1 Fragen

Mit der enormen Zunahme der Designkomplexität und der Integration elektronischer Systeme werden Taktraten und Geräteanstiegszeiten immer schneller und Hochgeschwindigkeitsplatine Design ist zu einem wichtigen Bestandteil des Designprozesses geworden. Beim Design von Hochgeschwindigkeitsschaltungen machen die Induktivität und Kapazität auf der Leiterplattenleitung den Draht zu einer Übertragungsleitung. Ein falsches Layout der Abschlusskomponenten oder eine falsche Verdrahtung von Hochgeschwindigkeitssignalen kann zu Problemen mit Übertragungsleitungseffekten führen, die zu einer falschen Datenausgabe vom System, einem anormalen Schaltungsbetrieb oder sogar zu keinem Betrieb führen. Basierend auf dem Übertragungsleitungsmodell wird die Übertragungsleitung zusammenfassend nachteilige Auswirkungen wie Signalreflexion, Übersprechen, elektromagnetische Störungen, Stromversorgung und Erdungsrauschen auf das Schaltungsdesign haben.

Um eine Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte zu entwerfen, die zuverlässig funktioniert, muss das Design vollständig und sorgfältig durchdacht werden, um einige unzuverlässige Probleme zu lösen, die während des Layouts und Routings auftreten können, den Produktentwicklungszyklus zu verkürzen und die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt zu verbessern.

So verwenden Sie PROTEL-Designtools für das Hochgeschwindigkeits-PCB-Design

2 Layoutdesign des Hochfrequenzsystems

Beim PCB-Design der Schaltung ist das Layout ein wichtiges Glied. Das Ergebnis des Layouts wirkt sich direkt auf den Verdrahtungseffekt und die Zuverlässigkeit des Systems aus, das im gesamten Leiterplattendesign am zeitaufwendigsten und schwierigsten ist. Die komplexe Umgebung von Hochfrequenz-Leiterplatten erschwert das Layoutdesign des Hochfrequenzsystems, um das erlernte theoretische Wissen anzuwenden. Es erfordert, dass die Person, die das Layout erstellt, über reiche Erfahrung in der Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenfertigung verfügen muss, um Umwege im Designprozess zu vermeiden. Verbessern Sie die Zuverlässigkeit und Effektivität der Schaltungsarbeit. Bei der Auslegung sollten die mechanische Struktur, die Wärmeableitung, die elektromagnetischen Störungen, die Bequemlichkeit der zukünftigen Verkabelung und die Ästhetik umfassend berücksichtigt werden.

Zunächst wird vor dem Layout die gesamte Schaltung in Funktionen unterteilt. Die Hochfrequenzschaltung ist von der Niederfrequenzschaltung getrennt, und die analoge Schaltung und die digitale Schaltung sind getrennt. Jeder Funktionskreis wird so nah wie möglich an der Mitte des Chips platziert. Vermeiden Sie Übertragungsverzögerungen durch zu lange Leitungen und verbessern Sie die Entkopplungswirkung von Kondensatoren. Achten Sie außerdem auf die relativen Positionen und Richtungen zwischen den Pins und Schaltungskomponenten und anderen Röhren, um deren gegenseitige Beeinflussung zu reduzieren. Alle Hochfrequenzkomponenten sollten weit vom Chassis und anderen Metallplatten entfernt sein, um parasitäre Kopplungen zu reduzieren.

Zweitens sollte beim Layout auf die thermischen und elektromagnetischen Effekte zwischen den Komponenten geachtet werden. Diese Auswirkungen sind bei Hochfrequenzsystemen besonders gravierend und es sollten Maßnahmen zur Fernhaltung oder Isolierung, Hitze und Abschirmung getroffen werden. Die Hochleistungs-Gleichrichterröhre und die Einstellröhre sollten mit einem Strahler ausgestattet und vom Transformator ferngehalten werden. Hitzebeständige Bauteile wie Elektrolytkondensatoren sollten von heizenden Bauteilen ferngehalten werden, da sonst der Elektrolyt austrocknet, was zu erhöhtem Widerstand und schlechter Leistung führt, was die Stabilität der Schaltung beeinträchtigt. Im Layout sollte genügend Platz gelassen werden, um die Schutzstruktur anzuordnen und das Einbringen verschiedener parasitärer Kopplungen zu verhindern. Um eine elektromagnetische Kopplung zwischen den Spulen auf der Leiterplatte zu vermeiden, sollten die beiden Spulen im rechten Winkel platziert werden, um den Kopplungskoeffizienten zu reduzieren. Das Verfahren der vertikalen Plattenisolation kann ebenfalls verwendet werden. Verwenden Sie am besten direkt die Zuleitung des zu verlötenden Bauteils an die Schaltung. Je kürzer die Führung, desto besser. Verwenden Sie keine Steckverbinder und Lötfahnen, da zwischen benachbarten Lötfahnen eine verteilte Kapazität und eine verteilte Induktivität vorhanden ist. Vermeiden Sie es, Komponenten mit hohem Rauschen in der Nähe von Quarzoszillator-, RIN-, Analogspannungs- und Referenzspannungssignalspuren zu platzieren.

