Jak se vyhnout efektu přenosové linky v vysokorychlostní PCB design

1. Metody potlačení elektromagnetického rušení

Dobré řešení problému integrity signálu zlepší elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) desky plošných spojů. Jedním z nejdůležitějších je zajistit, aby deska PCB měla dobré uzemnění. Signální vrstva se základní vrstvou je velmi efektivní metodou pro komplexní návrh. Minimalizace hustoty signálu nejvzdálenější vrstvy desky s obvody je navíc také dobrým způsobem, jak snížit elektromagnetické záření. Této metody lze dosáhnout použitím návrhu „plošného povrchu“ technologie „vybudování“ desky plošných spojů. Vrstva povrchové plochy je dosažena přidáním kombinace tenkých izolačních vrstev a mikropórů použitých k proniknutí do těchto vrstev na obecný proces DPS. Odpor a kapacita mohou být uloženy pod povrchem a lineární hustota na jednotku plochy se téměř zdvojnásobí, čímž se sníží objem desky plošných spojů. Zmenšení oblasti PCB má obrovský dopad na topologii směrování, což znamená, že se zmenší proudová smyčka, sníží se délka směrování větví a elektromagnetické záření je přibližně úměrné ploše proudové smyčky; Malé charakteristiky velikosti současně znamenají, že lze použít vývody pinů s vysokou hustotou, což zase snižuje délku drátu, čímž se snižuje proudová smyčka a zlepšují se charakteristiky EMC.

2. Přísně kontrolujte délky kabelů klíčových síťových kabelů

Pokud má konstrukce vysokorychlostní skokovou hranu, je třeba vzít v úvahu vliv přenosového vedení na desku plošných spojů. Dnes běžně používané čipy s rychlým integrovaným obvodem s vysokou taktovací frekvencí jsou ještě problematičtější. Tento problém lze vyřešit několika základními principy: pokud jsou pro návrh použity obvody CMOS nebo TTL, je pracovní frekvence menší než 10 MHz a délka vedení by neměla být větší než 7 palců. Pokud je provozní frekvence 50 MHz, délka kabelu by neměla být větší než 1.5 palce. Pokud provozní frekvence dosahuje nebo překračuje 1 MHz, délka vedení by měla být 75 palec. Maximální délka vedení pro čipy GaAs by měla být 0.3 palce. Pokud je toto překročeno, došlo k problému s přenosovou linkou.

3. Správně naplánujte topologii kabeláže

Dalším způsobem, jak vyřešit efekt přenosové linky, je vybrat správnou směrovací cestu a topologii terminálu. Topologie kabeláže se týká pořadí kabeláže a struktury síťového kabelu. Když se používají vysokorychlostní logická zařízení, signál s rychle se měnícími hranami bude zkreslen větvemi signálového kanálu, pokud není délka větve udržována velmi krátká. Směrování DPS obecně přijímá dvě základní topologie, a to směrování Daisy Chain a distribuci Star.

U řetězového zapojení začíná zapojení na konci ovladače a postupně se dostává ke každému přijímacímu konci. Pokud je ke změně charakteristik signálu použit sériový odpor, měla by být poloha sériového odporu blízko konce budiče. Daisy chain kabeláž je nejlepší v ovládání vysokého harmonického rušení kabeláže. Tento druh kabeláže má však nejnižší přenosovou rychlost a není snadné jej 100%předat. Ve skutečném návrhu chceme, aby délka větve v řetězci Daisy byla co nejkratší a bezpečná hodnota délky by měla být: Stub Delay < = Trt * 0.1.

Například konce větví ve vysokorychlostních obvodech TTL by měly být kratší než 1.5 palce. Tato topologie zabírá méně místa pro zapojení a může být ukončena jediným odpovídajícím odporem. Tato struktura zapojení však způsobuje, že příjem signálu na jiném přijímači signálu není synchronní.

