1 Preguntas

Con el aumento a gran escala en la complejidad del diseño y la integración de los sistemas electrónicos, las velocidades de reloj y los tiempos de subida de los dispositivos son cada vez más rápidos, y PCB de alta velocidad el diseño se ha convertido en una parte importante del proceso de diseño. En el diseño de circuitos de alta velocidad, la inductancia y capacitancia en la línea de la placa de circuito hacen que el cable sea equivalente a una línea de transmisión. La disposición incorrecta de los componentes de terminación o el cableado incorrecto de las señales de alta velocidad pueden causar problemas en el efecto de la línea de transmisión, lo que da como resultado una salida de datos incorrecta del sistema, un funcionamiento anormal del circuito o incluso que no funcione en absoluto. Según el modelo de línea de transmisión, en resumen, la línea de transmisión traerá efectos adversos como reflexión de la señal, diafonía, interferencia electromagnética, fuente de alimentación y ruido de suelo al diseño del circuito.

Para diseñar una placa de circuito de PCB de alta velocidad que pueda funcionar de manera confiable, el diseño debe considerarse completa y cuidadosamente para resolver algunos problemas poco confiables que pueden ocurrir durante el diseño y el enrutamiento, acortar el ciclo de desarrollo del producto y mejorar la competitividad del mercado.

Cómo utilizar las herramientas de diseño PROTEL para el diseño de PCB de alta velocidad

2 Diseño de distribución del sistema de alta frecuencia

En el diseño de PCB del circuito, el diseño es un vínculo importante. El resultado del diseño afectará directamente el efecto del cableado y la confiabilidad del sistema, que es el que requiere más tiempo y es el más difícil en todo el diseño de la placa de circuito impreso. El complejo entorno de PCB de alta frecuencia hace que el diseño del diseño del sistema de alta frecuencia sea difícil de utilizar con los conocimientos teóricos aprendidos. Requiere que la persona que realiza el diseño tenga una gran experiencia en la fabricación de PCB de alta velocidad, para evitar desvíos en el proceso de diseño. Mejore la confiabilidad y efectividad del trabajo del circuito. En el proceso de diseño, se debe prestar una atención integral a la estructura mecánica, la disipación de calor, la interferencia electromagnética, la conveniencia del cableado futuro y la estética.

En primer lugar, antes del diseño, todo el circuito se divide en funciones. El circuito de alta frecuencia está separado del circuito de baja frecuencia, y el circuito analógico y el circuito digital están separados. Cada circuito funcional se coloca lo más cerca posible del centro del chip. Evite el retraso de transmisión causado por cables excesivamente largos y mejore el efecto de desacoplamiento de los condensadores. Además, preste atención a las posiciones y direcciones relativas entre los pines y los componentes del circuito y otros tubos para reducir su influencia mutua. Todos los componentes de alta frecuencia deben estar lejos del chasis y otras placas de metal para reducir el acoplamiento parásito.

En segundo lugar, se debe prestar atención a los efectos térmicos y electromagnéticos entre los componentes durante el diseño. Estos efectos son particularmente graves para los sistemas de alta frecuencia, y se deben tomar medidas para mantener alejados o aislar, el calor y el blindaje. El tubo rectificador de alta potencia y el tubo de ajuste deben estar equipados con un radiador y mantenerse alejados del transformador. Los componentes resistentes al calor, como los condensadores electrolíticos, deben mantenerse alejados de los componentes de calefacción; de lo contrario, el electrolito se secará, lo que dará como resultado una mayor resistencia y un rendimiento deficiente, lo que afectará la estabilidad del circuito. Se debe dejar suficiente espacio en el diseño para disponer la estructura de protección y evitar la introducción de varios acoplamientos parásitos. Para evitar el acoplamiento electromagnético entre las bobinas de la placa de circuito impreso, las dos bobinas deben colocarse en ángulo recto para reducir el coeficiente de acoplamiento. También se puede utilizar el método de aislamiento de placa vertical. Es mejor utilizar directamente el cable del componente que se va a soldar al circuito. Cuanto más corta sea la ventaja, mejor. No utilice conectores ni lengüetas de soldadura porque hay capacitancia e inductancia distribuidas entre lengüetas de soldadura adyacentes. Evite colocar componentes de alto ruido alrededor del oscilador de cristal, RIN, voltaje analógico y trazas de señal de voltaje de referencia.

