1 Domande

Con l’aumento su larga scala della complessità del design e dell’integrazione dei sistemi elettronici, le velocità di clock e i tempi di aumento dei dispositivi stanno diventando sempre più veloci e PCB ad alta velocità il design è diventato una parte importante del processo di progettazione. Nella progettazione di circuiti ad alta velocità, l’induttanza e la capacità sulla linea del circuito stampato rendono il filo equivalente a una linea di trasmissione. La disposizione errata dei componenti di terminazione o il cablaggio errato dei segnali ad alta velocità possono causare problemi di effetto della linea di trasmissione, con conseguente emissione di dati errati dal sistema, funzionamento anomalo del circuito o addirittura nessuna operazione. Sulla base del modello della linea di trasmissione, per riassumere, la linea di trasmissione porterà effetti negativi come riflessione del segnale, diafonia, interferenze elettromagnetiche, alimentazione e rumore di fondo alla progettazione del circuito.

Al fine di progettare un circuito stampato PCB ad alta velocità che possa funzionare in modo affidabile, il progetto deve essere considerato in modo completo e attento per risolvere alcuni problemi inaffidabili che possono verificarsi durante il layout e il routing, abbreviare il ciclo di sviluppo del prodotto e migliorare la competitività sul mercato.

Come utilizzare gli strumenti di progettazione PROTEL per la progettazione PCB ad alta velocità

2 Progettazione del layout del sistema ad alta frequenza

Nella progettazione PCB del circuito, il layout è un collegamento importante. Il risultato del layout influenzerà direttamente l’effetto del cablaggio e l’affidabilità del sistema, che è il più lungo e difficile nell’intero design del circuito stampato. L’ambiente complesso del PCB ad alta frequenza rende difficile l’utilizzo delle conoscenze teoriche apprese nella progettazione del layout del sistema ad alta frequenza. Richiede che la persona che esegue il layout debba avere una ricca esperienza nella produzione di PCB ad alta velocità, in modo da evitare deviazioni nel processo di progettazione. Migliora l’affidabilità e l’efficacia del lavoro sui circuiti. Nel processo di layout, dovrebbe essere data una considerazione completa alla struttura meccanica, alla dissipazione del calore, alle interferenze elettromagnetiche, alla praticità del cablaggio futuro e all’estetica.

Prima di tutto, prima del layout, l’intero circuito è diviso in funzioni. Il circuito ad alta frequenza è separato dal circuito a bassa frequenza e il circuito analogico e il circuito digitale sono separati. Ogni circuito funzionale è posizionato il più vicino possibile al centro del chip. Evita il ritardo di trasmissione causato da cavi eccessivamente lunghi e migliora l’effetto di disaccoppiamento dei condensatori. Inoltre, prestare attenzione alle posizioni e direzioni relative tra i pin e i componenti del circuito e altri tubi per ridurre la loro influenza reciproca. Tutti i componenti ad alta frequenza dovrebbero essere lontani dal telaio e da altre piastre metalliche per ridurre l’accoppiamento parassita.

In secondo luogo, occorre prestare attenzione agli effetti termici ed elettromagnetici tra i componenti durante il layout. Questi effetti sono particolarmente gravi per i sistemi ad alta frequenza e dovrebbero essere prese misure per tenere lontano o isolare, calore e schermatura. Il tubo raddrizzatore ad alta potenza e il tubo di regolazione devono essere dotati di un radiatore e tenuti lontani dal trasformatore. I componenti resistenti al calore come i condensatori elettrolitici devono essere tenuti lontani dai componenti riscaldanti, altrimenti l’elettrolita si secca, con conseguente aumento della resistenza e prestazioni scadenti, che influiscono sulla stabilità del circuito. Nel layout dovrebbe essere lasciato spazio sufficiente per organizzare la struttura di protezione ed evitare l’introduzione di vari accoppiamenti parassiti. Per evitare l’accoppiamento elettromagnetico tra le bobine sul circuito stampato, le due bobine devono essere posizionate ad angolo retto per ridurre il coefficiente di accoppiamento. Può essere utilizzato anche il metodo dell’isolamento della piastra verticale. È meglio utilizzare direttamente il cavo del componente da saldare al circuito. Più corto è il vantaggio, meglio è. Non utilizzare connettori e linguette di saldatura perché sono presenti capacità e induttanza distribuite tra le linguette di saldatura adiacenti. Evitare di posizionare componenti ad alto rumore attorno all’oscillatore a cristallo, al RIN, alla tensione analogica e alle tracce del segnale di tensione di riferimento.