Schließlich sollte unter Wahrung der inhärenten Qualität und Zuverlässigkeit unter Berücksichtigung der Gesamtschönheit eine vernünftige Leiterplattenplanung durchgeführt werden. Die Komponenten sollten parallel oder senkrecht zur Platinenoberfläche und parallel oder senkrecht zur Hauptplatinenkante sein. Die Verteilung der Bauteile auf der Leiterplattenoberfläche sollte möglichst gleichmäßig sein und die Dichte sollte konstant sein. Auf diese Weise ist es nicht nur schön, sondern auch einfach zu montieren und zu schweißen und lässt sich leicht in Serie herstellen.

3 Wiring of high frequency system

In Hochfrequenzkreisen sind die Verteilungsparameter Widerstand, Kapazität, Induktivität und Gegeninduktivität der Anschlussdrähte nicht zu vernachlässigen. Aus der Sicht der Entstörung besteht eine vernünftige Verdrahtung darin, den Leitungswiderstand, die verteilte Kapazität und die Streuinduktivität in der Schaltung zu reduzieren. , Das resultierende magnetische Streufeld wird auf ein Minimum reduziert, so dass die verteilte Kapazität, der magnetische Streufluss, die elektromagnetische Gegeninduktivität und andere Störungen durch Rauschen unterdrückt werden.

Die Anwendung von PROTEL-Designtools in China ist weit verbreitet. Viele Designer konzentrieren sich jedoch nur auf die „Breitbandrate“, und die Verbesserungen der PROTEL-Designtools zur Anpassung an die Änderungen der Geräteeigenschaften wurden nicht im Design verwendet, was nicht nur die Verschwendung von Designtool-Ressourcen ist mehr ernst, was es schwierig macht, die hervorragende Leistung vieler neuer Geräte ins Spiel zu bringen.

Im Folgenden werden einige spezielle Funktionen vorgestellt, die das PROTEL99 SE-Tool bieten kann.

(1) Die Leitung zwischen den Stiften des Hochfrequenzschaltkreises sollte so wenig wie möglich gebogen werden. Es ist am besten, eine volle gerade Linie zu verwenden. Wenn eine Biegung erforderlich ist, können 45°-Bögen oder Bögen verwendet werden, die die externe Abstrahlung von Hochfrequenzsignalen und gegenseitige Störungen reduzieren können. Die Kopplung zwischen. Wenn Sie PROTEL zum Routing verwenden, können Sie im Menü „Regeln“ des Menüs „Design“ unter „Routing Corners“ 45-Grad oder Abgerundet auswählen. Sie können auch die Umschalttaste + Leertaste verwenden, um schnell zwischen den Zeilen zu wechseln.

(2) Je kürzer die Leitung zwischen den Stiften der Hochfrequenzschaltungsvorrichtung ist, desto besser.

PROTEL 99 Der effektivste Weg, die kürzeste Verkabelung zu erreichen, besteht darin, vor der automatischen Verkabelung einen Verkabelungstermin für einzelne wichtige Hochgeschwindigkeitsnetze zu vereinbaren. „Routing Topology“ in „Regeln“ im Menü „Design“

Wählen Sie die kürzeste.

(3) Der Wechsel der Leitungsschichten zwischen Pins von Hochfrequenzschaltkreisvorrichtungen ist so gering wie möglich. Das heißt, je weniger Vias im Komponentenverbindungsprozess verwendet werden, desto besser.

Eine Durchkontaktierung kann eine verteilte Kapazität von etwa 0.5 pF bewirken, und eine Verringerung der Anzahl der Durchkontaktierungen kann die Geschwindigkeit erheblich erhöhen.

