1 spørgsmål

Med den store stigning i designkompleksiteten og integrationen af ​​elektroniske systemer bliver clockhastigheder og enhedsstigningstider hurtigere og hurtigere, og højhastigheds-printkort design has become an important part of the design process. In high-speed circuit design, the inductance and capacitance on the circuit board line make the wire equivalent to a transmission line. Incorrect layout of termination components or incorrect wiring of high-speed signals can cause transmission line effect problems, resulting in incorrect data output from the system, abnormal circuit operation or even no operation at all. Based on the transmission line model, to sum up, the transmission line will bring adverse effects such as signal reflection, crosstalk, electromagnetic interference, power supply and ground noise to the circuit design.

For at designe et højhastigheds PCB-kredsløbskort, der kan fungere pålideligt, skal designet overvejes fuldt ud og omhyggeligt for at løse nogle upålidelige problemer, der kan opstå under layout og routing, forkorte produktudviklingscyklussen og forbedre markedets konkurrenceevne.

Sådan bruges PROTEL-designværktøjer til højhastigheds PCB-design

2 Layoutdesign af højfrekvenssystem

I printdesignet af kredsløbet er layoutet et vigtigt led. Resultatet af layoutet vil direkte påvirke ledningseffekten og systemets pålidelighed, hvilket er det mest tidskrævende og vanskelige i hele printpladedesignet. Det komplekse miljø med højfrekvente PCB gør layoutdesignet af højfrekvenssystemet vanskeligt at bruge den lærte teoretiske viden. Det kræver, at den, der udlægger, skal have rig erfaring med højhastigheds PCB-fremstilling, for at undgå omveje i designprocessen. Forbedre pålideligheden og effektiviteten af ​​kredsløbsarbejde. I processen med layout bør der tages omfattende hensyn til den mekaniske struktur, varmeafledning, elektromagnetisk interferens, bekvemmeligheden ved fremtidige ledninger og æstetik.

First of all, before layout, the entire circuit is divided into functions. The high-frequency circuit is separated from the low-frequency circuit, and the analog circuit and the digital circuit are separated. Each functional circuit is placed as close as possible to the center of the chip. Avoid transmission delay caused by excessively long wires, and improve the decoupling effect of capacitors. In addition, pay attention to the relative positions and directions between the pins and circuit components and other tubes to reduce their mutual influence. All high-frequency components should be far away from the chassis and other metal plates to reduce parasitic coupling.

For det andet bør man være opmærksom på de termiske og elektromagnetiske effekter mellem komponenter under layout. Disse effekter er særligt alvorlige for højfrekvente systemer, og foranstaltninger til at holde væk eller isolere, varme og afskærmning bør træffes. Højeffektensretterrøret og justeringsrøret skal være udstyret med en radiator og holdes væk fra transformeren. Varmebestandige komponenter såsom elektrolytiske kondensatorer bør holdes væk fra varmekomponenter, ellers vil elektrolytten blive tørret ud, hvilket resulterer i øget modstand og dårlig ydeevne, hvilket vil påvirke kredsløbets stabilitet. Der skal efterlades tilstrækkelig plads i layoutet til at arrangere den beskyttende struktur og forhindre indførelse af forskellige parasitiske koblinger. For at forhindre elektromagnetisk kobling mellem spolerne på printpladen bør de to spoler placeres i rette vinkler for at reducere koblingskoefficienten. Metoden til vertikal pladeisolering kan også anvendes. Det er bedst at bruge ledningen til den komponent, der skal loddes til kredsløbet, direkte. Jo kortere ledning, jo bedre. Brug ikke konnektorer og loddeflige, da der er fordelt kapacitans og distribueret induktans mellem tilstødende loddeflige. Undgå at placere komponenter med høj støj omkring krystaloscillatoren, RIN, analog spænding og referencespændingssignalspor.

Endelig, samtidig med at den iboende kvalitet og pålidelighed sikres, mens der tages hensyn til den overordnede skønhed, bør der udføres en rimelig planlægning af printkort. Komponenterne skal være parallelle eller vinkelrette på pladens overflade og parallelle eller vinkelrette på hovedkortets kant. Fordelingen af ​​komponenter på pladens overflade skal være så jævn som muligt, og tætheden skal være ensartet. På den måde er det ikke kun smukt, men også nemt at samle og svejse, og det er nemt at masseproducere.

