1 vragen

Met de grootschalige toename van de ontwerpcomplexiteit en integratie van elektronische systemen, worden kloksnelheden en stijgtijden van apparaten steeds sneller, en snelle printplaat ontwerp is een belangrijk onderdeel van het ontwerpproces geworden. Bij high-speed circuitontwerp maken de inductantie en capaciteit op de printplaatlijn de draad equivalent aan een transmissielijn. Onjuiste lay-out van afsluitcomponenten of onjuiste bedrading van hogesnelheidssignalen kan transmissielijneffectproblemen veroorzaken, wat resulteert in onjuiste gegevensuitvoer van het systeem, abnormale werking van het circuit of zelfs helemaal geen werking. Op basis van het transmissielijnmodel, kortom, zal de transmissielijn nadelige effecten zoals signaalreflectie, overspraak, elektromagnetische interferentie, voeding en grondruis op het circuitontwerp veroorzaken.

Om een ​​high-speed PCB-printplaat te ontwerpen die betrouwbaar kan werken, moet het ontwerp volledig en zorgvuldig worden overwogen om enkele onbetrouwbare problemen op te lossen die kunnen optreden tijdens lay-out en routering, de productontwikkelingscyclus te verkorten en het concurrentievermogen van de markt te verbeteren.

Hoe PROTEL-ontwerptools te gebruiken voor high-speed PCB-ontwerp?

2 Lay-outontwerp van hoogfrequent systeem

In het PCB-ontwerp van de schakeling is de lay-out een belangrijke schakel. Het resultaat van de lay-out heeft direct invloed op het bedradingseffect en de betrouwbaarheid van het systeem, wat het meest tijdrovend en moeilijk is in het hele ontwerp van de printplaat. De complexe omgeving van hoogfrequente PCB’s maakt het lay-outontwerp van het hoogfrequente systeem moeilijk om de geleerde theoretische kennis te gebruiken. Het vereist dat de persoon die de lay-out maakt, een rijke ervaring moet hebben in de productie van PCB’s met hoge snelheid, om omwegen in het ontwerpproces te voorkomen. Verbeter de betrouwbaarheid en effectiviteit van circuitwerk. Tijdens het lay-outproces moet uitgebreide aandacht worden besteed aan de mechanische structuur, warmteafvoer, elektromagnetische interferentie, gemak van toekomstige bedrading en esthetiek.

Allereerst wordt vóór de lay-out het hele circuit in functies verdeeld. Het hoogfrequente circuit is gescheiden van het laagfrequente circuit en het analoge circuit en het digitale circuit zijn gescheiden. Elk functioneel circuit wordt zo dicht mogelijk bij het midden van de chip geplaatst. Vermijd transmissievertragingen veroorzaakt door te lange draden en verbeter het ontkoppelingseffect van condensatoren. Let daarnaast op de relatieve posities en richtingen tussen de pinnen en circuitcomponenten en andere buizen om hun wederzijdse invloed te verminderen. Alle hoogfrequente componenten moeten ver verwijderd zijn van het chassis en andere metalen platen om parasitaire koppeling te verminderen.

Ten tweede moet tijdens de lay-out aandacht worden besteed aan de thermische en elektromagnetische effecten tussen componenten. Deze effecten zijn bijzonder ernstig voor hoogfrequente systemen, en maatregelen om afstand te houden of te isoleren, hitte en afscherming moeten worden genomen. De krachtige gelijkrichterbuis en de afstelbuis moeten worden uitgerust met een radiator en uit de buurt van de transformator worden gehouden. Hittebestendige componenten zoals elektrolytische condensatoren moeten uit de buurt worden gehouden van verwarmingscomponenten, anders zal de elektrolyt uitdrogen, wat resulteert in verhoogde weerstand en slechte prestaties, wat de stabiliteit van het circuit zal beïnvloeden. Er moet voldoende ruimte worden gelaten in de lay-out om de kantelbeveiliging te plaatsen en de introductie van verschillende parasitaire koppelingen te voorkomen. Om elektromagnetische koppeling tussen de spoelen op de printplaat te voorkomen, moeten de twee spoelen in een rechte hoek worden geplaatst om de koppelingscoëfficiënt te verminderen. De methode van verticale plaatisolatie kan ook worden gebruikt. Het is het beste om rechtstreeks de kabel van het te solderen onderdeel op de schakeling te gebruiken. Hoe korter de voorsprong, hoe beter. Gebruik geen connectoren en soldeerlippen omdat er verdeelde capaciteit en verdeelde inductantie zijn tussen aangrenzende soldeerlippen. Plaats geen componenten met veel ruis rond de kristaloscillator, RIN, analoge spanning en referentiespanningssignaalsporen.