(4) Achten Sie bei der Verdrahtung von Hochfrequenzschaltkreisen auf „Querstörungen“, die durch die Parallelverdrahtung der Signalleitung entstehen, d. h. Übersprechen. Ist eine Parallelverteilung unumgänglich, kann auf der gegenüberliegenden Seite der parallelen Signalleitung eine große Fläche „Masse“ angeordnet werden

Um Störungen stark zu reduzieren. Eine parallele Verdrahtung in derselben Lage ist fast unvermeidbar, jedoch muss in zwei benachbarten Lagen die Richtung der Verdrahtung senkrecht zueinander stehen. Dies ist in PROTEL nicht schwer zu bewerkstelligen, aber leicht zu übersehen. Wählen Sie in den „RoutingLayers“ im „Design“-Menü „Regeln“ Horizontal für Toplayer und VerTIcal für BottomLayer. Außerdem wird bei „place“ „Polygonplane“ bereitgestellt.

Die Funktion der polygonalen Gitterkupferfolienoberfläche, wenn Sie das Polygon als Oberfläche der gesamten Leiterplatte platzieren und dieses Kupfer mit der Masse der Schaltung verbinden, kann die Hochfrequenz-Entstörungsfähigkeit verbessert werden größere Vorteile für die Wärmeableitung und die Festigkeit der Leiterplatte.

(5) Ergreifen Sie Schutzmaßnahmen für Schutzleiter für besonders wichtige Signalleitungen oder lokale Einheiten. „Ausgewählte Objekte umreißen“ wird in „Werkzeuge“ bereitgestellt, mit dieser Funktion kann automatisch die Masse der ausgewählten wichtigen Signalleitungen (wie Schwingkreis LT und X1) „umrissen“ werden.

(6) Im Allgemeinen sind die Stromleitung und die Erdungsleitung der Schaltung breiter als die Signalleitung. Über die „Klassen“ im Menü „Design“ können Sie das Netz klassifizieren, das in Stromnetz und Signalnetz unterteilt ist. Es ist praktisch, die Verdrahtungsregeln festzulegen. Wechseln Sie die Linienbreite von Stromleitung und Signalleitung.

(7) Verschiedene Verdrahtungsarten können keine Schleife bilden, und der Erdungsdraht kann keine Stromschleife bilden. Wenn eine Schleifenschaltung erzeugt wird, verursacht dies viele Störungen im System. Hierfür kann eine Daisy-Chain-Verdrahtungsmethode verwendet werden, die die Bildung von Schlaufen, Ästen oder Stümpfen bei der Verdrahtung effektiv vermeiden kann, aber auch das Problem der nicht einfachen Verdrahtung mit sich bringt.

(8) Schätzen Sie anhand der Daten und des Designs verschiedener Chips den Strom ab, der von der Stromversorgungsschaltung geleitet wird, und bestimmen Sie die erforderliche Drahtbreite. Nach der Summenformel: W (Linienbreite) L (mm/A) × I (A).

Versuchen Sie je nach Strom, die Breite der Stromleitung zu erhöhen und den Schleifenwiderstand zu reduzieren. Stellen Sie gleichzeitig die Richtung der Stromleitung und der Masseleitung in Übereinstimmung mit der Richtung der Datenübertragung, um die Rauschunterdrückung zu verbessern. Bei Bedarf kann eine Hochfrequenzdrosselvorrichtung aus mit Kupferdraht gewickeltem Ferrit der Stromleitung und der Erdleitung hinzugefügt werden, um die Leitung von Hochfrequenzrauschen zu blockieren.

(9) Die Verdrahtungsbreite des gleichen Netzwerks sollte gleich bleiben. Variationen der Leitungsbreite führen zu einer ungleichmäßigen Leitungsimpedanz. Bei hoher Übertragungsgeschwindigkeit kommt es zu Reflexionen, die konstruktiv möglichst vermieden werden sollten. Erhöhen Sie gleichzeitig die Linienbreite paralleler Linien. Wenn der Linienmittenabstand das 3-fache der Linienbreite nicht überschreitet, können 70% des elektrischen Feldes ohne gegenseitige Beeinflussung aufrechterhalten werden, was als 3W-Prinzip bezeichnet wird. Auf diese Weise kann der Einfluss von verteilter Kapazität und verteilter Induktivität durch parallele Leitungen überwunden werden.