Finalmente, mientras se asegura la calidad y confiabilidad inherentes, mientras se tiene en cuenta la belleza general, se debe llevar a cabo una planificación razonable de la placa de circuito. Los componentes deben ser paralelos o perpendiculares a la superficie de la placa y paralelos o perpendiculares al borde de la placa principal. La distribución de los componentes en la superficie de la placa debe ser lo más uniforme posible y la densidad debe ser constante. De esta manera, no solo es hermoso, sino también fácil de ensamblar y soldar, y es fácil de producir en masa.

3 Wiring of high frequency system

En circuitos de alta frecuencia, los parámetros de distribución de resistencia, capacitancia, inductancia e inductancia mutua de los cables de conexión no pueden ignorarse. Desde la perspectiva de la antiinterferencia, el cableado razonable es tratar de reducir la resistencia de la línea, la capacitancia distribuida y la inductancia parásita en el circuito. , El campo magnético disperso resultante se reduce al mínimo, de modo que se suprimen la capacitancia distribuida, el flujo magnético de fuga, la inductancia mutua electromagnética y otras interferencias causadas por el ruido.

La aplicación de herramientas de diseño PROTEL en China ha sido bastante común. Sin embargo, muchos diseñadores solo se enfocan en la “tasa de banda ancha”, y las mejoras realizadas por las herramientas de diseño PROTEL para adaptarse a los cambios en las características del dispositivo no se han utilizado en el diseño, lo que no solo hace que el desperdicio de recursos de la herramienta de diseño sea más grave, lo que dificulta la puesta en juego del excelente rendimiento de muchos dispositivos nuevos.

A continuación se presentan algunas funciones especiales que puede proporcionar la herramienta PROTEL99 SE.

(1) El cable entre las clavijas del dispositivo de circuito de alta frecuencia debe doblarse lo menos posible. Es mejor usar una línea recta completa. Cuando se requiere flexión, se pueden usar curvas o arcos de 45 °, lo que puede reducir la emisión externa de señales de alta frecuencia y la interferencia mutua. El acoplamiento entre. Cuando utilice PROTEL para enrutamiento, puede seleccionar 45 grados o Redondeado en las “Esquinas de enrutamiento” en el menú “reglas” del menú “Diseño”. También puede usar las teclas Mayús + espacio para cambiar rápidamente entre líneas.

(2) Cuanto más corto sea el cable entre las clavijas del dispositivo de circuito de alta frecuencia, mejor.

PROTEL 99 La forma más eficaz de cumplir con el cableado más corto es concertar una cita de cableado para redes clave individuales de alta velocidad antes del cableado automático. “Topología de enrutamiento” en “reglas” en el menú “Diseño”

Seleccione el más corto.

(3) La alternancia de capas de plomo entre pines de dispositivos de circuitos de alta frecuencia es lo más pequeña posible. Es decir, cuantas menos vías se utilicen en el proceso de conexión de componentes, mejor.

Una vía puede generar aproximadamente 0.5 pF de capacitancia distribuida, y la reducción del número de vías puede aumentar significativamente la velocidad.

(4) Para cableado de circuito de alta frecuencia, preste atención a la “interferencia cruzada” introducida por el cableado paralelo de la línea de señal, es decir, diafonía. Si la distribución en paralelo es inevitable, se puede colocar una gran área de “tierra” en el lado opuesto de la línea de señal paralela

Para reducir en gran medida la interferencia. El cableado paralelo en la misma capa es casi inevitable, pero en dos capas adyacentes, la dirección del cableado debe ser perpendicular entre sí. Esto no es difícil de hacer en PROTEL, pero es fácil pasarlo por alto. En “RouTIngLayers” en el menú “Diseño” “reglas”, seleccione Horizontal para Toplayer y VerTIcal para BottomLayer. Además, “Polygonplane” se proporciona en “place”

La función de la superficie de la lámina de cobre de rejilla poligonal, si coloca el polígono como una superficie de toda la placa de circuito impreso y conecta este cobre al GND del circuito, puede mejorar la capacidad antiinterferente de alta frecuencia, también tiene mayores beneficios para la disipación de calor y la resistencia de la placa de impresión.

(5) Implementar medidas de protección de cables de tierra para líneas de señal o unidades locales particularmente importantes. “Esquema de objetos seleccionados” se proporciona en “Herramientas”, y esta función se puede utilizar para “envolver el suelo” automáticamente de las líneas de señal importantes seleccionadas (como el circuito de oscilación LT y X1).

