1 ερωτήσεις

With the large-scale increase in the design complexity and integration of electronic systems, clock speeds and device rise times are getting faster and faster, and PCB υψηλής ταχύτητας 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.

Προκειμένου να σχεδιαστεί μια πλακέτα κυκλώματος PCB υψηλής ταχύτητας που να μπορεί να λειτουργεί αξιόπιστα, η σχεδίαση πρέπει να εξεταστεί πλήρως και προσεκτικά για την επίλυση ορισμένων αναξιόπιστων προβλημάτων που μπορεί να προκύψουν κατά τη διάταξη και τη δρομολόγηση, να συντομεύσει τον κύκλο ανάπτυξης του προϊόντος και να βελτιώσει την ανταγωνιστικότητα της αγοράς.

Πώς να χρησιμοποιήσετε τα εργαλεία σχεδίασης PROTEL για σχεδιασμό PCB υψηλής ταχύτητας

2 Σχεδιασμός διάταξης συστήματος υψηλής συχνότητας

In the PCB design of the circuit, the layout is an important link. The result of the layout will directly affect the wiring effect and the reliability of the system, which is the most time-consuming and difficult in the entire printed circuit board design. The complex environment of high-frequency PCB makes the layout design of the high-frequency system difficult to use the learned theoretical knowledge. It requires the person who lays out must have rich experience in high-speed PCB manufacturing, so as to avoid detours in the design process. Improve the reliability and effectiveness of circuit work. In the process of layout, comprehensive consideration should be given to the mechanical structure, heat dissipation, electromagnetic interference, convenience of future wiring, and aesthetics.

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.

Δεύτερον, πρέπει να δοθεί προσοχή στις θερμικές και ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις μεταξύ των εξαρτημάτων κατά τη διάταξη. Αυτές οι επιπτώσεις είναι ιδιαίτερα σοβαρές για συστήματα υψηλής συχνότητας και θα πρέπει να ληφθούν μέτρα για την απομάκρυνση ή την απομόνωση, τη θερμότητα και την ασπίδα. Ο σωλήνας ανορθωτή υψηλής ισχύος και ο σωλήνας ρύθμισης πρέπει να είναι εξοπλισμένοι με ψυγείο και να φυλάσσονται μακριά από τον μετασχηματιστή. Τα ανθεκτικά στη θερμότητα εξαρτήματα όπως οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές θα πρέπει να φυλάσσονται μακριά από εξαρτήματα θέρμανσης, διαφορετικά ο ηλεκτρολύτης θα στεγνώσει, με αποτέλεσμα την αυξημένη αντίσταση και την κακή απόδοση, που θα επηρεάσει τη σταθερότητα του κυκλώματος. Θα πρέπει να αφεθεί αρκετός χώρος στη διάταξη για τη διευθέτηση της προστατευτικής δομής και την αποφυγή της εισαγωγής διαφόρων παρασιτικών συνδέσμων. Για να αποφευχθεί η ηλεκτρομαγνητική σύζευξη μεταξύ των πηνίων στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος, τα δύο πηνία θα πρέπει να τοποθετηθούν σε ορθή γωνία για να μειωθεί ο συντελεστής ζεύξης. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί η μέθοδος της κάθετης απομόνωσης πλακών. Είναι καλύτερο να χρησιμοποιήσετε απευθείας το καλώδιο του εξαρτήματος που πρόκειται να συγκολληθεί στο κύκλωμα. Όσο μικρότερο είναι το προβάδισμα, τόσο το καλύτερο. Μην χρησιμοποιείτε συνδέσμους και γλωττίδες συγκόλλησης γιατί υπάρχει κατανεμημένη χωρητικότητα και κατανεμημένη επαγωγή μεταξύ γειτονικών γλωττίδων συγκόλλησης. Αποφύγετε την τοποθέτηση εξαρτημάτων υψηλού θορύβου γύρω από τον κρυσταλλικό ταλαντωτή, το RIN, την αναλογική τάση και τα ίχνη σήματος τάσης αναφοράς.

Τέλος, διασφαλίζοντας την εγγενή ποιότητα και αξιοπιστία, λαμβάνοντας υπόψη τη συνολική ομορφιά, θα πρέπει να πραγματοποιείται λογικός σχεδιασμός πλακέτας κυκλώματος. Τα εξαρτήματα πρέπει να είναι παράλληλα ή κάθετα στην επιφάνεια της σανίδας και παράλληλα ή κάθετα στην κύρια άκρη της σανίδας. Η κατανομή των εξαρτημάτων στην επιφάνεια της σανίδας πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφη και η πυκνότητα πρέπει να είναι σταθερή. Με αυτόν τον τρόπο, δεν είναι μόνο όμορφο, αλλά και εύκολο στη συναρμολόγηση και τη συγκόλληση, και είναι εύκολο να παραχθεί μαζικά.