4 Aufbau von Netzkabel und Erdungskabel

Um den Spannungsabfall zu beheben, der durch das Rauschen der Stromversorgung und die Leitungsimpedanz verursacht durch die Hochfrequenzschaltung verursacht wird, muss die Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems in der Hochfrequenzschaltung vollständig berücksichtigt werden. Grundsätzlich gibt es zwei Lösungen: Die eine besteht darin, die Energiebustechnologie für die Verdrahtung zu verwenden; die andere besteht darin, eine separate Stromversorgungsschicht zu verwenden. Im Vergleich dazu ist der Herstellungsprozess des letzteren komplizierter und die Kosten sind höher. Daher kann die Energiebustechnologie vom Netzwerktyp für die Verdrahtung verwendet werden, so dass jede Komponente zu einer anderen Schleife gehört und der Strom auf jedem Bus im Netzwerk dazu neigt, ausgeglichen zu werden, wodurch der durch die Leitungsimpedanz verursachte Spannungsabfall verringert wird.

Die Hochfrequenz-Sendeleistung ist relativ groß, Sie können eine große Kupferfläche verwenden und eine niederohmige Masseebene in der Nähe für die Mehrfacherdung finden. Da die Induktivität des Erdungskabels proportional zur Frequenz und Länge ist, wird die Erdungsimpedanz erhöht, wenn die Betriebsfrequenz hoch ist, was die durch die Erdungsimpedanz erzeugten elektromagnetischen Störungen erhöht, so dass die Länge des Erdungskabels . beträgt muss so kurz wie möglich sein. Versuchen Sie, die Länge der Signalleitung zu reduzieren und die Fläche der Masseschleife zu vergrößern.

Setzen Sie einen oder mehrere Hochfrequenz-Entkopplungskondensatoren auf Strom und Masse des Chips, um einen nahegelegenen Hochfrequenzkanal für den transienten Strom des integrierten Chips bereitzustellen, damit der Strom nicht mit einer großen Schleife durch die Stromversorgungsleitung fließt Bereich, wodurch der nach außen abgestrahlte Lärm stark reduziert wird. Wählen Sie als Entkopplungskondensatoren monolithische Keramikkondensatoren mit guten Hochfrequenzsignalen. Verwenden Sie als Energiespeicherkondensatoren für die Schaltungsladung statt Elektrolytkondensatoren Tantalkondensatoren mit hoher Kapazität oder Polyesterkondensatoren. Da die verteilte Induktivität des Elektrolytkondensators groß ist, ist sie für Hochfrequenzen ungültig. Verwenden Sie bei Verwendung von Elektrolytkondensatoren diese paarweise mit Entkopplungskondensatoren mit guten Hochfrequenzeigenschaften.

5 Andere Hochgeschwindigkeits-Schaltungsdesigntechniken

Impedanzanpassung bezieht sich auf einen Arbeitszustand, in dem die Lastimpedanz und die Innenimpedanz der Erregerquelle aneinander angepasst sind, um die maximale Ausgangsleistung zu erhalten. Für die Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenverdrahtung muss die Impedanz der Schaltung 50 betragen, um Signalreflexionen zu verhindern. Dies ist eine ungefähre Zahl. Im Allgemeinen wird festgelegt, dass das Basisband des Koaxialkabels 50 beträgt, das Frequenzband 75 beträgt und der verdrillte Draht 100 beträgt. Es ist nur eine ganze Zahl, um den Abgleich zu erleichtern. Gemäß der spezifischen Schaltungsanalyse wird der parallele AC-Abschluss verwendet und der Widerstand und das Kondensatornetzwerk werden als Abschlussimpedanz verwendet. Der Abschlusswiderstand R muss kleiner oder gleich der Übertragungsleitungsimpedanz Z0 sein und die Kapazität C muss größer als 100 pF sein. Es wird empfohlen, mehrschichtige Keramikkondensatoren mit 0.1 UF zu verwenden. Der Kondensator hat die Funktion, niedrige Frequenzen zu blockieren und hohe Frequenzen durchzulassen, sodass der Widerstand R nicht die Gleichstromlast der Antriebsquelle ist, sodass diese Abschlussmethode keinen Gleichstromverbrauch hat.

