Al momento, ad alta frequenza e PCB ad alta velocità il design è diventato il mainstream e ogni ingegnere di layout PCB dovrebbe essere esperto. Successivamente, Banermei condividerà con voi parte dell’esperienza di progettazione di esperti hardware in circuiti PCB ad alta frequenza e alta velocità, e spero che possa essere utile a tutti.

1. Come evitare interferenze ad alta frequenza?

L’idea di base per evitare le interferenze ad alta frequenza è ridurre al minimo l’interferenza del campo elettromagnetico dei segnali ad alta frequenza, che è la cosiddetta diafonia (Crosstalk). È possibile aumentare la distanza tra il segnale ad alta velocità e il segnale analogico o aggiungere tracce di protezione/shunt a terra accanto al segnale analogico. Prestare attenzione anche all’interferenza del rumore dalla massa digitale alla massa analogica.

2. Come considerare l’adattamento dell’impedenza durante la progettazione di schemi di progettazione PCB ad alta velocità?

Quando si progettano circuiti PCB ad alta velocità, l’adattamento di impedenza è uno degli elementi di progettazione. Il valore dell’impedenza ha una relazione assoluta con il metodo di cablaggio, come camminare sullo strato superficiale (microstrip) o sullo strato interno (stripline/doppio stripline), distanza dallo strato di riferimento (strato di potenza o strato di massa), larghezza del cablaggio, materiale PCB , ecc. Entrambi influenzeranno il valore di impedenza caratteristica della traccia. Vale a dire, il valore dell’impedenza può essere determinato solo dopo il cablaggio. In genere, i software di simulazione non possono tenere conto di alcune condizioni di cablaggio con impedenza discontinua a causa della limitazione del modello circuitale o dell’algoritmo matematico utilizzato. A questo punto, sul diagramma schematico possono essere riservati solo alcuni terminatori (terminazione), come la resistenza in serie. Allevia l’effetto della discontinuità nell’impedenza di traccia. La vera soluzione al problema è cercare di evitare discontinuità di impedenza durante il cablaggio.

3. Nella progettazione di PCB ad alta velocità, quali aspetti il ​​progettista dovrebbe considerare le regole EMC e EMI?

In generale, la progettazione EMI/EMC deve considerare contemporaneamente sia gli aspetti irradiati che condotti. Il primo appartiene alla parte di frequenza più alta (<30MHz) e il secondo è la parte di frequenza più bassa (<30MHz). Quindi non puoi semplicemente prestare attenzione all’alta frequenza e ignorare la parte a bassa frequenza. Una buona progettazione EMI/EMC deve tenere conto della posizione del dispositivo, della disposizione dello stack PCB, del metodo di connessione importante, della selezione del dispositivo, ecc. all’inizio del layout. Se non c’è un accordo migliore in anticipo, sarà risolto in seguito. Farà il doppio del risultato con metà dello sforzo e aumenterà il costo. Ad esempio, la posizione del generatore di clock non dovrebbe essere vicina al connettore esterno. I segnali ad alta velocità dovrebbero andare il più possibile verso lo strato interno. Prestare attenzione all’adattamento di impedenza caratteristico e alla continuità dello strato di riferimento per ridurre le riflessioni. La velocità di risposta del segnale spinto dal dispositivo dovrebbe essere la più piccola possibile per ridurre l’altezza. I componenti di frequenza, quando si sceglie un condensatore di disaccoppiamento/bypass, prestare attenzione al fatto che la sua risposta in frequenza soddisfi i requisiti per ridurre il rumore sul piano di alimentazione. Inoltre, prestare attenzione al percorso di ritorno della corrente del segnale ad alta frequenza per rendere l’area del circuito il più piccola possibile (ovvero, l’impedenza del circuito il più piccola possibile) per ridurre le radiazioni. Il terreno può anche essere diviso per controllare la gamma del rumore ad alta frequenza. Infine, scegli correttamente la massa del telaio tra il PCB e l’alloggiamento.

4. Come scegliere la scheda PCB?

La scelta della scheda PCB deve trovare un equilibrio tra il rispetto dei requisiti di progettazione e la produzione di massa e il costo. I requisiti di progettazione includono sia le parti elettriche che meccaniche. Di solito questo problema di materiale è più importante quando si progettano schede PCB ad altissima velocità (frequenza maggiore di GHz). Ad esempio, il materiale FR-4 comunemente usato, la perdita dielettrica a una frequenza di diversi GHz avrà una grande influenza sull’attenuazione del segnale e potrebbe non essere adatta. Per quanto riguarda l’elettricità, prestare attenzione se la costante dielettrica e la perdita dielettrica sono adatte alla frequenza progettata.