3 Wiring of high frequency system

Σε κυκλώματα υψηλής συχνότητας, οι παράμετροι κατανομής της αντίστασης, της χωρητικότητας, της επαγωγής και της αμοιβαίας επαγωγής των καλωδίων σύνδεσης δεν μπορούν να αγνοηθούν. Από την άποψη της κατά των παρεμβολών, η λογική καλωδίωση είναι να προσπαθήσουμε να μειώσουμε την αντίσταση γραμμής, την κατανεμημένη χωρητικότητα και την αδέσποτη επαγωγή στο κύκλωμα. , Το προκύπτον αδέσποτο μαγνητικό πεδίο μειώνεται στο ελάχιστο, έτσι ώστε να καταστέλλεται η κατανεμημένη χωρητικότητα, η μαγνητική ροή διαρροής, η ηλεκτρομαγνητική αμοιβαία επαγωγή και άλλες παρεμβολές που προκαλούνται από το θόρυβο.

The application of PROTEL design tools in China has been quite common. However, many designers only focus on the “broadband rate”, and the improvements made by the PROTEL design tools to adapt to the changes in device characteristics have not been used in the design, which not only makes The waste of design tool resources is more serious, which makes it difficult for the excellent performance of many new devices to be brought into play.

Ακολουθούν ορισμένες ειδικές λειτουργίες που μπορεί να παρέχει το εργαλείο PROTEL99 SE.

(1) Το καλώδιο μεταξύ των ακίδων της συσκευής κυκλώματος υψηλής συχνότητας πρέπει να λυγίσει όσο το δυνατόν λιγότερο. Είναι καλύτερο να χρησιμοποιήσετε μια πλήρη ευθεία γραμμή. Όταν απαιτείται κάμψη, μπορούν να χρησιμοποιηθούν κάμψεις ή τόξα 45°, τα οποία μπορούν να μειώσουν την εξωτερική εκπομπή σημάτων υψηλής συχνότητας και τις αμοιβαίες παρεμβολές. Η σύζευξη μεταξύ. Όταν χρησιμοποιείτε το PROTEL για δρομολόγηση, μπορείτε να επιλέξετε 45-Degrees ή Rounded στο “Routing Corners” στο μενού “rules” του μενού “Design”. Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε τα πλήκτρα shift + space για γρήγορη εναλλαγή μεταξύ των γραμμών.

(2) Όσο μικρότερο είναι το καλώδιο μεταξύ των ακίδων της συσκευής κυκλώματος υψηλής συχνότητας, τόσο το καλύτερο.

PROTEL 99 Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για να συναντήσετε τη συντομότερη καλωδίωση είναι να κλείσετε ένα ραντεβού καλωδίωσης για μεμονωμένα βασικά δίκτυα υψηλής ταχύτητας πριν από την αυτόματη καλωδίωση. «Τοπολογία Δρομολόγησης» στο «κανόνες» στο μενού «Σχεδίαση».

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) Για την καλωδίωση κυκλώματος υψηλής συχνότητας, δώστε προσοχή στη «διασταυρούμενη παρεμβολή» που εισάγεται από την παράλληλη καλωδίωση της γραμμής σήματος, δηλαδή τη διασταύρωση. Εάν η παράλληλη κατανομή είναι αναπόφευκτη, μια μεγάλη περιοχή “εδάφους” μπορεί να διευθετηθεί στην αντίθετη πλευρά της παράλληλης γραμμής σήματος

Για να μειωθούν σημαντικά οι παρεμβολές. Η παράλληλη καλωδίωση στο ίδιο στρώμα είναι σχεδόν αναπόφευκτη, αλλά σε δύο γειτονικά στρώματα, η κατεύθυνση της καλωδίωσης πρέπει να είναι κάθετη μεταξύ τους. Αυτό δεν είναι δύσκολο να το κάνετε στο PROTEL, αλλά είναι εύκολο να το παραβλέψετε. Στο “RouTingLayers” στο μενού “Design” “rules”, επιλέξτε Horizontal για Toplayer και VerTIcal για BottomLayer. Επιπλέον, το “Polygonplane” παρέχεται στο “place”

Η λειτουργία της επιφάνειας φύλλου χαλκού πολυγωνικού πλέγματος, εάν τοποθετήσετε το πολύγωνο ως επιφάνεια ολόκληρης της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος και συνδέσετε αυτόν τον χαλκό στο GND του κυκλώματος, μπορεί να βελτιώσει την ικανότητα αντιπαρέμβασης υψηλής συχνότητας, έχει επίσης μεγαλύτερα οφέλη για την απαγωγή θερμότητας και την αντοχή της πλακέτας εκτύπωσης.

