1 Pertanyaan

Dengan peningkatan skala besar dalam kompleksitas desain dan integrasi sistem elektronik, kecepatan clock dan waktu naik perangkat menjadi semakin cepat, dan PCB berkecepatan tinggi desain telah menjadi bagian penting dari proses desain. Dalam desain sirkuit berkecepatan tinggi, induktansi dan kapasitansi pada jalur papan sirkuit membuat kabel setara dengan saluran transmisi. Tata letak komponen terminasi yang salah atau pengkabelan sinyal kecepatan tinggi yang salah dapat menyebabkan masalah efek saluran transmisi, yang mengakibatkan keluaran data yang salah dari sistem, operasi sirkuit yang tidak normal atau bahkan tidak ada operasi sama sekali. Berdasarkan model saluran transmisi, untuk menyimpulkan, saluran transmisi akan membawa efek buruk seperti refleksi sinyal, crosstalk, interferensi elektromagnetik, catu daya dan kebisingan tanah untuk desain sirkuit.

Untuk merancang papan sirkuit PCB berkecepatan tinggi yang dapat bekerja dengan andal, desain harus sepenuhnya dan hati-hati dipertimbangkan untuk memecahkan beberapa masalah yang tidak dapat diandalkan yang mungkin terjadi selama tata letak dan perutean, memperpendek siklus pengembangan produk, dan meningkatkan daya saing pasar.

Cara menggunakan alat desain PROTEL untuk desain PCB berkecepatan tinggi

2 Desain tata letak sistem frekuensi tinggi

Dalam desain sirkuit PCB, tata letak adalah tautan penting. Hasil tata letak akan secara langsung mempengaruhi efek pengkabelan dan keandalan sistem, yang paling memakan waktu dan sulit di seluruh desain papan sirkuit tercetak. Lingkungan kompleks dari PCB frekuensi tinggi membuat desain tata letak sistem frekuensi tinggi sulit untuk menggunakan pengetahuan teoretis yang dipelajari. Ini mengharuskan orang yang meletakkan harus memiliki pengalaman yang kaya dalam pembuatan PCB berkecepatan tinggi, sehingga dapat menghindari jalan memutar dalam proses desain. Meningkatkan keandalan dan efektivitas kerja sirkuit. Dalam proses tata letak, pertimbangan komprehensif harus diberikan pada struktur mekanik, pembuangan panas, interferensi elektromagnetik, kenyamanan pemasangan kabel di masa depan, dan estetika.

Pertama-tama, sebelum tata letak, seluruh rangkaian dibagi menjadi beberapa fungsi. Sirkuit frekuensi tinggi dipisahkan dari sirkuit frekuensi rendah, dan sirkuit analog dan sirkuit digital dipisahkan. Setiap sirkuit fungsional ditempatkan sedekat mungkin dengan pusat chip. Hindari penundaan transmisi yang disebabkan oleh kabel yang terlalu panjang, dan tingkatkan efek decoupling kapasitor. Selain itu, perhatikan posisi dan arah relatif antara pin dan komponen sirkuit serta tabung lainnya untuk mengurangi pengaruh timbal baliknya. Semua komponen frekuensi tinggi harus berada jauh dari sasis dan pelat logam lainnya untuk mengurangi kopling parasit.

Kedua, perhatian harus diberikan pada efek termal dan elektromagnetik antara komponen selama tata letak. Efek ini sangat serius untuk sistem frekuensi tinggi, dan langkah-langkah untuk menjauhkan atau mengisolasi, panas dan perisai harus diambil. Tabung penyearah daya tinggi dan tabung penyesuaian harus dilengkapi dengan radiator dan dijauhkan dari transformator. Komponen tahan panas seperti kapasitor elektrolitik harus dijauhkan dari komponen pemanas, jika tidak elektrolit akan mengering, mengakibatkan peningkatan resistensi dan kinerja yang buruk, yang akan mempengaruhi stabilitas sirkuit. Ruang yang cukup harus dibiarkan dalam tata letak untuk mengatur struktur pelindung dan mencegah masuknya berbagai kopling parasit. Untuk mencegah kopling elektromagnetik antara kumparan pada papan sirkuit tercetak, kedua kumparan harus ditempatkan pada sudut yang tepat untuk mengurangi koefisien kopling. Metode isolasi pelat vertikal juga dapat digunakan. Yang terbaik adalah langsung menggunakan ujung komponen yang akan disolder ke sirkuit. Semakin pendek memimpin, semakin baik. Jangan gunakan konektor dan tab solder karena ada kapasitansi terdistribusi dan induktansi terdistribusi antara tab solder yang berdekatan. Hindari menempatkan komponen kebisingan tinggi di sekitar osilator kristal, RIN, tegangan analog, dan jejak sinyal tegangan referensi.