Ten slotte moet, terwijl de inherente kwaliteit en betrouwbaarheid worden gewaarborgd, rekening worden gehouden met de algehele schoonheid, een redelijke printplaatplanning worden uitgevoerd. De componenten moeten evenwijdig aan of loodrecht op het bordoppervlak staan ​​en evenwijdig aan of loodrecht op de rand van het moederbord. De verdeling van componenten op het bordoppervlak moet zo gelijkmatig mogelijk zijn en de dichtheid moet consistent zijn. Op deze manier is het niet alleen mooi, maar ook gemakkelijk te monteren en te lassen en is het gemakkelijk in massa te produceren.

3 Bedrading van hoogfrequent systeem

In hoogfrequente circuits kunnen de distributieparameters van weerstand, capaciteit, inductantie en wederzijdse inductantie van de verbindingsdraden niet worden genegeerd. Vanuit het perspectief van anti-interferentie, is redelijke bedrading om te proberen de lijnweerstand, gedistribueerde capaciteit en verdwaalde inductantie in het circuit te verminderen. , Het resulterende verdwaalde magnetische veld wordt tot een minimum beperkt, zodat de verdeelde capaciteit, lekmagnetische flux, elektromagnetische wederzijdse inductie en andere interferentie veroorzaakt door ruis worden onderdrukt.

De toepassing van PROTEL-ontwerptools in China is heel gewoon geweest. Veel ontwerpers richten zich echter alleen op de “breedbandsnelheid”, en de verbeteringen die door de PROTEL-ontwerptools zijn aangebracht om zich aan te passen aan de veranderingen in apparaatkenmerken, zijn niet gebruikt in het ontwerp, wat niet alleen de verspilling van middelen voor ontwerptools is serieus, waardoor het moeilijk is om de uitstekende prestaties van veel nieuwe apparaten in het spel te brengen.

Het volgende introduceert enkele speciale functies die de PROTEL99 SE-tool kan bieden.

(1) De kabel tussen de pinnen van het hoogfrequente circuitapparaat moet zo min mogelijk worden gebogen. Het is het beste om een ​​volledige rechte lijn te gebruiken. Wanneer buigen vereist is, kunnen bochten of bogen van 45° worden gebruikt, wat de externe emissie van hoogfrequente signalen en onderlinge interferentie kan verminderen. De koppeling tussen. Wanneer u PROTEL gebruikt voor routering, kunt u 45-Graden of Afgerond selecteren in de “Routing Corners” in het “regels”-menu van het “Ontwerp”-menu. U kunt ook de shift + spatie-toetsen gebruiken om snel tussen de regels te schakelen.

(2) Hoe korter de kabel tussen de pinnen van het hoogfrequente circuitapparaat, hoe beter.

PROTEL 99 De meest effectieve manier om aan de kortste bedrading te voldoen, is om een ​​bedradingsafspraak te maken voor individuele belangrijke hogesnelheidsnetwerken voordat automatische bedrading wordt uitgevoerd. “Routing Topologie” in “regels” in het “Ontwerp” menu

Selecteer kortste.

(3) Afwisseling van loden lagen tussen pinnen van hoogfrequente circuitapparaten is zo klein mogelijk. Dat wil zeggen, hoe minder via’s worden gebruikt in het verbindingsproces van de componenten, hoe beter.

Eén via kan ongeveer 0.5 pF aan gedistribueerde capaciteit opleveren, en het verminderen van het aantal via’s kan de snelheid aanzienlijk verhogen.

