Uitdagingen bij het ontwerpen van high-speed PCB's voor signaalintegriteit en hun oplossingen

Met de constante vooruitgang van elektronische technologieën, het verhogen van de hoge klokfrequentie in het digitale systeem, de steeds kortere stijgende flanktijd, is het PCB-systeem een ​​systeemstructuur geworden met hoge prestaties, veel meer dan alleen een platformondersteunende componenten. Vanuit het oogpunt van elektrische prestaties is de onderlinge verbinding tussen hogesnelheidssignalen niet langer snel of transparant en kan de invloed van onderlinge verbinding tussen leidingen op de eigenschappen van hogesnelheidsprintplaten en -platen niet langer worden verwaarloosd. Pak problemen met signaalintegriteit met succes aan, waaronder reflectie, overspraak, vertraging, oproep- en impedantie-aanpassing veroorzaakt door snelle signaalinterconnectie en zorg ervoor dat de kwaliteit van de signaaloverdracht het succes van het ontwerp bepaalt.

Basistheorie van PCB-signaalintegriteit

• Hogesnelheidscircuit en zijn bepalingsprincipe

De bepalende term van een hogesnelheidscircuit komt voornamelijk in twee versies. Enerzijds, in een circuit, wanneer de vertraging van digitale signalen op transmissielijnen meer dan 20% van de stijgende flanktijd is, kan dit circuit worden beschouwd als een hogesnelheidscircuit. Aan de andere kant, in een circuit, wanneer de frequentie van het digitale analoge circuit 45 MHz tot 50 MHz bereikt of overschrijdt, wordt het circuit beschouwd als een hogesnelheidscircuit.

Kortom, als L (lengte van afleidingen) meer is dan T_r , wordt het circuit beschouwd als een hogesnelheidscircuit; als L kleiner is dan T_r , wordt het circuit beschouwd als een circuit met lage snelheid. Hier, T_r verwijst naar puls stijgende flanktijd.

• Signaaltransmissiesnelheid en puls stijgende flanktijd

De transmissiesnelheid van het signaal in de lucht is 3 x 10 ⁸ Mevrouw; de diëlektrische constante van FR4 die het materiaal van PCB is, wordt weergegeven als ε_r dat is 4. Signaaltransmissiesnelheid in PCB kan worden berekend met behulp van formule .

V_p is gelijk aan 15 cm/ns, dat is ongeveer 6 inch/ns. Puls stijgende flank tijd T_r =1/(10 x f_clk ) en de stijgende flanktijd van het 100MHz-signaal is 1ns. Wanneer de vertraging van signalen op PCB-routering meer dan 20% van de stijgende flanktijd is, zal er duidelijk worden gebeld op signalen. Voor vierkante golf waarvan de stijgtijd 1ns (100MHz) is, wanneer de routeringslengte van PCB meer dan 0,2ns x 6=1,2inch is, zal er serieus worden gebeld op signalen. Daarom is de kritische lengte 1,2 inch (ongeveer 3 cm).

• Karakteristieke impedantie

Karakteristieke impedantie is een belangrijke parameter bij het matchen van impedantie die reflectie, oproepen, upper shoot en undershoot beïnvloedt en direct verband houdt met de integriteit van high-speed signaaloverdracht, wat erg belangrijk is bij high-speed ontwerp.

Signalen zenden uit langs transmissielijnen, waarvan de verhouding tussen spanning en stroom wordt beschouwd als tijdelijke impedantie. De tijdelijke impedantie op transmissielijnen wordt berekend met formule . In deze formule, C_l verwijst naar de capaciteit per lengte-eenheid waarvan de eenheid pF/inch is (meestal 3,3 pF/inch). Wanneer de tijdelijke impedantie langs transmissielijnen een constante waarde is, wordt deze waarde beschouwd als de karakteristieke impedantie op transmissielijnen. Voor microstriplijnen en striplijnen op PCB's kan hun karakteristieke impedantie worden bepaald door de transmissielijnontwerptool Polar Si9000, die wordt weergegeven in figuur 1.

