V současné době vysokofrekvenční a vysokorychlostní PCB design se stal hlavním proudem a každý technik PCB Layout by měl být zběhlý. Dále se s vámi Banermei podělí o některé zkušenosti s návrhem hardwarových odborníků na vysokofrekvenční a vysokorychlostní obvody PCB a doufám, že to bude užitečné pro všechny.

1. Jak se vyhnout vysokofrekvenčnímu rušení?

Základní myšlenkou, jak se vyhnout vysokofrekvenčnímu rušení, je minimalizovat rušení elektromagnetického pole vysokofrekvenčních signálů, což je takzvaný přeslech (Crosstalk). Můžete zvětšit vzdálenost mezi vysokorychlostním signálem a analogovým signálem nebo přidat k analogovému signálu stopy zemní ochrany/směrníku. Věnujte také pozornost šumovému rušení z digitální země do analogové země.

2.Jak zvážit impedanční přizpůsobení při navrhování schémat návrhu vysokorychlostních desek plošných spojů?

Při návrhu vysokorychlostních obvodů PCB je impedanční přizpůsobení jedním z konstrukčních prvků. Hodnota impedance má absolutní vztah k metodě zapojení, jako je chůze po povrchové vrstvě (mikropáska) nebo vnitřní vrstvě (páskový/dvojitý pásek), vzdálenost od referenční vrstvy (výkonová vrstva nebo zemní vrstva), šířka vedení, materiál PCB atd. Obojí ovlivní charakteristickou hodnotu impedance stopy. To znamená, že hodnotu impedance lze určit až po zapojení. Simulační software obecně nemůže vzít v úvahu některé podmínky zapojení s nespojitou impedancí kvůli omezením modelu obvodu nebo použitého matematického algoritmu. V tuto chvíli mohou být ve schématu vyhrazeny pouze některé terminátory (zakončení), například sériový odpor. Zmírněte vliv diskontinuity ve stopové impedanci. Skutečným řešením problému je pokusit se vyhnout nespojitosti impedance při zapojení.

3. Které aspekty by měl při návrhu vysokorychlostních desek plošných spojů brát v úvahu EMC a EMI pravidla?

Obecně musí návrh EMI/EMC brát v úvahu vyzařované i vedené aspekty současně. První patří do vyšší frekvenční části (<30MHz) a druhá je nižší frekvenční část (<30MHz). Nemůžete tedy věnovat pozornost pouze vysoké frekvenci a ignorovat nízkofrekvenční část. Dobrý návrh EMI/EMC musí vzít v úvahu umístění zařízení, uspořádání desky plošných spojů, důležitý způsob připojení, výběr zařízení atd. na začátku uspořádání. Pokud nebude předem lepší domluva, bude se to řešit dodatečně. S polovičním úsilím udělá dvojnásobný výsledek a zvýší náklady. Například umístění generátoru hodin by nemělo být blízko externího konektoru. Vysokorychlostní signály by měly jít co nejvíce do vnitřní vrstvy. Věnujte pozornost charakteristickému přizpůsobení impedance a spojitosti referenční vrstvy, abyste snížili odrazy. Rychlost přeběhu signálu tlačeného zařízením by měla být co nejmenší, aby se snížila výška. Frekvenční komponenty při výběru oddělovacího/bypass kondenzátoru věnujte pozornost tomu, zda jeho frekvenční charakteristika splňuje požadavky na snížení šumu na výkonové rovině. Kromě toho věnujte pozornost zpětné cestě vysokofrekvenčního signálového proudu, aby byla plocha smyčky co nejmenší (tedy impedance smyčky co nejmenší), aby se omezilo vyzařování. Zem může být také rozdělena pro ovládání rozsahu vysokofrekvenčního hluku. Nakonec správně vyberte kostru šasi mezi DPS a pouzdrem.

4. Jak vybrat desku PCB?

Volba desky plošných spojů musí najít rovnováhu mezi splněním požadavků na design a sériovou výrobou a náklady. Požadavky na konstrukci zahrnují elektrické i mechanické části. Obvykle je tento materiálový problém důležitější při navrhování velmi vysokorychlostních desek plošných spojů (frekvence vyšší než GHz). Například běžně používaný materiál FR-4, dielektrické ztráty na frekvenci několika GHz budou mít velký vliv na útlum signálu a nemusí být vhodné. U elektřiny si dejte pozor, zda dielektrická konstanta a dielektrická ztráta jsou vhodné pro navrženou frekvenci.