(4) Let bij hoogfrequente circuitbedrading op de “kruisinterferentie” die wordt veroorzaakt door de parallelle bedrading van de signaallijn, dat wil zeggen overspraak. Als parallelle distributie onvermijdelijk is, kan een groot gebied van “aarde” worden aangebracht aan de andere kant van de parallelle signaallijn

Om interferentie sterk te verminderen. Parallelle bedrading in dezelfde laag is bijna onvermijdelijk, maar in twee aangrenzende lagen moet de richting van de bedrading loodrecht op elkaar staan. Dit is niet moeilijk om te doen in PROTEL, maar het is gemakkelijk over het hoofd te zien. In de “RouTIngLayers” in het “Design” menu “rules”, selecteer Horizontaal voor Toplayer en VerTIcal voor BottomLayer. Bovendien is “Polygonplane” voorzien in “plaats”

De functie van het oppervlak van de koperfolie van het veelhoekige raster, als u de polygoon als een oppervlak van de gehele printplaat plaatst en dit koper verbindt met de GND van het circuit, kan dit het hoogfrequente anti-interferentievermogen verbeteren. Het heeft ook grotere voordelen voor warmteafvoer en printplaatsterkte.

(5) Implementeer maatregelen voor de omhulling van de aarddraad voor bijzonder belangrijke signaallijnen of lokale eenheden. “Geselecteerde objecten omlijnen” is beschikbaar in “Tools”, en deze functie kan worden gebruikt om automatisch “om de grond te wikkelen” van de geselecteerde belangrijke signaallijnen (zoals oscillatiecircuit LT en X1).

(6) Over het algemeen zijn de voedingslijn en aardingslijn van het circuit breder dan de signaallijn. U kunt de “Klassen” in het “Ontwerp”-menu gebruiken om het netwerk te classificeren, dat is onderverdeeld in stroomnetwerk en signaalnetwerk. Het is handig om de bedradingsregels in te stellen. Verander de lijnbreedte van de voedingslijn en de signaallijn.

(7) Verschillende soorten bedrading kunnen geen lus vormen en de aardingsdraad kan geen stroomlus vormen. Als er een luscircuit wordt gegenereerd, zal dit veel interferentie in het systeem veroorzaken. Hiervoor kan een daisy chain-bedradingsmethode worden gebruikt, die de vorming van lussen, takken of stompen tijdens de bedrading effectief kan voorkomen, maar het zal ook het probleem van niet-gemakkelijke bedrading veroorzaken.

(8) Schat op basis van de gegevens en het ontwerp van verschillende chips de stroom die door het voedingscircuit wordt doorgegeven en bepaal de vereiste draadbreedte. Volgens de empirische formule: W (lijnbreedte) ≥ L (mm/A) × I (A).

Probeer, afhankelijk van de stroom, de breedte van de voedingslijn te vergroten en de lusweerstand te verminderen. Maak tegelijkertijd de richting van de stroomlijn en de grondlijn consistent met de richting van de gegevensoverdracht, wat helpt om het anti-ruisvermogen te verbeteren. Indien nodig kan een hoogfrequent choke-apparaat gemaakt van met koperdraad omwonden ferriet worden toegevoegd aan de voedingslijn en de aardleiding om de geleiding van hoogfrequente ruis te blokkeren.

(9) De bedradingsbreedte van hetzelfde netwerk moet gelijk worden gehouden. Variaties in lijnbreedte zullen een ongelijkmatige lijnkarakteristieke impedantie veroorzaken. Bij een hoge transmissiesnelheid zal reflectie optreden, hetgeen in het ontwerp zoveel mogelijk moet worden vermeden. Vergroot tegelijkertijd de lijnbreedte van parallelle lijnen. Wanneer de lijnmiddenafstand niet groter is dan 3 keer de lijnbreedte, kan 70% van het elektrische veld worden gehandhaafd zonder onderlinge interferentie, wat het 3W-principe wordt genoemd. Op deze manier kan de invloed van gedistribueerde capaciteit en gedistribueerde inductantie veroorzaakt door parallelle lijnen worden overwonnen.