Infine, pur garantendo la qualità e l’affidabilità intrinseche, tenendo conto della bellezza complessiva, dovrebbe essere eseguita una pianificazione ragionevole del circuito. I componenti devono essere paralleli o perpendicolari alla superficie della scheda e paralleli o perpendicolari al bordo della scheda principale. La distribuzione dei componenti sulla superficie della scheda dovrebbe essere il più uniforme possibile e la densità dovrebbe essere coerente. In questo modo, non è solo bello, ma anche facile da montare e saldare, ed è facile da produrre in serie.

3 Cablaggio del sistema ad alta frequenza

Nei circuiti ad alta frequenza, i parametri di distribuzione di resistenza, capacità, induttanza e mutua induttanza dei fili di collegamento non possono essere ignorati. Dal punto di vista dell’anti-interferenza, un cablaggio ragionevole consiste nel cercare di ridurre la resistenza di linea, la capacità distribuita e l’induttanza parassita nel circuito. , Il campo magnetico parassita risultante viene ridotto al minimo, in modo da eliminare la capacità distribuita, il flusso magnetico di dispersione, l’induttanza reciproca elettromagnetica e altre interferenze causate dal rumore.

L’applicazione degli strumenti di progettazione PROTEL in Cina è stata abbastanza comune. Tuttavia, molti progettisti si concentrano solo sulla “velocità di banda larga” e i miglioramenti apportati dagli strumenti di progettazione PROTEL per adattarsi ai cambiamenti nelle caratteristiche del dispositivo non sono stati utilizzati nella progettazione, il che non solo rende Lo spreco di risorse degli strumenti di progettazione è più grave, il che rende difficile mettere in gioco le ottime prestazioni di molti nuovi dispositivi.

Di seguito vengono presentate alcune funzioni speciali che lo strumento PROTEL99 SE può fornire.

(1) Il cavo tra i pin del dispositivo del circuito ad alta frequenza dovrebbe essere piegato il meno possibile. È meglio usare una linea retta completa. Quando è richiesta la piegatura, è possibile utilizzare curve o archi a 45°, che possono ridurre l’emissione esterna di segnali ad alta frequenza e l’interferenza reciproca. L’accoppiamento tra. Quando si utilizza PROTEL per il routing, è possibile selezionare 45-Degrees o Rounded in “Routing Corners” nel menu “regole” del menu “Design”. Puoi anche usare i tasti Maiusc + Spazio per passare rapidamente da una riga all’altra.

(2) Più corto è il cavo tra i pin del dispositivo del circuito ad alta frequenza, meglio è.

PROTEL 99 Il modo più efficace per soddisfare i cablaggi più brevi è fissare un appuntamento per il cablaggio delle singole reti chiave ad alta velocità prima del cablaggio automatico. “Routing Topology” in “regole” nel menu “Progettazione”

Seleziona il più breve.

(3) L’alternanza degli strati di piombo tra i pin dei dispositivi del circuito ad alta frequenza è la più ridotta possibile. Cioè, meno via vengono utilizzati nel processo di connessione dei componenti, meglio è.

Un via può portare circa 0.5 pF di capacità distribuita e la riduzione del numero di via può aumentare significativamente la velocità.

(4) Per il cablaggio del circuito ad alta frequenza, prestare attenzione alle “interferenze incrociate” introdotte dal cablaggio parallelo della linea di segnale, ovvero diafonia. Se la distribuzione parallela è inevitabile, è possibile disporre un’ampia area di “massa” sul lato opposto della linea di segnale parallela

Per ridurre notevolmente le interferenze. Il cablaggio parallelo nello stesso strato è quasi inevitabile, ma in due strati adiacenti la direzione del cablaggio deve essere perpendicolare l’uno all’altro. Questo non è difficile da fare in PROTEL, ma è facile da trascurare. In “RoutIngLayers” nel menu “Progettazione” “regole”, selezionare Orizzontale per Toplayer e VerTIcal per BottomLayer. Inoltre, “Polygonplane” è fornito in “place”

La funzione della superficie della lamina di rame a griglia poligonale, se si posiziona il poligono come superficie dell’intero circuito stampato e si collega questo rame al GND del circuito, può migliorare la capacità anti-interferenza ad alta frequenza, ha anche maggiori vantaggi per la dissipazione del calore e la resistenza del pannello di stampa.

(5) Implementare misure di protezione del cavo di terra per linee di segnale o unità locali particolarmente importanti. “Contorno oggetti selezionati” è fornito in “Strumenti” e questa funzione può essere utilizzata per “avvolgere il terreno” automaticamente delle linee di segnale importanti selezionate (come il circuito di oscillazione LT e X1).

(6) In genere, la linea di alimentazione e la linea di messa a terra del circuito sono più larghe della linea di segnale. È possibile utilizzare le “Classi” nel menu “Progettazione” per classificare la rete, che è divisa in rete di alimentazione e rete di segnale. È conveniente impostare le regole di cablaggio. Cambia la larghezza della linea della linea di alimentazione e della linea del segnale.