5. Jak co nejvíce splnit požadavky EMC, aniž by to způsobilo příliš velký tlak na náklady?

Zvýšené náklady na desku plošných spojů v důsledku EMC jsou obvykle způsobeny zvýšením počtu zemních vrstev pro zvýšení stínícího efektu a přidáním feritových korálků, tlumivky a dalších zařízení pro potlačení vysokofrekvenčních harmonických. Navíc je obvykle nutné sladit strukturu stínění na jiných institucích, aby celý systém splnil požadavky EMC. Níže je uvedeno pouze několik technik návrhu desky plošných spojů pro snížení účinku elektromagnetického záření generovaného obvodem.

Zkuste si vybrat zařízení s pomalejší rychlostí přeběhu signálu, abyste snížili vysokofrekvenční složky generované signálem.

Dávejte pozor na umístění vysokofrekvenčních komponent, ne příliš blízko externího konektoru.

Věnujte pozornost impedančnímu přizpůsobení vysokorychlostních signálů, vrstvě vodiče a její zpětné proudové cestě, aby se snížily vysokofrekvenční odrazy a záření.

Umístěte dostatečné a vhodné oddělovací kondenzátory na napájecí kolíky každého zařízení, abyste zmírnili šum na napájecí a zemnící ploše. Věnujte zvláštní pozornost tomu, zda frekvenční charakteristika a teplotní charakteristiky kondenzátoru splňují požadavky na konstrukci.

Uzemnění v blízkosti externího konektoru lze řádně oddělit od země a uzemnění konektoru lze připojit k blízkému uzemnění šasi.

Vedle některých speciálních vysokorychlostních signálů lze vhodně použít zemní ochranné/boční stopy. Věnujte však pozornost vlivu ochranných/bočních stop na charakteristickou impedanci stopy.

Výkonová vrstva se zmenšuje o 20H od základní vrstvy a H je vzdálenost mezi napájecí vrstvou a základní vrstvou.

6. Jakým aspektům je třeba věnovat pozornost při návrhu, směrování a uspořádání vysokofrekvenční desky plošných spojů nad 2G?

Vysokofrekvenční desky plošných spojů nad 2G patří do návrhu vysokofrekvenčních obvodů a nejsou v rámci diskuse o návrhu vysokorychlostních digitálních obvodů. Uspořádání a směrování vysokofrekvenčního obvodu by mělo být zváženo společně se schématem, protože uspořádání a směrování způsobí distribuční efekty. Některá pasivní zařízení v návrhu radiofrekvenčních obvodů jsou navíc realizována pomocí parametrizovaných definic a speciálně tvarovaných měděných fólií. K poskytování parametrizovaných zařízení a úpravě měděných fólií speciálního tvaru jsou proto zapotřebí nástroje EDA. Boardstation Mentor má speciální modul RF designu, který tyto požadavky dokáže splnit. Navíc obecný RF design vyžaduje specializované nástroje pro analýzu RF obvodů. Nejznámější v tomto odvětví je eesoft společnosti agilent, který má dobré rozhraní s nástroji Mentor.

7. Ovlivní přidání testovacích bodů kvalitu vysokorychlostních signálů?

Zda to ovlivní kvalitu signálu, závisí na způsobu přidávání testovacích bodů a na rychlosti signálu. V zásadě lze k lince přidat další testovací body (nepoužívat stávající propojovací nebo DIP kolík jako testovací body) nebo z ní vytáhnout krátkou čáru. První je ekvivalentní přidání malého kondenzátoru na linku, druhý je další větev. Obě tyto podmínky více či méně ovlivní vysokorychlostní signál a rozsah vlivu souvisí s frekvenční rychlostí signálu a hranovou rychlostí signálu. Velikost dopadu lze zjistit pomocí simulace. V zásadě platí, že čím menší testovací bod, tím lépe (musí samozřejmě splňovat požadavky testovacího nástroje) čím kratší větev, tím lépe.