High-speed PCB-ontwerp optimaliseren: Signaalintegriteitsuitdagingen aanpakken

Met constante vooruitgang van elektronische technologieën, toenemende hoge frequentie van klok in digitaal systeem, steeds kortere opstijgtijd, is PCB-systeem een systeemstructuur met hoge prestaties geworden, veel meer dan alleen een platform ter ondersteuning van componenten. Vanuit het perspectief van elektrische prestaties, is de interconnectie tussen hoge-snelheid signalen niet langer versneld of transparant en de invloed van interconnectie tussen leidingen op hoge-snelheid PCB en printplaatvlakeigenschappen kan niet langer genegeerd worden. Succesvol omgaan met problemen van signaalintegriteit waaronder reflectie, crosstalk, vertraging, roepen & impedantiematching veroorzaakt door hoge-snelheid signaalinterconnectie en de kwaliteit van signaaltransmissie garanderen bepaalt het succes van het ontwerp.

Basis theorie van PCB Signaalintegriteit

• High-speed circuit en zijn bepalingprincipe

De definerende term van high-speed circuit komt primair in twee versies. Aan de ene kant, in een circuit, wanneer de vertraging van digitale signalen op transmissielijnen meer is dan 20% van opstijgtijd, kan dit circuit worden beschouwd als een high-speed circuit. Aan de andere kant, in een circuit, wanneer de frequentie van digitaal analoge circuit bereikt of overschrijdt door 45MHz tot 50MHz, wordt het circuit beschouwd als high-speed circuit.

In wezen, als L (lengte van leidingen) meer is dan Tᵣ, wordt het circuit beschouwd als high-speed circuit; als L minder is dan Tᵣ, wordt het circuit beschouwd als low-speed circuit. Hierbij verwijst Tᵣ naar puls opstijgtijd.

• Signaaltransmissiesnelheid en puls opstijgtijd

De transmissiesnelheid van signaal in de lucht is 3 x 10⁸ m/s; de diëlektrische constante van FR4 dat het materiaal van PCB is, wordt weergegeven als εᵣ dat 4 is. Signaaltransmissiesnelheid in PCB kan worden berekend met Formule .

Vₚ is gelijk aan 15cm/ns dat ongeveer 6inch/ns is. Puls opstijgtijd Tᵣ=1/(10 x f_clk) en de opstijgtijd van 100MHz signaal is 1ns. Wanneer de vertraging van signalen op PCB-routing meer is dan 20% van opstijgtijd, zal duidelijke roepen plaatsvinden op signalen. Voor blokgolf wiens opstijgtijd 1ns is (100MHz), wanneer de routinglengte van PCB meer is dan 0,2ns x 6=1,2inch, zal ernstige roepen plaatsvinden op signalen. Daarom is de kritieke lengte 1,2inch (ongeveer 3cm).

• Kenmerkende impedantie

Kenmerkende impedantie is een belangrijke parameter in impedantiematching die reflectie, roepen, overshoot en undershoot beïnvloedt en direct relateret met integriteit van hoge-snelheid signaaltransmissie, wat zeer belangrijk is in high-speed ontwerp.

Signalen transmitteren langs transmissielijnen, wier verhouding tussen spanning en stroom wordt beschouwd als transiente impedantie. De transiente impedantie op transmissielijnen wordt berekend door Formule . In deze formule, Cₗ verwijst naar capaciteit per eenheid lengte wiens eenheid pF/inch is (het is meestal 3,3pF/inch). Wanneer de transiente impedantie langs transmissielijnen een constante waarde is, wordt deze waarde beschouwd als de kenmerkende impedantie op transmissielijnen. Voor microstrip lijnen en strip lijnen op PCB, kan hun kenmerkende impedantie worden uitgevonden door transmissielijn ontwerptool Polar Si9000, wat in Figuur 1 wordt getoond.

Elementen die Signaalintegriteit beïnvloeden en Oplossingen

• Impedantiematching

Impedantiematching is vereist in high-speed schakelingontwerp om snelle en correcte data transmissie te garanderen. Data accumulatie systeem is doorgaans samengesteld door sensor, signaalconditionering instrument, AD data accumulatie chip, FPGA en SDRAM, zoals in Figuur 2 getoond.

