Op dit moment, hoogfrequente en snelle printplaat ontwerp is de mainstream geworden en elke PCB-lay-outingenieur zou bekwaam moeten zijn. Vervolgens zal Banermei een deel van de ontwerpervaring van hardware-experts in hoogfrequente en snelle PCB-circuits met u delen, en ik hoop dat het voor iedereen nuttig zal zijn.

1. Hoe hoogfrequente interferentie vermijden?

Het basisidee van het vermijden van hoogfrequente interferentie is het minimaliseren van de elektromagnetische veldinterferentie van hoogfrequente signalen, de zogenaamde overspraak (Crosstalk). U kunt de afstand tussen het hogesnelheidssignaal en het analoge signaal vergroten, of naast het analoge signaal grondbewakings-/shuntsporen toevoegen. Let ook op de ruisinterferentie van de digitale aarde naar de analoge aarde.

2. Hoe impedantie-matching te overwegen bij het ontwerpen van high-speed PCB-ontwerpschema’s?

Bij het ontwerpen van high-speed PCB-circuits is impedantie-aanpassing een van de ontwerpelementen. De impedantiewaarde heeft een absolute relatie met de bedradingsmethode, zoals lopen op de oppervlaktelaag (microstrip) of binnenlaag (stripline/dubbele stripline), afstand tot de referentielaag (powerlaag of grondlaag), bedradingsbreedte, printplaatmateriaal , enz. Beide hebben invloed op de karakteristieke impedantiewaarde van het spoor. Dat wil zeggen dat de impedantiewaarde pas na bedrading kan worden bepaald. Over het algemeen kan simulatiesoftware geen rekening houden met bepaalde bedradingscondities met discontinue impedantie vanwege de beperking van het circuitmodel of het gebruikte wiskundige algoritme. Op dit moment kunnen alleen enkele terminators (beëindiging), zoals serieweerstand, worden gereserveerd op het schematische diagram. Verminder het effect van discontinuïteit in spoorimpedantie. De echte oplossing voor het probleem is om te proberen impedantiediscontinuïteiten bij de bedrading te vermijden.

3. Met welke aspecten moet de ontwerper rekening houden met EMC- en EMI-regels bij high-speed PCB-ontwerp?

Over het algemeen moet EMI/EMC-ontwerp tegelijkertijd rekening houden met zowel uitgestraalde als geleide aspecten. Het eerste behoort tot het hogere frequentiedeel (<30MHz) en het laatste is het lagere frequentiedeel (<30MHz). Je kunt dus niet alleen aandacht besteden aan de hoge frequentie en het lage frequentiegedeelte negeren. Bij een goed EMI/EMC-ontwerp moet aan het begin van de lay-out rekening worden gehouden met de locatie van het apparaat, de opstelling van de PCB-stack, de belangrijke aansluitmethode, de apparaatkeuze, enz. Als er vooraf geen betere regeling is, wordt dit achteraf opgelost. Het zal twee keer het resultaat opleveren met de helft van de inspanning en de kosten verhogen. De locatie van de klokgenerator mag bijvoorbeeld niet dicht bij de externe connector zijn. Hogesnelheidssignalen moeten zoveel mogelijk naar de binnenlaag gaan. Besteed aandacht aan de karakteristieke impedantie-aanpassing en de continuïteit van de referentielaag om reflecties te verminderen. De zwenksnelheid van het signaal dat door het apparaat wordt geduwd, moet zo klein mogelijk zijn om de hoogte te verminderen. Frequentiecomponenten, let bij het kiezen van een ontkoppeling/bypass-condensator op of de frequentierespons voldoet aan de vereisten om ruis op het vermogensvlak te verminderen. Let daarnaast op het retourpad van hoogfrequente signaalstroom om het lusgebied zo klein mogelijk te maken (dat wil zeggen de lusimpedantie zo klein mogelijk) om straling te verminderen. De grond kan ook worden verdeeld om het bereik van hoogfrequente ruis te regelen. Kies tot slot de chassisaarde tussen de print en de behuizing goed.

4. Hoe printplaat kiezen?

De keuze van de printplaat moet een evenwicht vinden tussen het voldoen aan ontwerpvereisten en massaproductie en kosten. De ontwerpvereisten omvatten zowel elektrische als mechanische onderdelen. Meestal is dit materiaalprobleem belangrijker bij het ontwerpen van zeer snelle printplaten (frequentie hoger dan GHz). Het veelgebruikte FR-4-materiaal, het diëlektrische verlies bij een frequentie van enkele GHz, zal bijvoorbeeld een grote invloed hebben op de signaalverzwakking en is mogelijk niet geschikt. Let er bij elektriciteit op of de diëlektrische constante en het diëlektrische verlies geschikt zijn voor de ontworpen frequentie.