Hvězdicová topologie může účinně zabránit problému synchronizace hodinového signálu, ale je velmi obtížné ručně dokončit zapojení na PCB s vysokou hustotou. Použití automatické kabeláže je nejlepší způsob, jak dokončit hvězdicovou kabeláž. Na každé větvi je vyžadován koncový odpor. Hodnota odporu svorky by měla odpovídat charakteristické impedanci drátu. To lze provést ručně nebo pomocí nástrojů CAD pro výpočet charakteristických hodnot impedance a hodnot odpovídajících odporů svorek.

Zatímco ve výše uvedených dvou příkladech jsou použity jednoduché koncové odpory, v praxi je složitější shodný terminál volitelný. První možností je RC zápasový terminál. Terminály pro přizpůsobení RC mohou snížit spotřebu energie, ale lze je použít pouze tehdy, je -li provoz signálu relativně stabilní. Tato metoda je nejvhodnější pro zpracování shody signálu hodinového řádku. Nevýhodou je, že kapacita v RC odpovídajícím terminálu může ovlivnit tvar a rychlost šíření signálu.

Sériový terminál pro přizpůsobení odporu nevytváří žádnou další spotřebu energie, ale zpomaluje přenos signálu. Tento přístup se používá v obvodech řízených sběrnicí, kde časové zpoždění není významné. Sériový odporový terminál má také výhodu ve snížení počtu zařízení použitých na desce a hustoty připojení.

Poslední metodou je oddělit odpovídající terminál, ve kterém musí být odpovídající prvek umístěn poblíž přijímacího konce. Jeho výhodou je, že nebude stahovat signál a může být velmi dobré se vyhnout šumu. Obvykle se používá pro vstupní signály TTL (ACT, HCT, FAST).

Kromě toho je třeba vzít v úvahu typ balení a typ instalace rezistoru pro přizpůsobení svorek. Rezistory pro povrchovou montáž SMD mají obecně nižší indukčnost než součástky s průchozími otvory, proto jsou upřednostňovány součásti SMD pouzdra. Existují také dva instalační režimy pro běžné přímé odpory: svislý a vodorovný.

V režimu svislé montáže má odpor krátký montážní kolík, který snižuje tepelný odpor mezi odporem a deskou s obvody a usnadňuje vyzařování odporového tepla do vzduchu. Ale delší vertikální instalace zvýší indukčnost rezistoru. Horizontální instalace má nižší indukčnost díky nižší instalaci. Přehřátý odpor se však bude unášet a v nejhorším případě se odpor rozepne, což způsobí, že selhání párování zakončení vodičů desky plošných spojů se stane potenciálním faktorem selhání.

4. Další použitelné technologie

Aby se snížilo překročení přechodového napětí na napájecím zdroji IC, měl by být na čip IC přidán oddělovací kondenzátor. Tím se účinně odstraní dopad otřepů na napájecí zdroj a sníží se záření z napájecí smyčky na tištěné desce.

Efekt vyhlazování otřepů je nejlepší, když je odpojovací kondenzátor připojen přímo k napájecímu rameni integrovaného obvodu, nikoli k napájecí vrstvě. To je důvod, proč některá zařízení mají v zásuvkách oddělovací kondenzátory, zatímco jiná vyžadují, aby vzdálenost mezi odpojovacím kondenzátorem a zařízením byla dostatečně malá.

Všechna zařízení s vysokou rychlostí a vysokou spotřebou energie by měla být umístěna co nejdál, aby se snížilo přechodné překročení napájecího napětí.

Bez napájecí vrstvy tvoří dlouhé elektrické vedení smyčku mezi signálem a smyčkou, která slouží jako zdroj záření a indukční obvod.

Kabeláž tvořící smyčku, která neprochází stejným síťovým kabelem nebo jinou kabeláží, se nazývá otevřená smyčka. Pokud smyčka prochází stejným síťovým kabelem, tvoří další trasy uzavřenou smyčku. V obou případech může dojít k efektu antény (linková anténa a kruhová anténa).