3 Wiring of high frequency system

I højfrekvente kredsløb kan fordelingsparametrene for modstand, kapacitans, induktans og gensidig induktans af forbindelsesledningerne ikke ignoreres. Fra anti-interferens perspektiv er rimelig ledningsføring at forsøge at reducere linjemodstanden, fordelt kapacitans og omstrejfende induktans i kredsløbet. , Det resulterende herreløse magnetfelt reduceres til et minimum, således at den fordelte kapacitans, lækagemagnetisk flux, elektromagnetisk gensidig induktans og anden interferens forårsaget af støj undertrykkes.

Anvendelsen af ​​PROTEL-designværktøjer i Kina har været ret almindelig. Mange designere fokuserer dog kun på “bredbåndshastigheden”, og forbedringerne foretaget af PROTEL-designværktøjerne for at tilpasse sig ændringerne i enhedskarakteristika er ikke blevet brugt i designet, hvilket ikke kun gør spildet af ressourcer til designværktøjer mere. seriøst, hvilket gør det svært for mange nye enheders fremragende ydeevne at bringes i spil.

Det følgende introducerer nogle specielle funktioner, som PROTEL99 SE-værktøjet kan levere.

(1) Ledningen mellem stifterne på højfrekvenskredsløbsenheden skal bøjes så lidt som muligt. Det er bedst at bruge en hel lige linje. Når bøjning er påkrævet, kan 45° bøjninger eller buer bruges, hvilket kan reducere den eksterne udsendelse af højfrekvente signaler og gensidig interferens. Koblingen mellem. Når du bruger PROTEL til routing, kan du vælge 45-grader eller afrundet i “Routing Corners” i “regler”-menuen i “Design”-menuen. Du kan også bruge Shift + mellemrumstasterne til hurtigt at skifte mellem linjerne.

(2) Jo kortere ledningen mellem stifterne på højfrekvenskredsløbsenheden er, jo bedre.

PROTEL 99 Den mest effektive måde at imødekomme de korteste ledninger på er at lave en aftale om ledningsføring for individuelle vigtige højhastighedsnetværk før automatisk ledningsføring. “Routing Topology” i “regler” i menuen “Design”.

Select shortest.

(3) Alternation of lead layers between pins of high-frequency circuit devices is as small as possible. That is, the fewer vias used in the component connection process, the better.

One via can bring about 0.5pF of distributed capacitance, and reducing the number of vias can significantly increase the speed.

(4) For højfrekvente kredsløbsledninger skal du være opmærksom på “krydsinterferensen”, der introduceres af den parallelle ledning af signallinjen, det vil sige krydstale. Hvis parallel fordeling er uundgåelig, kan et stort areal “jord” arrangeres på den modsatte side af den parallelle signallinje

For i høj grad at reducere interferens. Parallel ledninger i samme lag er næsten uundgåelig, men i to tilstødende lag skal ledningsretningen være vinkelret på hinanden. Dette er ikke svært at gøre i PROTEL, men det er let at overse. I “RoutingLayers” i “Design”-menuen “rules”, vælg Horisontal for Topplayer og VerTIcal for BottomLayer. Derudover er “Polygonplane” tilvejebragt i “place”

Funktionen af ​​det polygonale gitter kobberfolieoverflade, hvis du placerer polygonen som en overflade af hele printpladen og forbinder dette kobber til kredsløbets GND, kan det forbedre højfrekvente anti-interferensevne, Det har også større fordele for varmeafledning og printpladestyrke.

(5) Implementer jordledningsindkapslingsforanstaltninger for særligt vigtige signallinjer eller lokale enheder. “Overtegn udvalgte objekter” findes i “Værktøjer”, og denne funktion kan bruges til automatisk at “omvikle jorden” af de valgte vigtige signallinjer (såsom oscillationskredsløb LT og X1).

(6) Generelt er kredsløbets strømledning og jordforbindelse bredere end signalledningen. Du kan bruge “Klasser” i menuen “Design” til at klassificere netværket, som er opdelt i strømnetværk og signalnetværk. Det er praktisk at indstille ledningsreglerne. Skift ledningsbredden på strømledningen og signalledningen.

