsmethoden

De karakteristieke impedantie op het signaaltransmissiepad moet constant worden gehouden, dat wil zeggen dat de reflectiecoëfficiënt 0 is, wat betekent dat er geen reflectie op het transmissiepad is. Deze situatie wordt impedantiecompatibiliteit genoemd. Op dit moment zenden signalen de idee-aarde naar de terminal. Gewoonlijk moet de lengte van de transmissielijn compatibel zijn met de conditie .

In deze ongelijkheid verwijst L naar de lengte van de transmissielijn; t_r verwijst naar de stijgtijd van bronterminalsignalen; t_pd1 verwijst naar de transmissievertraging bij elke lengte-eenheid op transmissielijnen. Wanneer de geïntegreerde niveauoverdracht plaatsvindt voordat reflectie bij verre terminal aankomt, moet terminal-matchingtechnologie worden toegepast. Eindverbindingsprincipes van transmissielijnen omvatten:als ofwel de reflectiecoëfficiënt van de belasting of de reflectiecoëfficiënt van de bron nul is, wordt reflectie geëlimineerd. Gewoonlijk worden twee strategieën toegepast:bronimpedantie wordt compatibel gemaakt met transmissielijnimpedantie, dat wil zeggen bronafsluiting, terwijl belastingsimpedantie compatibel wordt gemaakt met transmissielijnimpedantie, dat wil zeggen eindafsluiting.

1). Bronbeëindiging

Bronbeëindiging is voornamelijk een seriebeëindigingsmethode die wordt geïmplementeerd door een serieweerstand in transmissielijnen aan te sluiten op posities naast het nabije bronuiteinde. De som van de weerstandswaarde van de serieweerstand en de aandrijfterminal moet gelijk zijn aan de weerstandswaarde van transmissielijnen. Het principe van seriebeëindiging is de eliminatie van gereflecteerde spanning van de laadterminal om de tweede reflectie van transmissielijnen te stoppen, die wordt getoond in figuur 2.

2). Beëindiging beëindigen

Het belangrijkste principe van eindafsluiting ligt in pull-up of pull-down weerstand die wordt toegevoegd aan posities naast de belastingsterminal om impedantie-aanpassing te implementeren. Eindafsluiting kan gewoonlijk worden onderverdeeld in parallelle afsluiting met enkele weerstand, RC-afsluiting, Thevenin-afsluiting en Schottky-diodeafsluiting, zoals weergegeven in figuur 3.

Weerstandswaarde in parallelle afsluiting met enkele weerstand is gelijk aan de impedantie van transmissielijnen. Waarden van twee weerstanden in Thevenin-afsluiting moeten de formule volgen:Z₀ =R₁ R₂ /(R₁ +R₂ ). Waarde van capaciteit in RC-afsluiting volgt de formule:C=3T/Z₀ waarin T verwijst naar de stijgende tijd van signalen terwijl Z₀ verwijst naar de impedantie van transmissielijnen.

Vanuit het perspectief van systeemontwerp moet eerst parallelle afsluiting worden opgepakt omdat dit het meest in staat is om ruis, EMI en RFI te verminderen in vergelijking met andere drie beëindigingsmethoden. Afhankelijk van de praktische omstandigheden wordt de geschikte beëindigingsmethode opgepikt en indien nodig moet een simulatieontwerp worden geïmplementeerd.

Conclusie

Bij high-speed PCB-ontwerp zijn succesvolle vereisten een redelijke lay-out en routering, het vermijden van onnodige bochten en doorgaande via's, impedantiecontinuïteit, geïntegreerde signaalreferentievlakken en uitstekende aarding. Om ontwerp- en signaalintegriteit te optimaliseren en een hogere elektromagnetische compatibiliteit te verkrijgen, moet ontwerpsimulatieverificatie worden geïmplementeerd. Het helpt ontwerpers om ontwerpfouten op tijd op te lossen en tekortkomingen in het PCB-ontwerp te compenseren.

Handige bronnen
• Tips voor snelle lay-out
• Uitdagingen bij het ontwerpen van hoge snelheid voor signaalintegriteit en hun oplossingen
• Analyse van signaalintegriteit en PCB-ontwerp op snel digitaal-analoog gemengd circuit
• Full Feature PCB-productieservice van PCBCart - Meerdere opties met toegevoegde waarde
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCBCart - Start vanaf 1 stuk