(7) Vari tipi di cablaggio non possono formare un anello e il filo di terra non può formare un anello di corrente. Se viene generato un circuito ad anello, causerà molte interferenze nel sistema. Per questo è possibile utilizzare un metodo di cablaggio a margherita, che può efficacemente evitare la formazione di cappi, rami o monconi durante il cablaggio, ma causerà anche il problema di un cablaggio non facile.

(8) In base ai dati e al design di vari chip, stimare la corrente passata dal circuito di alimentazione e determinare la larghezza del filo richiesta. Secondo la formula empirica: W (larghezza della linea) ≥ L (mm/A) × I (A).

In base alla corrente, provare ad aumentare la larghezza della linea di alimentazione e ridurre la resistenza del circuito. Allo stesso tempo, rendere la direzione della linea elettrica e della linea di terra coerente con la direzione della trasmissione dei dati, il che aiuta a migliorare la capacità antirumore. Quando necessario, è possibile aggiungere alla linea di alimentazione e alla linea di terra un dispositivo di induttanza ad alta frequenza in ferrite avvolta con filo di rame per bloccare la conduzione del rumore ad alta frequenza.

(9) La larghezza del cablaggio della stessa rete dovrebbe essere mantenuta invariata. Variazioni nella larghezza della linea causeranno un’impedenza caratteristica della linea non uniforme. Quando la velocità di trasmissione è elevata, si verificherà una riflessione, che dovrebbe essere evitata il più possibile nella progettazione. Allo stesso tempo, aumenta la larghezza della linea delle linee parallele. Quando l’interasse della linea non supera 3 volte la larghezza della linea, il 70% del campo elettrico può essere mantenuto senza interferenza reciproca, che è chiamato principio 3W. In questo modo è possibile superare l’influenza della capacità distribuita e dell’induttanza distribuita causata da linee parallele.

4 Progettazione del cavo di alimentazione e del filo di terra

Per risolvere la caduta di tensione causata dal rumore di alimentazione e dall’impedenza di linea introdotti dal circuito ad alta frequenza, è necessario considerare appieno l’affidabilità del sistema di alimentazione nel circuito ad alta frequenza. Ci sono generalmente due soluzioni: una consiste nell’utilizzare la tecnologia del bus di alimentazione per il cablaggio; l’altro consiste nell’utilizzare uno strato di alimentazione separato. In confronto, il processo di fabbricazione di quest’ultimo è più complicato e il costo è più costoso. Pertanto, la tecnologia del bus di alimentazione di tipo rete può essere utilizzata per il cablaggio, in modo che ogni componente appartenga a un loop diverso e la corrente su ciascun bus della rete tenda ad essere bilanciata, riducendo la caduta di tensione causata dall’impedenza di linea.

La potenza di trasmissione ad alta frequenza è relativamente grande, è possibile utilizzare una vasta area di rame e trovare un piano di massa a bassa resistenza nelle vicinanze per la messa a terra multipla. Poiché l’induttanza del cavo di messa a terra è proporzionale alla frequenza e alla lunghezza, l’impedenza di terra comune aumenterà quando la frequenza operativa è elevata, il che aumenterà l’interferenza elettromagnetica generata dall’impedenza di terra comune, quindi la lunghezza del filo di terra è richiesto di essere il più breve possibile. Prova a ridurre la lunghezza della linea del segnale e ad aumentare l’area del loop di massa.

Impostare uno o più condensatori di disaccoppiamento ad alta frequenza sull’alimentazione e sulla massa del chip per fornire un canale ad alta frequenza vicino per la corrente transitoria del chip integrato, in modo che la corrente non passi attraverso la linea di alimentazione con un ampio anello dell’area, riducendo notevolmente il rumore irradiato verso l’esterno. Scegli condensatori ceramici monolitici con buoni segnali ad alta frequenza come condensatori di disaccoppiamento. Utilizzare condensatori al tantalio di grande capacità o condensatori in poliestere invece di condensatori elettrolitici come condensatori di accumulo di energia per la ricarica del circuito. Poiché l’induttanza distribuita del condensatore elettrolitico è grande, non è valida per l’alta frequenza. Quando si utilizzano condensatori elettrolitici, utilizzarli in coppia con condensatori di disaccoppiamento con buone caratteristiche ad alta frequenza.