Elementen die de signaalintegriteit en oplossingen beïnvloeden

• Impedantieaanpassing

Impedantie-aanpassing is vereist bij het ontwerpen van snelle circuits om een ​​snelle en correcte gegevensoverdracht te garanderen. Het gegevensaccumulatiesysteem bestaat over het algemeen uit een sensor, een signaalconditioneringsinstrument, een AD-gegevensaccumulatiechip, FPGA en SDRAM, zoals weergegeven in afbeelding 2.

AD9649 wordt toegepast als AD-chip met een 1.8V voeding en parallelle sample door 14 bit datalijn. De frequentie van het monster is ingesteld op 20M. PCI9054 wordt opgepikt als PCI-interfacechip en ondersteunt DMA-gegevensoverdracht. 93LC66B wordt opgepikt als PCI-geconfigureerde chip. HY57V561620FTP-H wordt toegepast als dataopslag, bestaande uit 4 BANK's met elk een geheugenruimte van 4M x 16bit, 13-rij adreslijnen en 9-koloms adreslijnen. EP1C6F256C8 is gekozen door FPGA met een eindspanning van 3,3 V en een kernspanning van 1,5 V. De breedte van de PCI-bus is 32 bit met een klok van 33 MHz die wordt opgepikt als de schrijf- en leesklok en de maximale bedradings- en leessnelheid 132 MByte per seconde bereikt, in staat om snelle overdracht van verzamelde gegevens te ondersteunen.

Bij het ontwerpen van PCB's moet rekening worden gehouden met de volgende elementen:

a. Als mengonderdeel van digitaal en analoog is AD een van de belangrijkste punten in PCB-ontwerp. Vanwege de hoge frequentie van het digitale deel is het analoge deel behoorlijk gevoelig voor interferentie. Als er geen geschikte verwerking wordt geïmplementeerd, zullen digitale signalen de neiging hebben om analoge signalen te verstoren, zodat EMI-problemen zullen optreden. De juiste principes die ontwerpers volgen, moeten zijn:ten eerste moeten digitale aarde en analoge aarde worden verdeeld op PCB met gemengde signalen; ten tweede worden analoge en digitale elektronische componenten geclassificeerd met analoge aarde verdeeld in analoog gebied en digitale aarde verdeeld in digitaal gebied; ten derde zijn analoge aarde en digitale aarde verbonden met magnetische kralen rond regiosegmentatie. Deze maatregelen zijn in staat om de scheiding tussen digitale aarde en analoge aarde te implementeren.

b. SDRAM wordt toegepast in het gegevensaccumulatiesysteem en de handleiding geeft duidelijk aan dat datalijnen die zijn verbonden met FPGA moeten worden geconfigureerd met een impedantieaanpassing van 50Ω om de overdracht met hoge snelheid te garanderen, zoals weergegeven in figuur 3.

Nadat FPGA de verzamelde gegevens naar SDRAM heeft geschreven, moet er constant worden vernieuwd om de gegevens te behouden en moet de vernieuwingsperiode van elke rij sneller zijn dan 64 milliseconden.

Stappen van impedantie-aanpassing door Polar Si9000-software worden als volgt weergegeven:

a. Signaallijnen met hoge snelheid moeten het bovenoppervlak van de printplaat kruisen en gaten moeten zoveel mogelijk worden vermeden. Microstrip-lijnstructuurmodel wordt opgepikt in de software, zoals weergegeven in figuur 4.

Impedantieaanpassing van 50Ω wordt over het algemeen uitgevoerd bij routering met één terminal en impedantieaanpassing van 90Ω wordt over het algemeen uitgevoerd bij differentiële routering (zoals USB2.0 D+, D-).

b. Noodzakelijke impedantie-aanpassingswaarde en specifieke waarden van PCB-fabricagetechniek worden op de software-interface ingevuld met parameters zoals diëlektrische dikte, diëlektrische constante van PCB-materiaal, koperfoliedikte, groene oliedikte en diëlektrische constante van groene olie.