(6) Generalmente, la línea de energía y la línea de tierra del circuito son más anchas que la línea de señal. Puede utilizar las “Clases” en el menú “Diseño” para clasificar la red, que se divide en red eléctrica y red de señal. Es conveniente establecer las reglas de cableado. Cambie el ancho de línea de la línea eléctrica y la línea de señal.

(7) Varios tipos de cableado no pueden formar un bucle y el cable de tierra no puede formar un bucle de corriente. Si se genera un circuito de bucle, causará mucha interferencia en el sistema. Para ello, se puede utilizar un método de cableado en cadena, que puede evitar eficazmente la formación de bucles, ramas o tocones durante el cableado, pero también provocará el problema de cableado no fácil.

(8) De acuerdo con los datos y el diseño de varios chips, calcule la corriente que pasa por el circuito de suministro de energía y determine el ancho de cable requerido. Según la fórmula empírica: W (ancho de línea) ≥ L (mm / A) × I (A).

De acuerdo con la corriente, intente aumentar el ancho de la línea eléctrica y reduzca la resistencia del bucle. Al mismo tiempo, haga que la dirección de la línea eléctrica y la línea de tierra sean coherentes con la dirección de la transmisión de datos, lo que ayuda a mejorar la capacidad antirruido. Cuando sea necesario, se puede agregar un dispositivo de estrangulamiento de alta frecuencia hecho de ferrita enrollada con alambre de cobre a la línea eléctrica y a la línea de tierra para bloquear la conducción del ruido de alta frecuencia.

(9) El ancho del cableado de la misma red debe mantenerse igual. Las variaciones en el ancho de la línea causarán una impedancia característica de línea desigual. Cuando la velocidad de transmisión es alta, se producirá una reflexión, que debe evitarse tanto como sea posible en el diseño. Al mismo tiempo, aumente el ancho de línea de las líneas paralelas. Cuando la distancia del centro de la línea no excede 3 veces el ancho de la línea, el 70% del campo eléctrico se puede mantener sin interferencia mutua, lo que se denomina principio de 3W. De esta manera, se puede superar la influencia de la capacitancia distribuida y la inductancia distribuida causada por las líneas paralelas.

4 Diseño de cable de alimentación y cable de tierra

Para resolver la caída de voltaje causada por el ruido de la fuente de alimentación y la impedancia de línea introducida por el circuito de alta frecuencia, se debe considerar completamente la confiabilidad del sistema de suministro de energía en el circuito de alta frecuencia. En general, existen dos soluciones: una es utilizar la tecnología de bus de alimentación para el cableado; la otra es utilizar una capa de suministro de energía separada. En comparación, el proceso de fabricación de este último es más complicado y el costo es más caro. Por lo tanto, la tecnología de bus de alimentación de tipo red se puede utilizar para el cableado, de modo que cada componente pertenece a un bucle diferente y la corriente en cada bus de la red tiende a equilibrarse, lo que reduce la caída de voltaje causada por la impedancia de la línea.

La potencia de transmisión de alta frecuencia es relativamente grande, puede usar una gran área de cobre y encontrar un plano de tierra de baja resistencia cerca para múltiples conexiones a tierra. Debido a que la inductancia del cable de tierra es proporcional a la frecuencia y la longitud, la impedancia de tierra común aumentará cuando la frecuencia de operación sea alta, lo que aumentará la interferencia electromagnética generada por la impedancia de tierra común, por lo que la longitud del cable de tierra es Se requiere que sea lo más corto posible. Intente reducir la longitud de la línea de señal y aumente el área del bucle de tierra.

Configure uno o varios condensadores de desacoplamiento de alta frecuencia en la alimentación y la tierra del chip para proporcionar un canal de alta frecuencia cercano para la corriente transitoria del chip integrado, de modo que la corriente no pase a través de la línea de suministro de energía con un bucle grande área, lo que reduce en gran medida el ruido irradiado al exterior. Elija condensadores cerámicos monolíticos con buenas señales de alta frecuencia como condensadores de desacoplamiento. Utilice condensadores de tantalio de gran capacidad o condensadores de poliéster en lugar de condensadores electrolíticos como condensadores de almacenamiento de energía para la carga del circuito. Debido a que la inductancia distribuida del condensador electrolítico es grande, no es válida para alta frecuencia. Cuando utilice condensadores electrolíticos, utilícelos en pares con condensadores de desacoplamiento con buenas características de alta frecuencia.