AD9649 wordt toegepast als AD-chip met een 1,8V voeding en parallelle sample door 14 bit data lijn. De samplefrequentie is ingesteld op 20M. PCI9054 wordt geselecteerd als PCI interface chip, ondersteunend DMA data transmissie. 93LC66B wordt geselecteerd als PCI geconfigureerde chip. HY57V561620FTP-H wordt toegepast als dataopslag, bestaande uit 4 BANKs elk met geheugeruimte van 4M x 16bit, 13-rij adreslijnen en 9-kolom adreslijnen. EP1C6F256C8 wordt gekozen door FPGA met een terminalspanning van 3,3V en kernspanning van 1,5V. De breedte van PCI bus is 32 bit met 33MHz klok geselecteerd als de schrijf- en leesklok en de max snelheid van schrijven en lezen bereikt 132MByte per seconde, in staat om high-speed transmissie van geaccumuleerde data te ondersteunen.

De volgende elementen moeten in overweging worden genomen in het proces van PCB-ontwerp:

a. Als een mengsel van digitaal en analoog, is AD een van de sleutelpunten in PCB-ontwerp. Vanwege de hoge frequentie van digitaal deel, is analoog deel vrij gevoelig voor interferentie. Als geschikte verwerking niet wordt geïmplementeerd, zullen digitale signalen neigen om analoog signalen te interfereren zodat EMI-problemen zullen plaatsvinden. De correcte principes die ontwerpers volgen moeten zijn: eerst, digitale aard en analoge aard moeten op PCB met gemengde signalen worden verdeeld; tweede, analoge en digitale elektronische componenten worden geclassificeerd met analoge aard verdeeld in analoog gebied en digitale aard verdeeld in digitaal gebied; derde, analoge aard en digitale aard worden verbonden met magnetische kralen rond gebiedssegmentatie. Deze maatregelen zijn in staat de scheiding tussen digitale aard en analoge aard te implementeren.

b. SDRAM wordt toegepast in data accumulatie systeem en de handleiding geeft duidelijk aan dat datalijnen die verbonden zijn met FPGA moeten worden geconfigureerd met impedantiematching van 50Ω om de high-speed transmissie te garanderen, wat in Figuur 3 getoond wordt.

Na FPGA schrijft geaccumuleerde data in SDRAM, moet verversen constant worden uitgevoerd om data te handhaven en verversperiode van elke rij moet sneller zijn dan 64 milliseconden.

Stappen van impedantiematching door Polar Si9000 software worden weergegeven als volgt:

a. Hoge-snelheid signaallijnen moeten het bovenoppervlak van PCB kruisen en gaten moeten zo veel mogelijk worden vermeden. Microstrip lijn structuurmodel wordt geselecteerd in de software, zoals in Figuur 4 getoond.

Impedantiematching van 50Ω wordt doorgaans uitgevoerd bij enkelzijdige routing en impedantiematching van 90Ω wordt doorgaans uitgevoerd bij differentiele routing (zoals USB2.0 D+, D-).

b. Noodzakelijke impedantiematching waarde en specifieke waarden van PCB-fabricagetechniek worden ingevuld op softwareinterface met parameters waaronder diëlektrische dikte, diëlektrische constante van PCB-materiaal, koperfoliedikte, groenolie dikte en diëlektrische constante van groenolie.

Item	Beschrijving	Referentie en berekende waarde
H1	Diëlektrische dikte (PP of bordmateriaal)	3,5-8,5mil
Er1	Diëlektrische constante van bordmateriaal	4-4,6
W1	Signaalroutingbreedte	Gebaseerd op impedantiewaarde
C1	Dikte van groen olie van substraatmateriaal	0,8mil
C2	Dikte van groen olie op koper	0,5mil
CEr	Diëlektrische constante van groen olie	3,3
Zo	Te matchen impedantiewaarde	Enkel terminal: 50Ω Differentieel: 90Ω

Specifieke parameters van fabricagetechniek kunnen bekend worden door communicatie met PCB-fabrikant zodat breedte van leidingen kan worden uitgevonden. Voor differentiele microstrip lijnen, moet afstand tussen leidingen (S1) ook worden uitgevonden.

c. Als de berekende breedte van leidingen relatief groot is en PCB-routing niet kan worden voltooid, moet meer communicatie worden gemaakt met PCB-fabrikanten om parameters in fabricagetechniek aan te passen met ontwerpvereiste voldaan.