Akhirnya, sambil memastikan kualitas dan keandalan yang melekat, sambil mempertimbangkan keindahan keseluruhan, perencanaan papan sirkuit yang wajar harus dilakukan. Komponen harus sejajar atau tegak lurus dengan permukaan papan, dan sejajar atau tegak lurus dengan tepi papan utama. Distribusi komponen pada permukaan papan harus merata dan kepadatannya harus konsisten. Dengan cara ini, tidak hanya cantik, tetapi juga mudah dirakit dan dilas, dan mudah diproduksi secara massal.

3 Pengkabelan sistem frekuensi tinggi

Dalam rangkaian frekuensi tinggi, parameter distribusi resistansi, kapasitansi, induktansi, dan induktansi timbal balik dari kabel penghubung tidak dapat diabaikan. Dari perspektif anti-interferensi, pengkabelan yang masuk akal adalah mencoba mengurangi resistansi saluran, kapasitansi terdistribusi, dan induktansi nyasar di sirkuit. , Medan magnet liar yang dihasilkan dikurangi seminimal mungkin, sehingga kapasitansi terdistribusi, fluks magnet bocor, induktansi timbal balik elektromagnetik dan gangguan lain yang disebabkan oleh kebisingan ditekan.

Penerapan alat desain PROTEL di Cina sudah cukup umum. Namun, banyak desainer hanya fokus pada “tingkat broadband”, dan perbaikan yang dilakukan oleh alat desain PROTEL untuk beradaptasi dengan perubahan karakteristik perangkat belum digunakan dalam desain, yang tidak hanya membuat pemborosan sumber daya alat desain lebih serius, yang mempersulit kinerja luar biasa dari banyak perangkat baru untuk dimainkan.

Berikut ini memperkenalkan beberapa fungsi khusus yang dapat disediakan oleh alat PROTEL99 SE.

(1) Kabel di antara pin perangkat sirkuit frekuensi tinggi harus ditekuk sesedikit mungkin. Cara terbaik adalah menggunakan garis lurus penuh. Saat pembengkokan diperlukan, tikungan atau busur 45° dapat digunakan, yang dapat mengurangi emisi eksternal dari sinyal frekuensi tinggi dan interferensi timbal balik. Kopling antara. Saat menggunakan PROTEL untuk perutean, Anda dapat memilih 45 Derajat atau Bulat di “Routing Corners” di menu “rules” di menu “Design”. Anda juga dapat menggunakan tombol shift + spasi untuk beralih antar baris dengan cepat.

(2) Semakin pendek kabel di antara pin perangkat sirkuit frekuensi tinggi, semakin baik.

PROTEL 99 Cara paling efektif untuk memenuhi perkabelan terpendek adalah dengan membuat janji perkabelan untuk jaringan kunci individu berkecepatan tinggi sebelum pengkabelan otomatis. “Topologi Perutean” di “aturan” di menu “Desain”

Pilih terpendek.

(3) Pergantian lapisan timah di antara pin perangkat sirkuit frekuensi tinggi sekecil mungkin. Artinya, semakin sedikit vias yang digunakan dalam proses koneksi komponen, semakin baik.

Satu via dapat menghasilkan 0.5pF kapasitansi terdistribusi, dan mengurangi jumlah vias dapat meningkatkan kecepatan secara signifikan.