(7) Forskellige typer ledninger kan ikke danne en sløjfe, og jordledningen kan ikke danne en strømsløjfe. Hvis der genereres et sløjfekredsløb, vil det forårsage en del interferens i systemet. En daisy chain ledningsmetode kan bruges til dette, som effektivt kan undgå dannelsen af ​​løkker, grene eller stubbe under ledningsføring, men det vil også medføre problemet med ikke let ledningsføring.

(8) I henhold til data og design af forskellige chips, estimer strømmen, der passerer af strømforsyningskredsløbet, og bestem den nødvendige ledningsbredde. Ifølge den empiriske formel: W (linjebredde) ≥ L (mm/A) × I (A).

I henhold til strømmen, prøv at øge bredden af ​​elledningen og reducere sløjfemodstanden. Gør samtidig retningen af ​​strømledningen og jordledningen i overensstemmelse med retningen af ​​datatransmission, hvilket hjælper med at forbedre anti-støj-evnen. Når det er nødvendigt, kan en højfrekvent chokerenhed fremstillet af kobbertrådsviklet ferrit tilføjes til elledningen og jordledningen for at blokere ledningen af ​​højfrekvent støj.

(9) Ledningsbredden af ​​det samme netværk bør holdes den samme. Variationer i linjebredden vil forårsage ujævn linjekarakteristisk impedans. Når transmissionshastigheden er høj, vil der opstå refleksion, hvilket så vidt muligt bør undgås i designet. Øg samtidig linjebredden af ​​parallelle linjer. Når liniemidtafstanden ikke overstiger 3 gange liniebredden, kan 70 % af det elektriske felt opretholdes uden gensidig interferens, hvilket kaldes 3W-princippet. På denne måde kan indflydelsen af ​​distribueret kapacitans og distribueret induktans forårsaget af parallelle linjer overvindes.

4 Design af strømledning og jordledning

For at løse spændingsfaldet forårsaget af strømforsyningsstøjen og linjeimpedansen introduceret af højfrekvenskredsløbet, skal pålideligheden af ​​strømforsyningssystemet i højfrekvenskredsløbet tages i betragtning. Der er generelt to løsninger: Den ene er at bruge strømbusteknologi til ledningsføring; den anden er at bruge et separat strømforsyningslag. Til sammenligning er sidstnævntes fremstillingsproces mere kompliceret, og omkostningerne er dyrere. Derfor kan strømbusteknologien af ​​netværkstypen bruges til ledninger, så hver komponent tilhører en anden sløjfe, og strømmen på hver bus på netværket har en tendens til at være afbalanceret, hvilket reducerer spændingsfaldet forårsaget af linjeimpedansen.

Den højfrekvente transmissionseffekt er relativt stor, du kan bruge et stort område af kobber og finde et jordplan med lav modstand i nærheden til flere jordforbindelser. Fordi induktansen af ​​jordledningen er proportional med frekvensen og længden, vil den fælles jordimpedans blive øget, når driftsfrekvensen er høj, hvilket vil øge den elektromagnetiske interferens, der genereres af den fælles jordimpedans, så længden af ​​jordledningen er skal være så kort som muligt. Prøv at reducere længden af ​​signallinjen og øge arealet af jordsløjfen.

Indstil en eller flere højfrekvente afkoblingskondensatorer på chippens strøm og jord for at give en nærliggende højfrekvent kanal til den integrerede chips transiente strøm, så strømmen ikke passerer gennem strømforsyningsledningen med en stor sløjfe område, og derved i høj grad reducere støjen, der udstråles til ydersiden. Vælg monolitiske keramiske kondensatorer med gode højfrekvente signaler som afkoblingskondensatorer. Brug tantalkondensatorer med stor kapacitet eller polyesterkondensatorer i stedet for elektrolytiske kondensatorer som energilagringskondensatorer til kredsløbsopladning. Fordi den distribuerede induktans af den elektrolytiske kondensator er stor, er den ugyldig for høj frekvens. Når du bruger elektrolytiske kondensatorer, skal du bruge dem i par med afkoblingskondensatorer med gode højfrekvensegenskaber.

