Come evitare l’effetto della linea di trasmissione in PCB ad alta velocità Design

1. Metodi per sopprimere le interferenze elettromagnetiche

Una buona soluzione al problema dell’integrità del segnale migliorerà la compatibilità elettromagnetica (EMC) della scheda PCB. Uno dei più importanti è garantire che la scheda PCB abbia una buona messa a terra. Uno strato di segnale con uno strato di terra è un metodo molto efficace per la progettazione complessa. Inoltre, ridurre al minimo la densità del segnale dello strato più esterno del circuito è anche un buon modo per ridurre le radiazioni elettromagnetiche. Questo metodo può essere ottenuto utilizzando la progettazione PCB “build-up” della tecnologia “area superficiale”. Lo strato superficiale si ottiene aggiungendo una combinazione di strati isolanti sottili e micropori utilizzati per penetrare questi strati su un PCB di processo generale. La resistenza e la capacità possono essere sepolte sotto la superficie e la densità lineare per unità di area è quasi raddoppiata, riducendo così il volume del PCB. La riduzione dell’area del PCB ha un enorme impatto sulla topologia dell’instradamento, il che significa che l’anello di corrente è ridotto, la lunghezza dell’instradamento del ramo è ridotta e la radiazione elettromagnetica è approssimativamente proporzionale all’area dell’anello di corrente; At the same time, the small size characteristics mean that high-density pin packages can be used, which in turn reduces the length of the wire, thus reducing the current loop and improving emc characteristics.

2. Strictly control the cable lengths of key network cables

If the design has a high speed jump edge, the transmission line effect on the PCB must be considered. I chip dei circuiti integrati veloci ad alta frequenza di clock comunemente usati oggi sono ancora più problematici. Esistono alcuni principi di base per risolvere questo problema: se per la progettazione vengono utilizzati circuiti CMOS o TTL, la frequenza operativa è inferiore a 10 MHz e la lunghezza del cablaggio non deve essere maggiore di 7 pollici. If the operating frequency is 50MHz, the cable length should not be greater than 1.5 inches. Wiring length should be 1 inch if operating frequency reaches or exceeds 75MHz. La lunghezza massima del cablaggio per i chip GaAs dovrebbe essere di 0.3 pollici. Se questo viene superato, c’è un problema sulla linea di trasmissione.

3. Pianificare correttamente la topologia del cablaggio

Another way to solve the transmission line effect is to choose the correct routing path and terminal topology. La topologia di cablaggio si riferisce alla sequenza di cablaggio e alla struttura di un cavo di rete. Quando si utilizzano dispositivi logici ad alta velocità, il segnale con fronti che cambiano rapidamente sarà distorto dai rami del tronco del segnale a meno che la lunghezza del ramo non sia mantenuta molto breve. In generale, il routing PCB adotta due topologie di base, ovvero il routing Daisy Chain e la distribuzione Star.

Per il cablaggio a margherita, il cablaggio inizia dall’estremità del driver e raggiunge a turno ciascuna estremità ricevente. If a series resistor is used to change the signal characteristics, the position of the series resistor should be close to the driving end. Il cablaggio a margherita è il migliore per controllare l’elevata interferenza armonica del cablaggio. Tuttavia, questo tipo di cablaggio ha la velocità di trasmissione più bassa e non è facile superare il 100%. Nella progettazione attuale, vogliamo rendere la lunghezza del ramo nel cablaggio a margherita il più breve possibile e il valore della lunghezza di sicurezza dovrebbe essere: Stub Delay < = Trt * 0.1.

Ad esempio, le estremità dei rami nei circuiti TTL ad alta velocità dovrebbero essere lunghe meno di 1.5 pollici. Questa topologia occupa meno spazio di cablaggio e può essere terminata da un singolo resistore corrispondente. Tuttavia, questa struttura di cablaggio rende la ricezione del segnale su un ricevitore di segnale diverso non sincrono.

The star topology can effectively avoid the problem of clock signal synchronization, but it is very difficult to finish the wiring manually on the PCB with high density. L’utilizzo del cablatore automatico è il modo migliore per completare il cablaggio a stella. A terminal resistor is required on each branch. The value of the terminal resistance should match the characteristic impedance of the wire. Questo può essere fatto manualmente o tramite strumenti CAD per calcolare i valori di impedenza caratteristica e i valori di resistenza di corrispondenza dei terminali.

While simple terminal resistors are used in the two examples above, a more complex matching terminal is optional in practice. La prima opzione è il terminale RC Match. I terminali di abbinamento RC possono ridurre il consumo energetico, ma possono essere utilizzati solo quando il funzionamento del segnale è relativamente stabile. Questo metodo è più adatto per l’elaborazione della corrispondenza del segnale della linea di clock. Lo svantaggio è che la capacità nel terminale di adattamento RC può influenzare la forma e la velocità di propagazione del segnale.

The series resistor matching terminal incurs no additional power consumption, but slows down signal transmission. This approach is used in bus-driven circuits where time delays are not significant. Il terminale di adattamento del resistore in serie ha anche il vantaggio di ridurre il numero di dispositivi utilizzati sulla scheda e la densità delle connessioni.

The final method is to separate the matching terminal, in which the matching element needs to be placed near the receiving end. Il suo vantaggio è che non abbasserà il segnale e può essere molto utile per evitare il rumore. Tipicamente utilizzato per segnali di ingresso TTL (ACT, HCT, FAST).

In addition, the package type and installation type of the terminal matching resistor must be considered. SMD surface mount resistors generally have lower inductance than through-hole components, so SMD package components are preferred. There are also two installation modes for ordinary straight plug resistors: vertical and horizontal.

In modalità di montaggio verticale, la resistenza ha un perno di montaggio corto, che riduce la resistenza termica tra la resistenza e il circuito e rende il calore della resistenza più facilmente emesso nell’aria. Ma un’installazione verticale più lunga aumenterà l’induttanza del resistore. Horizontal installation has lower inductance due to lower installation. However, the overheated resistance will drift, and in the worst case, the resistance will become open, resulting in PCB wiring termination matching failure, becoming a potential failure factor.

4. Altre tecnologie applicabili

Per ridurre la sovratensione transitoria sull’alimentatore IC, è necessario aggiungere un condensatore di disaccoppiamento al chip IC. Ciò rimuove efficacemente l’impatto delle sbavature sull’alimentatore e riduce la radiazione dal circuito di alimentazione sulla scheda stampata.

L’effetto di sbavatura è migliore quando il condensatore di disaccoppiamento è collegato direttamente alla gamba di alimentazione del circuito integrato piuttosto che allo strato di alimentazione. Questo è il motivo per cui alcuni dispositivi hanno condensatori di disaccoppiamento nelle loro prese, mentre altri richiedono che la distanza tra il condensatore di disaccoppiamento e il dispositivo sia sufficientemente piccola.

Qualsiasi dispositivo ad alta velocità e ad alto consumo energetico dovrebbe essere posizionato insieme il più possibile per ridurre il superamento transitorio della tensione di alimentazione.

Senza uno strato di potenza, le lunghe linee elettriche formano un anello tra il segnale e l’anello, fungendo da sorgente di radiazioni e circuito induttivo.

Il cablaggio che forma un anello che non passa attraverso lo stesso cavo di rete o altro cablaggio è chiamato anello aperto. If the loop passes through the same network cable, other routes form a closed loop. In both cases, the antenna effect (line antenna and ring antenna) can occur.