(4) Untuk pengkabelan sirkuit frekuensi tinggi, perhatikan “gangguan silang” yang diperkenalkan oleh pengkabelan paralel dari saluran sinyal, yaitu crosstalk. Jika distribusi paralel tidak dapat dihindari, area ”ground” yang luas dapat diatur pada sisi yang berlawanan dari garis sinyal paralel

Untuk sangat mengurangi gangguan. Pengkabelan paralel pada lapisan yang sama hampir tidak dapat dihindari, tetapi pada dua lapisan yang berdekatan, arah pengkabelan harus tegak lurus satu sama lain. Ini tidak sulit untuk dilakukan di PROTEL tetapi mudah untuk diabaikan. Pada “RoutingLayers” di menu “Desain” “rules”, pilih Horizontal untuk Toplayer dan VerTIcal untuk BottomLayer. Selain itu, “Polygonplane” disediakan di “tempat”

Fungsi permukaan foil tembaga kisi poligonal, jika Anda menempatkan poligon sebagai permukaan seluruh papan sirkuit tercetak, dan menghubungkan tembaga ini ke GND sirkuit, itu dapat meningkatkan kemampuan anti-interferensi frekuensi tinggi, Ini juga memiliki manfaat yang lebih besar untuk pembuangan panas dan kekuatan papan cetak.

(5) Terapkan tindakan penutup kabel arde untuk jalur sinyal penting atau unit lokal. “Garis besar objek yang dipilih” disediakan di “Alat”, dan fungsi ini dapat digunakan untuk secara otomatis “membungkus tanah” dari jalur sinyal penting yang dipilih (seperti rangkaian osilasi LT dan X1).

(6) Umumnya, saluran listrik dan saluran pembumian sirkuit lebih lebar dari saluran sinyal. Anda dapat menggunakan “Kelas” di menu “Desain” untuk mengklasifikasikan jaringan, yang dibagi menjadi jaringan listrik dan jaringan sinyal. Lebih mudah untuk mengatur aturan kabel. Ganti lebar saluran saluran listrik dan saluran sinyal.

(7) Berbagai jenis kabel tidak dapat membentuk loop, dan kabel ground tidak dapat membentuk loop arus. Jika rangkaian loop dibangkitkan, maka akan menyebabkan banyak gangguan pada sistem. Metode pengkabelan rantai daisy dapat digunakan untuk ini, yang secara efektif dapat menghindari pembentukan loop, cabang atau tunggul selama pengkabelan, tetapi juga akan menyebabkan masalah pengkabelan yang tidak mudah.

(8) Menurut data dan desain berbagai chip, perkirakan arus yang dilewatkan oleh rangkaian catu daya dan tentukan lebar kabel yang diperlukan. Menurut rumus empiris: W (lebar garis) L (mm/A) × I (A).

Menurut arus, coba tambah lebar saluran listrik dan kurangi resistansi loop. Pada saat yang sama, buat arah saluran listrik dan saluran tanah konsisten dengan arah transmisi data, yang membantu meningkatkan kemampuan anti-noise. Bila perlu, perangkat choke frekuensi tinggi yang terbuat dari ferit luka kawat tembaga dapat ditambahkan ke saluran listrik dan saluran tanah untuk memblokir konduksi kebisingan frekuensi tinggi.

(9) Lebar kabel dari jaringan yang sama harus tetap sama. Variasi lebar saluran akan menyebabkan impedansi karakteristik saluran tidak merata. Ketika kecepatan transmisi tinggi, refleksi akan terjadi, yang harus dihindari sebisa mungkin dalam desain. Pada saat yang sama, tingkatkan lebar garis dari garis paralel. Ketika jarak pusat garis tidak melebihi 3 kali lebar garis, 70% medan listrik dapat dipertahankan tanpa interferensi timbal balik, yang disebut prinsip 3W. Dengan cara ini, pengaruh kapasitansi terdistribusi dan induktansi terdistribusi yang disebabkan oleh garis paralel dapat diatasi.