• Crosstalk

Crosstalk verwijst naar onverwachte spanningsruis interferentie op aangrenzende transmissielijnen als resultaat van elektromagnetische koppeling wanneer signalen worden getransmitteerd op transmissielijnen. Te veel crosstalk kan leiden tot valse triggering van schakeling zodat systeem niet normaal werkt. Crosstalk wordt gegenereerd door elektromagnetische koppeling en koppeling is verdeeld in capacitatieve koppeling en inductieve koppeling. De eerste is eigenlijk elektromagnetische interferentie geleid door inductieve stroom die wordt veroorzaakt als resultaat van spanningsverandering bij interferentiebron terwijl de laatste eigenlijk elektromagnetische interferentie is geleid door inductieve spanning die wordt veroorzaakt als resultaat van stroomverandering bij interferentiebron. Als de toestand van interferentiebron verandert, zal een serie interferentiepuls worden gegenereerd op gestoorde objecten, wat heel gemeenschappelijk is in high-speed systeem.

Maatregelen om met crosstalk om te gaan worden weergegeven als volgt:
a. Orthogonaliteit moet worden gehandhaafd op routingrichtingen tussen aangrenzende vlakken. Dezelfde richting moet worden vermeden in aangrenzende vlakken met verschillende signaallijnen om crosstalk te verminderen. Vooral wanneer signaalsnelheid relatief hoog is, moet aard worden overwogen om routingvlakken te scheiden en signaallijnen moeten worden gescheiden door aard signaallijnen.
b. Om crosstalk tussen lijnen te verminderen, moet spacing tussen lijnen groot genoeg zijn. Wanneer afstand tussen centra van lijnen niet minder is dan drie keer de lijnbreedte, kan 70% van elektrisch veld worden gestopt van wederzijdse interferentie, wat 3W-principe is.
c. In de situatie waar hoge-snelheid signaallijnen aan de vereiste voldoen, kan matching worden geopend aan aansluitingsterminaal om reflectie te verminderen of te elimineren en crosstalk te verminderen.

Toepassing van Signaalintegriteit Ontwerpmethode

In het proces van PCB-ontwerp, zijn veel ontwerp regels samengevat op basis van signaalintegriteit theorie. Met referentie van deze PCB-ontwerp regels, kan signaalintegriteit beter worden verkregen. In het proces van PCB-ontwerp, moet ontwerpinformatie in detail bekend zijn, waaronder:
a. Componentlayoutpositie, of er speciale vereisten zijn op componenten met groot vermogen en warmteafgifte op chipcomponenten.
b. Classificatie van signalen, snelheid, transmissierichting en impedantiematching vereiste.
c. Signaal aansturingscapaciteit, sleutelsignaal en beschermingsmaatregelen.
d. Typen van voeding, aard, ruislimiet vereiste van voeding en aard, instelling van voedingsvlak en aardvlak en verdeling.
e. Type en snelheid van kloklijnen, bron van kloklijnen, richting, vertragingsvereiste van klok en maximum routingvereiste.

Nuttige bronnen

• 3 Routing Technieken op PCB High-speed Signaal Circuit Ontwerp
• Onderdrukkingsmethode van Signaalreflectie in High-speed PCB Layout
• Signaalintegriteit Analyse en PCB-ontwerp op High-speed Digitaal-Analoog Gemengde Circuit
• Impedantiecontrole van Via's en Invloed op Signaalintegriteit in PCB-ontwerp
• Volledige PCB-fabricageservice van PCBCart - Meerdere waardevolgende opties
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCBCart - Vanaf 1 stuk