5 Andre højhastighedskredsløbsdesignteknikker

Impedanstilpasning refererer til en arbejdstilstand, hvor belastningsimpedansen og den interne impedans af excitationskilden er tilpasset til hinanden for at opnå den maksimale udgangseffekt. For højhastigheds-PCB-ledninger skal impedansen af ​​kredsløbet være 50 Ω for at forhindre signalrefleksion. Dette er et omtrentligt tal. Generelt er det fastsat, at basisbåndet for koaksialkabel er 50 Ω, frekvensbåndet er 75 Ω, og den snoede ledning er 100 Ω. Det er kun et heltal, for at gøre det lettere at matche. I henhold til den specifikke kredsløbsanalyse er den parallelle AC-terminering vedtaget, og modstanden og kondensatornetværket bruges som termineringsimpedans. Afslutningsmodstanden R skal være mindre end eller lig med transmissionsledningsimpedansen Z0, og kapacitansen C skal være større end 100 pF. Det anbefales at bruge 0.1UF flerlags keramiske kondensatorer. Kondensatoren har funktionen at blokere lav frekvens og passere høj frekvens, så modstanden R er ikke DC-belastningen af ​​drivkilden, så denne termineringsmetode har ikke noget DC-strømforbrug.

Krydstale refererer til den uønskede spændingsstøjinterferens forårsaget af elektromagnetisk kobling til tilstødende transmissionslinjer, når signalet forplanter sig på transmissionslinjen. Kobling er opdelt i kapacitiv kobling og induktiv kobling. Overdreven krydstale kan forårsage falsk udløsning af kredsløbet og få systemet til ikke at fungere normalt. Ifølge nogle karakteristika ved krydstale kan flere hovedmetoder til at reducere krydstale opsummeres:

(1) Forøg linjeafstanden, reducer den parallelle længde, og brug jog-metoden til ledninger, hvis det er nødvendigt.

(2) Når højhastighedssignallinjer opfylder betingelserne, kan tilføjelse af termineringstilpasning reducere eller eliminere refleksioner og derved reducere krydstale.

(3) For mikrostrip-transmissionslinjer og strip-transmissionslinjer kan en begrænsning af sporhøjden til inden for området over jordplanet reducere krydstale betydeligt.

(4) Når ledningspladsen tillader det, indsæt en jordledning mellem de to ledninger med mere alvorlig krydstale, som kan spille en rolle i isolering og reducere krydstale.

På grund af manglen på højhastighedsanalyse og simuleringsvejledning i traditionelt PCB-design kan signalkvaliteten ikke garanteres, og de fleste af problemerne kan ikke opdages før pladefremstillingstesten. Dette reducerer designeffektiviteten i høj grad og øger omkostningerne, hvilket naturligvis er ufordelagtigt i den hårde markedskonkurrence. Derfor har folk i industrien foreslået en ny designidé, som er blevet en “top-down” designmetode til højhastigheds-PCB-design. Efter en række forskellige politiske analyser og optimering er de fleste af de mulige problemer blevet undgået, og der er foretaget mange besparelser. Tid til at sikre, at projektbudgettet bliver overholdt, at der produceres tryktavler af høj kvalitet, og kedelige og bekostelige testfejl undgås.

Brugen af ​​differentielle linjer til at transmittere digitale signaler er en effektiv foranstaltning til at kontrollere faktorer, der ødelægger signalintegriteten i højhastigheds digitale kredsløb. Differentiallinjen på printkortet svarer til et differentielt mikrobølgeintegreret transmissionslinjepar, der arbejder i kvasi-TEM-tilstand. Blandt dem svarer differentiallinjen på toppen eller bunden af ​​printkortet til den koblede mikrostriplinje og er placeret på det indre lag af flerlagsprintkortet. Differentiallinjen svarer til en bredsidet koblet striplinje. Det digitale signal transmitteres på differentiallinjen i en ulige-mode-transmissionstilstand, det vil sige, at faseforskellen mellem de positive og negative signaler er 180°, og støjen kobles på et par differentielle linjer i en fælles tilstand. Spændingen eller strømmen af ​​kredsløbet trækkes fra, så signalet kan opnås for at eliminere common mode støj. Lavspændingsamplitude- eller strømdrevets output fra differentiallinjeparret opfylder kravene til højhastighedsintegration og lavt strømforbrug.

6 afsluttende bemærkninger

With the continuous development of electronic technology, it is imperative to understand the theory of signal integrity to guide and verify the design of high-speed PCBs. Some experience summarized in this article can help high-speed circuit PCB designers shorten the development cycle, avoid unnecessary detours, and save manpower and material resources. Designers must continue to research and explore in actual work, continue to accumulate experience, and combine new technologies to design high-speed PCB circuit boards with excellent performance.