Übersprechen bezieht sich auf die unerwünschte Spannungsrauschinterferenz, die durch elektromagnetische Kopplung mit benachbarten Übertragungsleitungen verursacht wird, wenn sich das Signal auf der Übertragungsleitung ausbreitet. Die Kopplung wird in kapazitive Kopplung und induktive Kopplung unterteilt. Übermäßiges Übersprechen kann eine falsche Triggerung der Schaltung verursachen und dazu führen, dass das System nicht normal funktioniert. Nach einigen Merkmalen des Übersprechens können mehrere Hauptmethoden zur Reduzierung des Übersprechens zusammengefasst werden:

(1) Erhöhen Sie den Zeilenabstand, reduzieren Sie die parallele Länge und verwenden Sie bei Bedarf die Jog-Methode für die Verdrahtung.

(2) Wenn Hochgeschwindigkeits-Signalleitungen die Bedingungen erfüllen, kann das Hinzufügen einer Abschlussanpassung Reflexionen reduzieren oder eliminieren, wodurch das Übersprechen reduziert wird.

(3) Bei Mikrostreifen-Übertragungsleitungen und Streifen-Übertragungsleitungen kann die Begrenzung der Leiterbahnhöhe auf den Bereich über der Masseebene das Übersprechen erheblich reduzieren.

(4) Wenn es der Verdrahtungsraum zulässt, fügen Sie einen Erdungsdraht zwischen die beiden Drähte mit stärkerem Übersprechen ein, das eine Rolle bei der Isolierung spielen und das Übersprechen reduzieren kann.

Aufgrund des Fehlens einer Hochgeschwindigkeitsanalyse und Simulationsführung im traditionellen PCB-Design kann die Signalqualität nicht garantiert werden und die meisten Probleme können erst beim Plattenherstellungstest entdeckt werden. Dies reduziert die Designeffizienz stark und erhöht die Kosten, was im harten Marktwettbewerb offensichtlich nachteilig ist. Daher haben Fachleute in der Branche für das Hochgeschwindigkeits-PCB-Design eine neue Designidee vorgeschlagen, die zu einer „Top-Down“-Designmethode geworden ist. Nach einer Vielzahl von Politikanalysen und -optimierungen wurden die meisten möglichen Probleme vermieden und viele Einsparungen erzielt. Zeit, um sicherzustellen, dass das Projektbudget eingehalten wird, hochwertige Leiterplatten produziert und langwierige und kostspielige Testfehler vermieden werden.

Die Verwendung von Differenzleitungen zur Übertragung digitaler Signale ist eine wirksame Maßnahme zur Kontrolle von Faktoren, die die Signalintegrität in digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen zerstören. Die differentielle Leitung auf der Leiterplatte entspricht einem differentiellen Mikrowellen-integrierten Übertragungsleitungspaar, das im Quasi-TEM-Modus arbeitet. Unter diesen entspricht die Differenzleitung auf der Ober- oder Unterseite der PCB der gekoppelten Mikrostreifenleitung und befindet sich auf der Innenschicht der Mehrschicht-PCB. Die Differenzleitung entspricht einer Breitseiten-gekoppelten Streifenleitung. Das digitale Signal wird auf der Differenzleitung in einem ungeraden Übertragungsmodus übertragen, das heißt, die Phasendifferenz zwischen den positiven und negativen Signalen beträgt 180º, und das Rauschen wird in einem Gleichtakt auf ein Paar Differenzleitungen eingekoppelt. Die Spannung oder der Strom der Schaltung wird subtrahiert, so dass das Signal erhalten werden kann, um Gleichtaktrauschen zu eliminieren. Der Niederspannungsamplituden- oder Stromtreiberausgang des Differenzleitungspaars erfüllt die Anforderungen einer Hochgeschwindigkeitsintegration und eines geringen Stromverbrauchs.

6 Schlussbemerkungen

Angesichts der kontinuierlichen Entwicklung der elektronischen Technologie ist es unerlässlich, die Theorie der Signalintegrität zu verstehen, um das Design von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten zu leiten und zu überprüfen. Einige in diesem Artikel zusammengefasste Erfahrungen können den Designern von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten helfen, den Entwicklungszyklus zu verkürzen, unnötige Umwege zu vermeiden und Personal- und Materialressourcen einzusparen. Designer müssen in der tatsächlichen Arbeit weiter forschen und erforschen, weiterhin Erfahrungen sammeln und neue Technologien kombinieren, um Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten mit hervorragender Leistung zu entwerfen.