(5) Εφαρμόστε μέτρα περίφραξης καλωδίων γείωσης για ιδιαίτερα σημαντικές γραμμές σήματος ή τοπικές μονάδες. Η “Περιγραφή επιλεγμένων αντικειμένων” παρέχεται στα “Εργαλεία” και αυτή η λειτουργία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αυτόματη “τύλιξη της γείωσης” των επιλεγμένων σημαντικών γραμμών σήματος (όπως το κύκλωμα ταλάντωσης LT και X1).

(6) Γενικά, η γραμμή ισχύος και η γραμμή γείωσης του κυκλώματος είναι ευρύτερα από τη γραμμή σήματος. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τις “Τάξεις” στο μενού “Σχεδίαση” για να ταξινομήσετε το δίκτυο, το οποίο χωρίζεται σε δίκτυο ισχύος και δίκτυο σήματος. Είναι βολικό να ορίσετε τους κανόνες καλωδίωσης. Αλλάξτε το πλάτος της γραμμής της γραμμής ρεύματος και της γραμμής σήματος.

(7) Διάφοροι τύποι καλωδίωσης δεν μπορούν να σχηματίσουν βρόχο και το καλώδιο γείωσης δεν μπορεί να σχηματίσει βρόχο ρεύματος. Εάν δημιουργηθεί ένα κύκλωμα βρόχου, θα προκαλέσει πολλές παρεμβολές στο σύστημα. Για αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια μέθοδος καλωδίωσης αλυσίδας μαργαρίτα, η οποία μπορεί να αποφύγει αποτελεσματικά το σχηματισμό βρόχων, κλαδιών ή κολοβωμάτων κατά τη διάρκεια της καλωδίωσης, αλλά θα επιφέρει επίσης το πρόβλημα της όχι εύκολης καλωδίωσης.

(8) Σύμφωνα με τα δεδομένα και το σχεδιασμό διαφόρων τσιπ, υπολογίστε το ρεύμα που διέρχεται από το κύκλωμα τροφοδοσίας και προσδιορίστε το απαιτούμενο πλάτος καλωδίου. Σύμφωνα με τον εμπειρικό τύπο: W (πλάτος γραμμής) ≥ L (mm/A) × I (A).

Σύμφωνα με το ρεύμα, προσπαθήστε να αυξήσετε το πλάτος της γραμμής ισχύος και να μειώσετε την αντίσταση του βρόχου. Ταυτόχρονα, κάντε την κατεύθυνση της γραμμής ηλεκτρικής ενέργειας και της γραμμής εδάφους σύμφωνα με την κατεύθυνση μετάδοσης δεδομένων, γεγονός που συμβάλλει στην ενίσχυση της ικανότητας κατά του θορύβου. Όταν είναι απαραίτητο, μια συσκευή τσοκ υψηλής συχνότητας από φερρίτη τυλιγμένο με χάλκινο σύρμα μπορεί να προστεθεί στη γραμμή τροφοδοσίας και στη γραμμή γείωσης για να εμποδίσει τη μετάδοση του θορύβου υψηλής συχνότητας.

(9) Το πλάτος καλωδίωσης του ίδιου δικτύου θα πρέπει να διατηρείται το ίδιο. Οι διακυμάνσεις στο πλάτος της γραμμής θα προκαλέσουν ανομοιόμορφη χαρακτηριστική αντίσταση γραμμής. Όταν η ταχύτητα μετάδοσης είναι υψηλή, θα εμφανιστεί ανάκλαση, η οποία θα πρέπει να αποφεύγεται όσο το δυνατόν περισσότερο στη σχεδίαση. Ταυτόχρονα, αυξήστε το πλάτος γραμμής των παράλληλων γραμμών. Όταν η απόσταση του κέντρου της γραμμής δεν υπερβαίνει το 3 φορές το πλάτος της γραμμής, το 70% του ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να διατηρηθεί χωρίς αμοιβαία παρεμβολή, η οποία ονομάζεται αρχή 3W. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να ξεπεραστεί η επίδραση της κατανεμημένης χωρητικότητας και της κατανεμημένης επαγωγής που προκαλείται από παράλληλες γραμμές.