5. Hoe zoveel mogelijk aan de EMC-eisen te voldoen zonder al te veel kostendruk te veroorzaken?

De hogere kosten van printplaten als gevolg van EMC zijn meestal te wijten aan de toename van het aantal grondlagen om het afschermingseffect te verbeteren en de toevoeging van ferrietkraal, choke en andere hoogfrequente harmonische onderdrukkingsapparaten. Bovendien is het meestal nodig om de afschermingsstructuur van andere instellingen aan te passen om ervoor te zorgen dat het hele systeem voldoet aan de EMC-vereisten. Het volgende biedt slechts enkele ontwerptechnieken voor printplaten om het elektromagnetische stralingseffect dat door het circuit wordt gegenereerd te verminderen.

Probeer een apparaat te kiezen met een langzamere signaalsnelheid om de hoogfrequente componenten die door het signaal worden gegenereerd te verminderen.

Let op de plaatsing van hoogfrequente componenten, niet te dicht bij de externe connector.

Besteed aandacht aan de impedantie-aanpassing van hogesnelheidssignalen, de bedradingslaag en het retourstroompad, om hoogfrequente reflectie en straling te verminderen.

Plaats voldoende en geschikte ontkoppelcondensatoren op de voedingspinnen van elk apparaat om de ruis op het voedingsvlak en het grondvlak te verminderen. Besteed speciale aandacht aan de vraag of de frequentierespons en temperatuurkenmerken van de condensator voldoen aan de ontwerpvereisten.

De aarde in de buurt van de externe connector kan goed van de grond worden gescheiden en de aarde van de connector kan worden aangesloten op de nabijgelegen chassisaarde.

Ground guard/shunt sporen kunnen op passende wijze worden gebruikt naast enkele speciale hogesnelheidssignalen. Maar let op de invloed van bewakings-/shuntsporen op de karakteristieke impedantie van het spoor.

De vermogenslaag krimpt 20H van de grondlaag en H is de afstand tussen de vermogenslaag en de grondlaag.

6. Op welke aspecten moet gelet worden bij het ontwerpen, routeren en lay-out van hoogfrequente PCB’s boven 2G?

Hoogfrequente PCB’s boven 2G behoren tot het ontwerp van radiofrequentiecircuits en vallen niet onder de bespreking van het ontwerp van snelle digitale circuits. De lay-out en routering van het radiofrequentiecircuit moeten samen met het schema worden beschouwd, omdat de lay-out en routering distributie-effecten zullen veroorzaken. Bovendien worden sommige passieve apparaten in het ontwerp van radiofrequentiecircuits gerealiseerd door geparametriseerde definities en speciaal gevormde koperfolies. Daarom zijn EDA-tools vereist om geparametriseerde apparaten te leveren en speciaal gevormde koperfolies te bewerken. Het boardstation van Mentor heeft een speciale RF design module die aan deze eisen kan voldoen. Bovendien vereist algemeen RF-ontwerp gespecialiseerde RF-circuitanalysetools. De meest bekende in de industrie is eesoft van agilent, die een goede interface heeft met de tools van Mentor.

7. Heeft het toevoegen van testpunten invloed op de kwaliteit van hogesnelheidssignalen?

Of het de signaalkwaliteit beïnvloedt, hangt af van de methode van het toevoegen van testpunten en hoe snel het signaal is. In principe kunnen extra testpunten (gebruik de bestaande via- of DIP-pin niet als testpunten) aan de lijn worden toegevoegd of een korte lijn van de lijn worden getrokken. De eerste is gelijk aan het toevoegen van een kleine condensator op de lijn, de laatste is een extra aftakking. Beide omstandigheden zullen het hogesnelheidssignaal min of meer beïnvloeden, en de omvang van het effect is gerelateerd aan de frequentiesnelheid van het signaal en de flanksnelheid van het signaal. De omvang van de impact kan worden bepaald door middel van simulatie. In principe geldt: hoe kleiner het testpunt, hoe beter (uiteraard moet het voldoen aan de eisen van de testtool) hoe korter de tak, hoe beter.