4 Ontwerp van netsnoer en aardedraad

Om de spanningsval op te lossen die wordt veroorzaakt door de voedingsruis en lijnimpedantie die door het hoogfrequente circuit worden geïntroduceerd, moet volledig rekening worden gehouden met de betrouwbaarheid van het voedingssysteem in het hoogfrequente circuit. Er zijn over het algemeen twee oplossingen: de ene is het gebruik van powerbus-technologie voor de bedrading; de andere is om een ​​aparte voedingslaag te gebruiken. Ter vergelijking: het fabricageproces van laatstgenoemde is ingewikkelder en de kosten zijn duurder. Daarom kan de stroombustechnologie van het netwerktype worden gebruikt voor bedrading, zodat elk onderdeel tot een andere lus behoort, en de stroom op elke bus op het netwerk de neiging heeft om in evenwicht te zijn, waardoor de spanningsval die wordt veroorzaakt door de lijnimpedantie wordt verminderd.

Het hoogfrequente zendvermogen is relatief groot, u kunt een groot stuk koper gebruiken en een grondvlak met lage weerstand in de buurt vinden voor meervoudige aarding. Omdat de inductantie van de aardingskabel evenredig is met de frequentie en lengte, zal de gemeenschappelijke aardingsimpedantie worden verhoogd wanneer de werkfrequentie hoog is, wat de elektromagnetische interferentie zal verhogen die wordt gegenereerd door de gemeenschappelijke aardingsimpedantie, dus de lengte van de aardingsdraad is zo kort mogelijk moeten zijn. Probeer de lengte van de signaallijn te verkleinen en het gebied van de aardlus te vergroten.

Stel een of meerdere hoogfrequente ontkoppelingscondensatoren in op de voeding en aarde van de chip om een ​​nabijgelegen hoogfrequent kanaal te bieden voor de tijdelijke stroom van de geïntegreerde chip, zodat de stroom niet met een grote lus door de voedingslijn gaat gebied, waardoor het geluid dat naar buiten wordt uitgestraald sterk wordt verminderd. Kies monolithische keramische condensatoren met goede hoogfrequente signalen als ontkoppelcondensatoren. Gebruik tantaalcondensatoren met grote capaciteit of polyestercondensatoren in plaats van elektrolytische condensatoren als energieopslagcondensatoren voor het opladen van circuits. Omdat de gedistribueerde inductantie van de elektrolytische condensator groot is, is deze ongeldig voor hoge frequenties. Gebruik bij gebruik van elektrolytische condensatoren deze in paren met ontkoppelcondensatoren met goede hoogfrequente eigenschappen.

5 Andere ontwerptechnieken voor snelle circuits

Impedantie-aanpassing verwijst naar een werktoestand waarin de belastingsimpedantie en de interne impedantie van de bekrachtigingsbron aan elkaar zijn aangepast om het maximale uitgangsvermogen te verkrijgen. Voor snelle PCB-bedrading moet de impedantie van het circuit 50 zijn om signaalreflectie te voorkomen. Dit is een benaderend cijfer. Over het algemeen wordt bepaald dat de basisband van de coaxkabel 50 is, de frequentieband 75 en de getwiste draad 100 . Het is gewoon een geheel getal, voor het gemak van matchen. Volgens de specifieke circuitanalyse wordt de parallelle AC-afsluiting aangenomen en worden het weerstands- en condensatornetwerk gebruikt als de afsluitimpedantie. De afsluitweerstand R moet kleiner zijn dan of gelijk zijn aan de transmissielijnimpedantie Z0 en de capaciteit C moet groter zijn dan 100 pF. Het wordt aanbevolen om 0.1UF meerlagige keramische condensatoren te gebruiken. De condensator heeft de functie van het blokkeren van lage frequenties en het passeren van hoge frequenties, dus de weerstand R is niet de DC-belasting van de aandrijfbron, dus deze afsluitmethode heeft geen gelijkstroomverbruik.