5 Otras técnicas de diseño de circuitos de alta velocidad

La adaptación de impedancia se refiere a un estado de trabajo en el que la impedancia de carga y la impedancia interna de la fuente de excitación se adaptan entre sí para obtener la máxima potencia de salida. Para el cableado de PCB de alta velocidad, para evitar la reflexión de la señal, se requiere que la impedancia del circuito sea de 50 Ω. Ésta es una cifra aproximada. Generalmente, se estipula que la banda base del cable coaxial es de 50 Ω, la banda de frecuencia es de 75 Ω y el cable trenzado es de 100 Ω. Es solo un número entero, para facilitar la comparación. De acuerdo con el análisis del circuito específico, se adopta la terminación de CA en paralelo y la red de resistores y capacitores se utilizan como impedancia de terminación. La resistencia de terminación R debe ser menor o igual que la impedancia de la línea de transmisión Z0, y la capacitancia C debe ser mayor que 100 pF. Se recomienda utilizar condensadores cerámicos multicapa de 0.1 UF. El condensador tiene la función de bloquear la baja frecuencia y pasar la alta frecuencia, por lo que la resistencia R no es la carga de CC de la fuente de conducción, por lo que este método de terminación no tiene ningún consumo de energía de CC.

La diafonía se refiere a la interferencia de ruido de voltaje no deseada causada por el acoplamiento electromagnético a las líneas de transmisión adyacentes cuando la señal se propaga en la línea de transmisión. El acoplamiento se divide en acoplamiento capacitivo y acoplamiento inductivo. Una diafonía excesiva puede provocar una activación falsa del circuito y hacer que el sistema no funcione con normalidad. De acuerdo con algunas características de la diafonía, se pueden resumir varios métodos principales para reducir la diafonía:

(1) Aumente el espacio entre líneas, reduzca la longitud paralela y utilice el método de avance lento para el cableado si es necesario.

(2) Cuando las líneas de señal de alta velocidad cumplen las condiciones, la adición de coincidencia de terminación puede reducir o eliminar los reflejos, reduciendo así la diafonía.

(3) Para líneas de transmisión de microcinta y líneas de transmisión de banda, restringir la altura de la traza dentro del rango por encima del plano del suelo puede reducir significativamente la diafonía.

(4) Cuando el espacio del cableado lo permita, inserte un cable de tierra entre los dos cables con diafonía más grave, que puede desempeñar un papel en el aislamiento y reducir la diafonía.

Debido a la falta de análisis de alta velocidad y guía de simulación en el diseño de PCB tradicional, no se puede garantizar la calidad de la señal y la mayoría de los problemas no se pueden descubrir hasta la prueba de fabricación de placas. Esto reduce en gran medida la eficiencia del diseño y aumenta el costo, lo que obviamente es una desventaja en la feroz competencia del mercado. Por lo tanto, para el diseño de PCB de alta velocidad, la gente de la industria ha propuesto una nueva idea de diseño, que se ha convertido en un método de diseño “de arriba hacia abajo”. Después de una variedad de análisis y optimización de políticas, se han evitado la mayoría de los posibles problemas y se han realizado muchos ahorros. Es hora de garantizar que se cumpla con el presupuesto del proyecto, que se produzcan tableros impresos de alta calidad y que se eviten los tediosos y costosos errores de prueba.

El uso de líneas diferenciales para transmitir señales digitales es una medida eficaz para controlar los factores que destruyen la integridad de la señal en los circuitos digitales de alta velocidad. La línea diferencial en la placa de circuito impreso es equivalente a un par de líneas de transmisión integradas de microondas diferenciales que funcionan en modo cuasi-TEM. Entre ellos, la línea diferencial en la parte superior o inferior de la PCB es equivalente a la línea de microcinta acoplada y está ubicada en la capa interna de la PCB multicapa. La línea diferencial es equivalente a una línea de banda acoplada lateralmente. La señal digital se transmite en la línea diferencial en un modo de transmisión de modo impar, es decir, la diferencia de fase entre las señales positivas y negativas es de 180 °, y el ruido se acopla en un par de líneas diferenciales en un modo común. Se resta el voltaje o la corriente del circuito, de modo que se pueda obtener la señal para eliminar el ruido de modo común. La salida del variador de corriente o amplitud de bajo voltaje del par de líneas diferenciales cumple los requisitos de integración de alta velocidad y bajo consumo de energía.

6 observaciones finales

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.