Bagaimana menghindari efek saluran transmisi dalam desain PCB kecepatan tinggi?

Bagaimana menghindari efek saluran transmisi di PCB berkecepatan tinggi disain

1. Metode untuk menekan interferensi elektromagnetik

Solusi yang baik untuk masalah integritas sinyal akan meningkatkan kompatibilitas elektromagnetik (EMC) dari papan PCB. Salah satu yang paling penting adalah memastikan bahwa papan PCB memiliki landasan yang baik. Lapisan sinyal dengan lapisan tanah adalah metode yang sangat efektif untuk desain yang kompleks. Selain itu, meminimalkan kepadatan sinyal dari lapisan terluar papan sirkuit juga merupakan cara yang baik untuk mengurangi radiasi elektromagnetik. Metode ini dapat dicapai dengan menggunakan teknologi “area permukaan” desain PCB “build-up”. Lapisan luas permukaan dicapai dengan menambahkan kombinasi lapisan insulasi tipis dan mikropori yang digunakan untuk menembus lapisan ini pada PCB proses umum. Resistansi dan kapasitansi dapat dikubur di bawah permukaan, dan kerapatan linier per satuan luas hampir dua kali lipat, sehingga mengurangi volume PCB. Pengurangan area PCB memiliki dampak besar pada topologi perutean, yang berarti bahwa loop arus berkurang, panjang perutean cabang berkurang, dan radiasi elektromagnetik kira-kira sebanding dengan luas loop arus; Pada saat yang sama, karakteristik ukuran kecil berarti bahwa paket pin kepadatan tinggi dapat digunakan, yang pada gilirannya mengurangi panjang kawat, sehingga mengurangi loop arus dan meningkatkan karakteristik emc.

2. Ketat kontrol panjang kabel kabel jaringan utama

Jika desain memiliki tepi lompatan kecepatan tinggi, efek saluran transmisi pada PCB harus dipertimbangkan. Chip sirkuit terintegrasi cepat berkecepatan tinggi yang biasa digunakan saat ini bahkan lebih bermasalah. Ada beberapa prinsip dasar untuk memecahkan masalah ini: jika sirkuit CMOS atau TTL digunakan untuk desain, frekuensi operasinya kurang dari 10MHz, dan panjang kabel tidak boleh lebih dari 7 inci. Jika frekuensi operasi adalah 50MHz, panjang kabel tidak boleh lebih dari 1.5 inci. Panjang kabel harus 1 inci jika frekuensi operasi mencapai atau melebihi 75MHz. Panjang kabel maksimum untuk chip GaAs harus 0.3 inci. Jika ini terlampaui, ada masalah saluran transmisi.

3. Rencanakan topologi kabel dengan benar

Cara lain untuk mengatasi efek saluran transmisi adalah dengan memilih jalur perutean dan topologi terminal yang benar. Topologi pengkabelan mengacu pada urutan pengkabelan dan struktur kabel jaringan. Ketika perangkat logika berkecepatan tinggi digunakan, sinyal dengan tepi yang berubah dengan cepat akan terdistorsi oleh cabang-cabang dari batang sinyal kecuali jika panjang cabang disimpan sangat pendek. Secara umum, routing PCB mengadopsi dua topologi dasar, yaitu routing Daisy Chain dan distribusi Star.

Untuk pengkabelan daisy-chain, pengkabelan dimulai dari ujung driver dan mencapai setiap ujung penerima secara bergantian. Jika resistor seri digunakan untuk mengubah karakteristik sinyal, posisi resistor seri harus dekat dengan ujung penggerak. Pengkabelan rantai Daisy adalah yang terbaik dalam mengendalikan gangguan harmonik yang tinggi pada kabel. Namun, jenis kabel ini memiliki tingkat transmisi terendah dan tidak mudah untuk lulus 100%. Dalam desain sebenarnya, kami ingin membuat panjang cabang di kabel rantai Daisy sesingkat mungkin, dan nilai panjang amannya adalah: Stub Delay < = Trt * 0.1.

Misalnya, ujung cabang di sirkuit TTL berkecepatan tinggi harus memiliki panjang kurang dari 1.5 inci. Topologi ini membutuhkan lebih sedikit ruang kabel dan dapat diakhiri dengan pencocokan resistor tunggal. Namun, struktur pengkabelan ini membuat penerimaan sinyal pada penerima sinyal yang berbeda tidak sinkron.