4 Σχεδιασμός καλωδίου ρεύματος και καλωδίου γείωσης

In order to solve the voltage drop caused by the power supply noise and line impedance introduced by the high-frequency circuit, the reliability of the power supply system in the high-frequency circuit must be fully considered. There are generally two solutions: one is to use power bus technology for wiring; the other is to use a separate power supply layer. In comparison, the latter’s manufacturing process is more complicated and the cost is more expensive. Therefore, the network-type power bus technology can be used for wiring, so that each component belongs to a different loop, and the current on each bus on the network tends to be balanced, reducing the voltage drop caused by the line impedance.

The high-frequency transmission power is relatively large, you can use a large area of ​​copper, and find a low-resistance ground plane nearby for multiple grounding. Because the inductance of the grounding lead is proportional to the frequency and length, the common ground impedance will be increased when the operating frequency is high, which will increase the electromagnetic interference generated by the common ground impedance, so the length of the ground wire is required to be as short as possible. Try to reduce the length of the signal line and increase the area of ​​the ground loop.

Ρυθμίστε έναν ή περισσότερους πυκνωτές αποσύνδεσης υψηλής συχνότητας στην ισχύ και τη γείωση του τσιπ για να παρέχουν ένα κοντινό κανάλι υψηλής συχνότητας για το παροδικό ρεύμα του ενσωματωμένου τσιπ, έτσι ώστε το ρεύμα να μην περνάει από τη γραμμή τροφοδοσίας ρεύματος με μεγάλο βρόχο περιοχή, μειώνοντας έτσι σημαντικά τον θόρυβο που εκπέμπεται προς τα έξω. Επιλέξτε μονολιθικούς κεραμικούς πυκνωτές με καλά σήματα υψηλής συχνότητας ως πυκνωτές αποσύνδεσης. Χρησιμοποιήστε πυκνωτές τανταλίου μεγάλης χωρητικότητας ή πυκνωτές πολυεστέρα αντί για ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές ως πυκνωτές αποθήκευσης ενέργειας για φόρτιση κυκλώματος. Επειδή η κατανεμημένη αυτεπαγωγή του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή είναι μεγάλη, δεν είναι έγκυρη για υψηλή συχνότητα. Όταν χρησιμοποιείτε ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, χρησιμοποιήστε τους σε ζεύγη με πυκνωτές αποσύνδεσης με καλά χαρακτηριστικά υψηλής συχνότητας.

5 Άλλες τεχνικές σχεδίασης κυκλωμάτων υψηλής ταχύτητας

Η αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης αναφέρεται σε μια κατάσταση λειτουργίας στην οποία η σύνθετη αντίσταση φορτίου και η εσωτερική σύνθετη αντίσταση της πηγής διέγερσης προσαρμόζονται μεταξύ τους για να ληφθεί η μέγιστη ισχύς εξόδου. Για καλωδίωση PCB υψηλής ταχύτητας, για να αποτραπεί η ανάκλαση του σήματος, η σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος απαιτείται να είναι 50 Ω. Αυτό είναι ένα κατά προσέγγιση νούμερο. Γενικά, ορίζεται ότι η ζώνη βάσης του ομοαξονικού καλωδίου είναι 50 Ω, η ζώνη συχνοτήτων είναι 75 Ω και το στριμμένο καλώδιο είναι 100 Ω. Είναι απλώς ένας ακέραιος αριθμός, για ευκολία αντιστοίχισης. Σύμφωνα με τη συγκεκριμένη ανάλυση κυκλώματος, υιοθετείται ο παράλληλος τερματισμός εναλλασσόμενου ρεύματος και η αντίσταση και το δίκτυο πυκνωτή χρησιμοποιούνται ως σύνθετη αντίσταση τερματισμού. Η αντίσταση τερματισμού R πρέπει να είναι μικρότερη ή ίση με την αντίσταση γραμμής μεταφοράς Z0 και η χωρητικότητα C πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 100 pF. Συνιστάται η χρήση πολυστρωματικών κεραμικών πυκνωτών 0.1UF. Ο πυκνωτής έχει τη λειτουργία μπλοκαρίσματος χαμηλής συχνότητας και διέλευσης υψηλής συχνότητας, επομένως η αντίσταση R δεν είναι το φορτίο συνεχούς ρεύματος της πηγής οδήγησης, επομένως αυτή η μέθοδος τερματισμού δεν έχει κατανάλωση ρεύματος συνεχούς ρεύματος.