Overspraak verwijst naar de ongewenste interferentie van spanningsruis die wordt veroorzaakt door elektromagnetische koppeling met aangrenzende transmissielijnen wanneer het signaal zich voortplant op de transmissielijn. Koppeling is verdeeld in capacitieve koppeling en inductieve koppeling. Overmatige overspraak kan leiden tot valse triggering van het circuit en ervoor zorgen dat het systeem niet normaal werkt. Volgens enkele kenmerken van overspraak kunnen verschillende hoofdmethoden om overspraak te verminderen worden samengevat:

(1) Vergroot de regelafstand, verklein de parallelle lengte en gebruik indien nodig de jog-methode voor de bedrading.

(2) Wanneer hogesnelheidssignaallijnen aan de voorwaarden voldoen, kan het toevoegen van aansluitingsaanpassing reflecties verminderen of elimineren, waardoor overspraak wordt verminderd.

(3) Voor microstriptransmissielijnen en striptransmissielijnen kan het beperken van de spoorhoogte tot binnen het bereik boven het grondvlak de overspraak aanzienlijk verminderen.

(4) Wanneer de bedradingsruimte dit toelaat, plaatst u een aardingsdraad tussen de twee draden met meer ernstige overspraak, die een rol kan spelen in isolatie en overspraak kan verminderen.

Vanwege het ontbreken van snelle analyse en simulatiebegeleiding in traditioneel PCB-ontwerp, kan de signaalkwaliteit niet worden gegarandeerd en kunnen de meeste problemen pas worden ontdekt tijdens de plaatproductietest. Dit vermindert de ontwerpefficiëntie aanzienlijk en verhoogt de kosten, wat uiteraard nadelig is in de felle concurrentie op de markt. Daarom hebben mensen in de industrie voor high-speed PCB-ontwerp een nieuw ontwerpidee voorgesteld, dat een “top-down” ontwerpmethode is geworden. Na verschillende beleidsanalyses en optimalisaties zijn de meeste mogelijke problemen vermeden en zijn er veel besparingen gerealiseerd. Tijd om ervoor te zorgen dat het projectbudget wordt gehaald, hoogwaardige printplaten worden geproduceerd en vervelende en dure testfouten worden vermeden.

Het gebruik van differentiële lijnen voor het verzenden van digitale signalen is een effectieve maatregel om factoren te beheersen die de signaalintegriteit in snelle digitale circuits vernietigen. De differentiële lijn op de printplaat is gelijk aan een differentieel geïntegreerd microgolftransmissielijnpaar dat in quasi-TEM-modus werkt. Onder hen is de differentiële lijn aan de boven- of onderkant van de PCB gelijk aan de gekoppelde microstriplijn en bevindt deze zich op de binnenste laag van de meerlaagse PCB. De differentiële lijn is gelijk aan een broadside-gekoppelde striplijn. Het digitale signaal wordt verzonden op de differentiële lijn in een transmissiemodus met oneven modus, dat wil zeggen, het faseverschil tussen de positieve en negatieve signalen is 180 °, en de ruis wordt gekoppeld op een paar differentiële lijnen in een gemeenschappelijke modus. De spanning of stroom van het circuit wordt afgetrokken, zodat het signaal kan worden verkregen om common-mode-ruis te elimineren. De laagspanningsamplitude- of stroomaandrijfuitgang van het differentiële lijnpaar voldoet aan de vereisten van snelle integratie en een laag stroomverbruik.

6 slotopmerkingen

Met de voortdurende ontwikkeling van elektronische technologie is het noodzakelijk om de theorie van signaalintegriteit te begrijpen om het ontwerp van high-speed PCB’s te begeleiden en te verifiëren. Enige ervaring die in dit artikel wordt samengevat, kan PCB-ontwerpers met hoge snelheid helpen de ontwikkelingscyclus te verkorten, onnodige omwegen te vermijden en mankracht en materiële middelen te besparen. Ontwerpers moeten blijven onderzoeken en ontdekken in het echte werk, ervaring blijven opdoen en nieuwe technologieën combineren om high-speed PCB-printplaten met uitstekende prestaties te ontwerpen.