4 Desain kabel listrik dan kabel ground

Untuk mengatasi penurunan tegangan yang disebabkan oleh gangguan catu daya dan impedansi saluran yang ditimbulkan oleh rangkaian frekuensi tinggi, keandalan sistem catu daya di rangkaian frekuensi tinggi harus sepenuhnya dipertimbangkan. Secara umum ada dua solusi: pertama adalah menggunakan teknologi bus daya untuk pengkabelan; yang lainnya adalah menggunakan lapisan catu daya terpisah. Sebagai perbandingan, proses pembuatan yang terakhir lebih rumit dan biayanya lebih mahal. Oleh karena itu, teknologi bus daya tipe jaringan dapat digunakan untuk pengkabelan, sehingga setiap komponen memiliki loop yang berbeda, dan arus pada setiap bus di jaringan cenderung seimbang, mengurangi penurunan tegangan yang disebabkan oleh impedansi saluran.

Daya transmisi frekuensi tinggi relatif besar, Anda dapat menggunakan area tembaga yang luas, dan menemukan bidang tanah resistansi rendah di dekatnya untuk beberapa landasan. Karena induktansi kabel pentanahan sebanding dengan frekuensi dan panjangnya, impedansi arde bersama akan meningkat ketika frekuensi operasi tinggi, yang akan meningkatkan interferensi elektromagnetik yang dihasilkan oleh impedansi arde bersama, sehingga panjang kabel arde adalah diperlukan sesingkat mungkin. Cobalah untuk mengurangi panjang garis sinyal dan menambah area loop tanah.

Atur satu atau beberapa kapasitor decoupling frekuensi tinggi pada daya dan ground chip untuk menyediakan saluran frekuensi tinggi terdekat untuk arus transien chip terintegrasi, sehingga arus tidak melewati saluran catu daya dengan loop besar area, sehingga sangat mengurangi Kebisingan yang terpancar ke luar. Pilih kapasitor keramik monolitik dengan sinyal frekuensi tinggi yang baik sebagai kapasitor decoupling. Gunakan kapasitor tantalum berkapasitas besar atau kapasitor poliester sebagai pengganti kapasitor elektrolitik sebagai kapasitor penyimpan energi untuk pengisian sirkuit. Karena induktansi terdistribusi dari kapasitor elektrolitik besar, itu tidak valid untuk frekuensi tinggi. Saat menggunakan kapasitor elektrolitik, gunakan secara berpasangan dengan kapasitor decoupling dengan karakteristik frekuensi tinggi yang baik.

5 Teknik desain sirkuit berkecepatan tinggi lainnya

Pencocokan impedansi mengacu pada keadaan kerja di mana impedansi beban dan impedansi internal dari sumber eksitasi disesuaikan satu sama lain untuk mendapatkan output daya maksimum. Untuk kabel PCB berkecepatan tinggi, untuk mencegah pantulan sinyal, impedansi rangkaian harus 50 . Ini adalah angka perkiraan. Secara umum, ditetapkan bahwa pita dasar kabel koaksial adalah 50 , pita frekuensi adalah 75 , dan kabel terpilin adalah 100 . Itu hanya bilangan bulat, untuk kenyamanan pencocokan. Menurut analisis rangkaian spesifik, terminasi AC paralel diadopsi, dan jaringan resistor dan kapasitor digunakan sebagai impedansi terminasi. Resistansi terminasi R harus kurang dari atau sama dengan impedansi saluran transmisi Z0, dan kapasitansi C harus lebih besar dari 100 pF. Disarankan untuk menggunakan kapasitor keramik multilayer 0.1UF. Kapasitor memiliki fungsi memblokir frekuensi rendah dan melewatkan frekuensi tinggi, sehingga resistansi R bukan beban DC dari sumber penggerak, sehingga metode terminasi ini tidak memiliki konsumsi daya DC.