5. Come soddisfare il più possibile i requisiti EMC senza causare troppa pressione sui costi?

L’aumento del costo della scheda PCB dovuto all’EMC è solitamente dovuto all’aumento del numero di strati di terra per migliorare l’effetto di schermatura e all’aggiunta di sfere di ferrite, induttanze e altri dispositivi di soppressione delle armoniche ad alta frequenza. Inoltre, di solito è necessario abbinare la struttura di schermatura su altre istituzioni per far sì che l’intero sistema soddisfi i requisiti EMC. Quanto segue fornisce solo alcune tecniche di progettazione della scheda PCB per ridurre l’effetto delle radiazioni elettromagnetiche generato dal circuito.

Prova a scegliere un dispositivo con una velocità di risposta del segnale più lenta per ridurre le componenti ad alta frequenza generate dal segnale.

Prestare attenzione al posizionamento dei componenti ad alta frequenza, non troppo vicino al connettore esterno.

Prestare attenzione all’adattamento dell’impedenza dei segnali ad alta velocità, allo strato di cablaggio e al suo percorso della corrente di ritorno, per ridurre la riflessione e la radiazione ad alta frequenza.

Posizionare condensatori di disaccoppiamento sufficienti e appropriati sui pin di alimentazione di ciascun dispositivo per alleviare il rumore sul piano di alimentazione e sul piano di massa. Prestare particolare attenzione al fatto che la risposta in frequenza e le caratteristiche di temperatura del condensatore soddisfino i requisiti di progettazione.

La terra vicino al connettore esterno può essere adeguatamente separata dalla terra e la terra del connettore può essere collegata alla massa del telaio nelle vicinanze.

Le tracce di guardia/shunt a terra possono essere opportunamente utilizzate accanto ad alcuni segnali speciali ad alta velocità. Ma prestare attenzione all’influenza delle tracce di guardia/shunt sull’impedenza caratteristica della traccia.

Lo strato di potenza si restringe di 20H dallo strato di terra e H è la distanza tra lo strato di potenza e lo strato di terra.

6. A quali aspetti occorre prestare attenzione durante la progettazione, l’instradamento e il layout di PCB ad alta frequenza sopra 2G?

I PCB ad alta frequenza superiori a 2G appartengono alla progettazione di circuiti a radiofrequenza e non rientrano nell’ambito della discussione sulla progettazione di circuiti digitali ad alta velocità. Il layout e l’instradamento del circuito a radiofrequenza dovrebbero essere considerati insieme allo schema, poiché il layout e l’instradamento causeranno effetti di distribuzione. Inoltre, alcuni dispositivi passivi nella progettazione di circuiti a radiofrequenza sono realizzati attraverso definizioni parametrizzate e lamine di rame di forma speciale. Pertanto, sono necessari strumenti EDA per fornire dispositivi parametrizzati e modificare fogli di rame di forma speciale. La board station di Mentor dispone di uno speciale modulo di progettazione RF in grado di soddisfare questi requisiti. Inoltre, la progettazione RF generale richiede strumenti di analisi del circuito RF specializzati. Il più famoso del settore è eesoft di agilent, che ha una buona interfaccia con gli strumenti di Mentor.

7. L’aggiunta di punti di prova influirà sulla qualità dei segnali ad alta velocità?

Se influenzerà la qualità del segnale dipende dal metodo di aggiunta dei punti di prova e dalla velocità del segnale. Fondamentalmente, è possibile aggiungere alla linea punti di prova aggiuntivi (non utilizzare il pin via o DIP esistente come punti di prova) o estrarre una linea corta dalla linea. Il primo equivale ad aggiungere un piccolo condensatore sulla linea, il secondo è un ramo in più. Entrambe queste condizioni influenzeranno più o meno il segnale ad alta velocità e l’entità dell’effetto è correlata alla velocità di frequenza del segnale e alla velocità del segnale. L’entità dell’impatto può essere conosciuta attraverso la simulazione. In linea di principio, più piccolo è il punto di prova, meglio (ovviamente deve soddisfare i requisiti dello strumento di prova) più corto è il ramo, meglio è.