5 Altre tecniche di progettazione di circuiti ad alta velocità

L’adattamento di impedenza si riferisce a uno stato di lavoro in cui l’impedenza di carico e l’impedenza interna della sorgente di eccitazione sono adattate l’una all’altra per ottenere la massima potenza in uscita. Per il cablaggio PCB ad alta velocità, al fine di prevenire la riflessione del segnale, l’impedenza del circuito deve essere di 50 . Questa è una cifra approssimativa. Generalmente, si stabilisce che la banda base del cavo coassiale è 50 , la banda di frequenza è 75 e il filo intrecciato è 100 . È solo un numero intero, per comodità di corrispondenza. Secondo l’analisi del circuito specifico, viene adottata la terminazione CA parallela e la rete di resistori e condensatori viene utilizzata come impedenza di terminazione. La resistenza di terminazione R deve essere minore o uguale all’impedenza della linea di trasmissione Z0 e la capacità C deve essere maggiore di 100 pF. Si consiglia di utilizzare condensatori ceramici multistrato da 0.1 UF. Il condensatore ha la funzione di bloccare la bassa frequenza e far passare l’alta frequenza, quindi la resistenza R non è il carico CC della sorgente di azionamento, quindi questo metodo di terminazione non ha alcun consumo di potenza CC.

La diafonia si riferisce all’interferenza del rumore di tensione indesiderata causata dall’accoppiamento elettromagnetico alle linee di trasmissione adiacenti quando il segnale si propaga sulla linea di trasmissione. L’accoppiamento è diviso in accoppiamento capacitivo e accoppiamento induttivo. Un’eccessiva diafonia può causare false attivazioni del circuito e impedire al sistema di funzionare normalmente. In base ad alcune caratteristiche della diafonia, si possono riassumere diversi metodi principali per ridurre la diafonia:

(1) Aumentare l’interlinea, ridurre la lunghezza parallela e utilizzare il metodo jog per il cablaggio, se necessario.

(2) Quando le linee di segnale ad alta velocità soddisfano le condizioni, l’aggiunta della corrispondenza di terminazione può ridurre o eliminare le riflessioni, riducendo così la diafonia.

(3) Per le linee di trasmissione a microstriscia e le linee di trasmissione a nastro, limitare l’altezza della traccia entro l’intervallo al di sopra del piano di massa può ridurre significativamente la diafonia.

(4) Quando lo spazio di cablaggio lo consente, inserire un filo di terra tra i due fili con diafonia più grave, che può svolgere un ruolo nell’isolamento e ridurre la diafonia.

A causa della mancanza di analisi ad alta velocità e guida alla simulazione nella progettazione PCB tradizionale, la qualità del segnale non può essere garantita e la maggior parte dei problemi non può essere scoperta fino al test di fabbricazione della piastra. Ciò riduce notevolmente l’efficienza progettuale e ne aumenta il costo, ovviamente svantaggioso nell’agguerrita concorrenza di mercato. Pertanto, per la progettazione di PCB ad alta velocità, le persone del settore hanno proposto una nuova idea di design, che è diventata un metodo di progettazione “top-down”. Dopo una serie di analisi e ottimizzazione delle politiche, la maggior parte dei possibili problemi è stata evitata e sono stati realizzati molti risparmi. Tempo per garantire il rispetto del budget del progetto, la produzione di schede stampate di alta qualità e l’eliminazione di errori di test noiosi e costosi.

L’uso di linee differenziali per trasmettere segnali digitali è una misura efficace per controllare i fattori che distruggono l’integrità del segnale nei circuiti digitali ad alta velocità. La linea differenziale sul circuito stampato è equivalente a una coppia di linee di trasmissione integrate a microonde differenziali che funzionano in modalità quasi-TEM. Tra questi, la linea differenziale sulla parte superiore o inferiore del PCB è equivalente alla linea a microstriscia accoppiata e si trova sullo strato interno del PCB multistrato. La linea differenziale è equivalente a una linea a striscia accoppiata laterale. Il segnale digitale viene trasmesso sulla linea differenziale in modalità di trasmissione dispari, cioè la differenza di fase tra i segnali positivo e negativo è di 180°, e il rumore è accoppiato su una coppia di linee differenziali in modo comune. La tensione o la corrente del circuito viene sottratta, in modo che il segnale possa essere ottenuto per eliminare il rumore di modo comune. L’ampiezza a bassa tensione o l’uscita dell’azionamento in corrente della coppia di linee differenziali soddisfa i requisiti dell’integrazione ad alta velocità e del basso consumo energetico.

6 considerazioni conclusive

Con il continuo sviluppo della tecnologia elettronica, è indispensabile comprendere la teoria dell’integrità del segnale per guidare e verificare la progettazione di PCB ad alta velocità. Alcune esperienze riassunte in questo articolo possono aiutare i progettisti di circuiti stampati ad alta velocità ad abbreviare il ciclo di sviluppo, evitare deviazioni non necessarie e risparmiare manodopera e risorse materiali. I progettisti devono continuare a ricercare ed esplorare nel lavoro reale, continuare ad accumulare esperienza e combinare nuove tecnologie per progettare circuiti stampati PCB ad alta velocità con prestazioni eccellenti.