Crosstalk mengacu pada gangguan kebisingan tegangan yang tidak diinginkan yang disebabkan oleh kopling elektromagnetik ke saluran transmisi yang berdekatan ketika sinyal merambat pada saluran transmisi. Kopling dibagi menjadi kopling kapasitif dan kopling induktif. Crosstalk yang berlebihan dapat menyebabkan pemicu palsu pada rangkaian dan menyebabkan sistem gagal bekerja secara normal. Menurut beberapa karakteristik crosstalk, beberapa metode utama untuk mengurangi crosstalk dapat diringkas:

(1) Tingkatkan jarak garis, kurangi panjang paralel, dan gunakan metode joging untuk pemasangan kabel jika perlu.

(2) Ketika jalur sinyal berkecepatan tinggi memenuhi kondisi, menambahkan pencocokan terminasi dapat mengurangi atau menghilangkan refleksi, sehingga mengurangi crosstalk.

(3) Untuk saluran transmisi mikrostrip dan saluran transmisi strip, membatasi ketinggian jejak dalam kisaran di atas bidang tanah dapat secara signifikan mengurangi crosstalk.

(4) Jika ruang pengkabelan memungkinkan, masukkan kabel arde di antara dua kabel dengan crosstalk yang lebih serius, yang dapat berperan dalam isolasi dan mengurangi crosstalk.

Karena kurangnya analisis kecepatan tinggi dan panduan simulasi dalam desain PCB tradisional, kualitas sinyal tidak dapat dijamin, dan sebagian besar masalah tidak dapat ditemukan sampai tes pembuatan pelat. Ini sangat mengurangi efisiensi desain dan meningkatkan biaya, yang jelas tidak menguntungkan dalam persaingan pasar yang ketat. Oleh karena itu, untuk desain PCB berkecepatan tinggi, orang-orang di industri telah mengusulkan ide desain baru, yang telah menjadi metode desain “top-down”. Setelah berbagai analisis dan optimalisasi kebijakan, sebagian besar masalah yang mungkin terjadi dapat dihindari dan banyak penghematan telah dilakukan. Waktu untuk memastikan bahwa anggaran proyek terpenuhi, papan cetak berkualitas tinggi diproduksi, dan kesalahan pengujian yang membosankan dan mahal dapat dihindari.

Penggunaan jalur diferensial untuk mengirimkan sinyal digital adalah ukuran yang efektif untuk mengontrol faktor-faktor yang merusak integritas sinyal di sirkuit digital berkecepatan tinggi. Garis diferensial pada papan sirkuit tercetak setara dengan pasangan saluran transmisi terintegrasi gelombang mikro diferensial yang bekerja dalam mode quasi-TEM. Diantaranya, garis diferensial di bagian atas atau bawah PCB setara dengan garis mikrostrip berpasangan dan terletak di lapisan dalam PCB multilayer. Garis diferensial setara dengan garis strip berpasangan sisi lebar. Sinyal digital ditransmisikan pada saluran diferensial dalam mode transmisi mode ganjil, yaitu, perbedaan fase antara sinyal positif dan negatif adalah 180 °, dan noise digabungkan pada sepasang jalur diferensial dalam mode umum. Tegangan atau arus rangkaian dikurangi, sehingga sinyal dapat diperoleh untuk menghilangkan gangguan mode umum. Amplitudo tegangan rendah atau keluaran penggerak arus dari pasangan saluran diferensial memenuhi persyaratan integrasi kecepatan tinggi dan konsumsi daya rendah.

6 kata penutup

Dengan perkembangan teknologi elektronik yang berkelanjutan, sangat penting untuk memahami teori integritas sinyal untuk memandu dan memverifikasi desain PCB berkecepatan tinggi. Beberapa pengalaman yang dirangkum dalam artikel ini dapat membantu perancang PCB sirkuit berkecepatan tinggi memperpendek siklus pengembangan, menghindari jalan memutar yang tidak perlu, dan menghemat tenaga kerja dan sumber daya material. Desainer harus terus meneliti dan mengeksplorasi dalam pekerjaan yang sebenarnya, terus mengumpulkan pengalaman, dan menggabungkan teknologi baru untuk merancang papan sirkuit PCB berkecepatan tinggi dengan kinerja yang sangat baik.