Specifieke parameters van de fabricagetechniek kunnen bekend worden door communicatie met de PCB-fabrikant, zodat de breedte van de kabels kan worden bepaald. Voor differentiële microstriplijnen moet ook de afstand tussen de leads (S1) worden berekend.

c. Als de berekende breedte van leads relatief groot is en PCB-routering niet kan worden voltooid, moet er meer worden gecommuniceerd met PCB-fabrikanten om parameters in fabricagetechniek aan te passen aan de ontwerpvereisten.

• Overspraak

Overspraak verwijst naar onverwachte spanningsruisinterferentie op aangrenzende transmissielijnen als gevolg van elektromagnetische koppeling wanneer signalen worden verzonden op transmissielijnen. Te veel overspraak kan leiden tot valse triggering van het circuit, zodat het systeem niet normaal werkt. Overspraak wordt gegenereerd door elektromagnetische koppeling en koppeling is verdeeld in capacitieve koppeling en inductieve koppeling. De eerste is eigenlijk elektromagnetische interferentie die wordt geleid door inductieve stroom die wordt veroorzaakt als gevolg van spanningsverandering bij de interferentiebron, terwijl de laatste in feite elektromagnetische interferentie is die wordt geleid door inductieve spanning die wordt veroorzaakt als gevolg van stroomverandering bij de interferentiebron. Naarmate de toestand van de interferentiebron verandert, wordt een reeks interferentiepulsen gegenereerd op interfererende objecten, wat heel gebruikelijk is in hogesnelheidssystemen.

Maatregelen om overspraak tegen te gaan worden als volgt weergegeven:
a. Orthogonaliteit moet worden gehandhaafd op routeringsrichtingen tussen aangrenzende vlakken. Dezelfde richting moet worden vermeden in aangrenzende vlakken met verschillende signaallijnen om overspraak te verminderen. Vooral wanneer de signaalsnelheid relatief hoog is, moet aarde worden overwogen om routeringsvlakken te scheiden en signaallijnen moeten worden gescheiden door grondsignaallijnen.
b. Om overspraak tussen lijnen te verminderen, moet de afstand tussen de lijnen groot genoeg zijn. Wanneer de afstand tussen de middelpunten van lijnen niet minder is dan drie keer de lijnbreedte, kan 70% van het elektrische veld worden tegengehouden door wederzijdse interferentie, wat het 3W-principe is.
c. In de situatie waarin signaallijnen met hoge snelheid aan de vereiste voldoen, kan er toegang worden verkregen tot de aansluiting van de terminal om reflectie te verminderen of te elimineren en overspraak te verminderen.

Toepassing van de ontwerpmethode voor signaalintegriteit

Tijdens het ontwerp van PCB's zijn veel ontwerpregels samengevat op basis van de signaalintegriteitstheorie. Met verwijzing naar deze PCB-ontwerpregels kan de signaalintegriteit beter worden verkregen. In het proces van PCB-ontwerp moet ontwerpinformatie tot in detail bekend zijn, waaronder:
a. Positie van de lay-out van componenten, of er speciale vereisten zijn voor componenten met een groot vermogen en warmteafvoer op chipcomponenten.
b. Classificatie van signalen, snelheidstarief, transmissierichting en vereiste impedantieaanpassing.
c. Signaalaandrijfcapaciteit, belangrijk signaal en beschermingsmaatregelen.
d. Soorten stroom, grond, geluidslimietvereiste van stroom en aarde, instelling van vermogensvlak en grondvlak en verdeling.
e. Type en snelheid van kloklijnen, bron van kloklijnen, richting, vertragingsvereiste van klok en maximale routeringsvereiste.

Nuttige bronnen:
• 3 routeringstechnieken op het ontwerp van hogesnelheidssignaalcircuits van PCB's
• Onderdrukkingsmethode van signaalreflectie in snelle printplaatlay-out
• Analyse van signaalintegriteit en PCB-ontwerp op hoge snelheid Digitaal-analoog gemengd circuit
• Impedantieregeling van via's en de invloed ervan op signaalintegriteit in PCB-ontwerp
• Full Feature PCB-productieservice van PCBCart - Meerdere opties met toegevoegde waarde
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCBCart - Begin vanaf 1 stuk