Topologi star dapat secara efektif menghindari masalah sinkronisasi sinyal clock, tetapi sangat sulit untuk menyelesaikan pengkabelan secara manual pada PCB dengan kepadatan tinggi. Menggunakan kabel otomatis adalah cara terbaik untuk melengkapi kabel bintang. Sebuah resistor terminal diperlukan pada setiap cabang. Nilai resistansi terminal harus sesuai dengan impedansi karakteristik kawat. Ini dapat dilakukan secara manual atau melalui alat CAD untuk menghitung nilai impedansi karakteristik dan nilai resistansi pencocokan terminal.

Sementara resistor terminal sederhana digunakan dalam dua contoh di atas, terminal pencocokan yang lebih kompleks adalah opsional dalam praktiknya. Opsi pertama adalah terminal pertandingan RC. Terminal pencocokan RC dapat mengurangi konsumsi daya, tetapi hanya dapat digunakan jika operasi sinyal relatif stabil. Metode ini paling cocok untuk pemrosesan pencocokan sinyal garis jam. Kerugiannya adalah bahwa kapasitansi dalam terminal pencocokan RC dapat mempengaruhi bentuk dan kecepatan rambat sinyal.

Terminal pencocokan resistor seri tidak menimbulkan konsumsi daya tambahan, tetapi memperlambat transmisi sinyal. Pendekatan ini digunakan dalam sirkuit bus-driven di mana penundaan waktu tidak signifikan. Terminal pencocokan resistor seri juga memiliki keuntungan mengurangi jumlah perangkat yang digunakan pada papan dan kepadatan koneksi.

Metode terakhir adalah memisahkan terminal pencocokan, di mana elemen pencocokan harus ditempatkan di dekat ujung penerima. Keuntungannya adalah tidak akan menurunkan sinyal, dan bisa sangat baik untuk menghindari noise. Biasanya digunakan untuk sinyal input TTL (ACT, HCT, FAST).

Selain itu, jenis paket dan jenis pemasangan resistor pencocokan terminal harus dipertimbangkan. Resistor pemasangan permukaan SMD umumnya memiliki induktansi yang lebih rendah daripada komponen lubang tembus, sehingga komponen paket SMD lebih disukai. Ada juga dua mode pemasangan untuk resistor steker lurus biasa: vertikal dan horizontal.

Dalam mode pemasangan vertikal, resistansi memiliki pin pemasangan pendek, yang mengurangi resistansi termal antara resistansi dan papan sirkuit dan membuat panas resistansi lebih mudah dipancarkan ke udara. Tetapi pemasangan vertikal yang lebih lama akan meningkatkan induktansi resistor. Instalasi horizontal memiliki induktansi yang lebih rendah karena instalasi yang lebih rendah. Namun, resistansi yang terlalu panas akan melayang, dan dalam kasus terburuk, resistansi akan menjadi terbuka, mengakibatkan kegagalan pencocokan pemutusan kabel PCB, menjadi faktor kegagalan potensial.

4. Teknologi lain yang berlaku

Untuk mengurangi overshoot tegangan transien pada catu daya IC, kapasitor decoupling harus ditambahkan ke chip IC. Ini secara efektif menghilangkan dampak gerinda pada catu daya dan mengurangi radiasi dari loop daya pada papan cetak.

Efek penghalusan duri paling baik bila kapasitor decoupling dihubungkan langsung ke kaki catu daya sirkuit terpadu daripada ke lapisan catu daya. Inilah sebabnya mengapa beberapa perangkat memiliki kapasitor decoupling di soketnya, sementara yang lain membutuhkan jarak antara kapasitor decoupling dan perangkat yang cukup kecil.

Setiap perangkat berkecepatan tinggi dan konsumsi daya tinggi harus ditempatkan bersama-sama sejauh mungkin untuk mengurangi overshoot transien tegangan catu daya.

Tanpa lapisan daya, saluran listrik yang panjang membentuk loop antara sinyal dan loop, berfungsi sebagai sumber radiasi dan sirkuit induktif.

Pengkabelan membentuk loop yang tidak melewati kabel jaringan yang sama atau kabel lain disebut loop terbuka. Jika loop melewati kabel jaringan yang sama, rute lain membentuk loop tertutup. Dalam kedua kasus, efek antena (antena saluran dan antena cincin) dapat terjadi.