Το Crosstalk αναφέρεται στην ανεπιθύμητη παρεμβολή θορύβου τάσης που προκαλείται από την ηλεκτρομαγνητική σύζευξη σε παρακείμενες γραμμές μεταφοράς όταν το σήμα διαδίδεται στη γραμμή μεταφοράς. Η σύζευξη χωρίζεται σε χωρητική σύζευξη και επαγωγική σύζευξη. Η υπερβολική αλληλεπίδραση μπορεί να προκαλέσει ψευδή ενεργοποίηση του κυκλώματος και να προκαλέσει την αποτυχία της κανονικής λειτουργίας του συστήματος. Σύμφωνα με ορισμένα χαρακτηριστικά του crosstalk, μπορούν να συνοψιστούν διάφορες κύριες μέθοδοι για τη μείωση της αλληλεπίδρασης:

(1) Increase the line spacing, reduce the parallel length, and use the jog method for wiring if necessary.

(2) Όταν οι γραμμές σήματος υψηλής ταχύτητας πληρούν τις προϋποθέσεις, η προσθήκη αντιστοίχισης τερματισμού μπορεί να μειώσει ή να εξαλείψει τις αντανακλάσεις, μειώνοντας έτσι την αλληλεπίδραση.

(3) Για γραμμές μεταφοράς μικροταινιών και γραμμές μεταφοράς λωρίδων, ο περιορισμός του ύψους του ίχνους εντός της εμβέλειας πάνω από το επίπεδο γείωσης μπορεί να μειώσει σημαντικά την αλληλεπίδραση.

(4) Όταν το επιτρέπει ο χώρος καλωδίωσης, τοποθετήστε ένα καλώδιο γείωσης μεταξύ των δύο καλωδίων με πιο σοβαρή παρεμβολή, η οποία μπορεί να παίξει ρόλο στην απομόνωση και να μειώσει την παρεμβολή.

Due to the lack of high-speed analysis and simulation guidance in traditional PCB design, the signal quality cannot be guaranteed, and most of the problems cannot be discovered until the plate-making test. This greatly reduces the design efficiency and increases the cost, which is obviously disadvantageous in the fierce market competition. Therefore, for high-speed PCB design, people in the industry have proposed a new design idea, which has become a “top-down” design method. After a variety of policy analysis and optimization, most of the possible problems have been avoided and a lot of savings have been made. Time to ensure that the project budget is met, high-quality printed boards are produced, and tedious and costly test errors are avoided.

Η χρήση διαφορικών γραμμών για τη μετάδοση ψηφιακών σημάτων είναι ένα αποτελεσματικό μέτρο για τον έλεγχο παραγόντων που καταστρέφουν την ακεραιότητα του σήματος σε ψηφιακά κυκλώματα υψηλής ταχύτητας. Η διαφορική γραμμή στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος είναι ισοδύναμη με ένα ζεύγος διαφορικής ενσωματωμένης γραμμής μετάδοσης μικροκυμάτων που λειτουργεί σε λειτουργία οιονεί TEM. Μεταξύ αυτών, η γραμμή διαφορικού στο πάνω ή το κάτω μέρος του PCB είναι ισοδύναμη με τη γραμμή συζευγμένης μικροταινίας και βρίσκεται στο εσωτερικό στρώμα του πολυστρωματικού PCB. Το ψηφιακό σήμα μεταδίδεται στη διαφορική γραμμή σε έναν τρόπο μετάδοσης περιττού τρόπου, δηλαδή, η διαφορά φάσης μεταξύ των θετικών και αρνητικών σημάτων είναι 180° και ο θόρυβος συζευγνύεται σε ένα ζεύγος διαφορικών γραμμών σε έναν κοινό τρόπο λειτουργίας. Η τάση ή το ρεύμα του κυκλώματος αφαιρείται, έτσι ώστε να μπορεί να ληφθεί το σήμα για την εξάλειψη του θορύβου κοινής λειτουργίας. Η έξοδος κίνησης πλάτους ή ρεύματος χαμηλής τάσης του ζεύγους διαφορικών γραμμών πληροί τις απαιτήσεις ολοκλήρωσης υψηλής ταχύτητας και χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας.

6 τελικές παρατηρήσεις

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.