1 spørsmål

Med den storstilte økningen i designkompleksiteten og integreringen av elektroniske systemer, blir klokkehastigheter og enhetsstigetider raskere og raskere, og høyhastighets PCB design har blitt en viktig del av designprosessen. I høyhastighetskretsdesign gjør induktansen og kapasitansen på kretskortlinjen at ledningen tilsvarer en overføringslinje. Feil utforming av termineringskomponenter eller feil kabling av høyhastighetssignaler kan forårsake problemer med transmisjonslinjeeffekter, noe som resulterer i feil datautgang fra systemet, unormal kretsdrift eller til og med ingen drift i det hele tatt. Basert på overføringslinjemodellen, for å oppsummere, vil overføringslinjen gi negative effekter som signalrefleksjon, krysstale, elektromagnetisk interferens, strømforsyning og jordstøy til kretsdesignet.

For å designe et høyhastighets PCB-kretskort som kan fungere pålitelig, må designet vurderes fullstendig og nøye for å løse noen upålitelige problemer som kan oppstå under layout og ruting, forkorte produktutviklingssyklusen og forbedre markedskonkurranseevnen.

Hvordan bruke PROTEL-designverktøy for høyhastighets PCB-design

2 Layout design av høyfrekvent system

I PCB-designet av kretsen er oppsettet et viktig ledd. Resultatet av oppsettet vil direkte påvirke ledningseffekten og påliteligheten til systemet, som er det mest tidkrevende og vanskelige i hele kretskortdesignet. Det komplekse miljøet til høyfrekvente PCB gjør layoutdesignet til høyfrekvente systemet vanskelig å bruke den lærte teoretiske kunnskapen. Det krever at den som legger ut må ha rik erfaring innen høyhastighets PCB-produksjon, for å unngå omveier i designprosessen. Forbedre påliteligheten og effektiviteten til kretsarbeid. I utformingsprosessen bør det tas omfattende hensyn til den mekaniske strukturen, varmespredning, elektromagnetisk interferens, bekvemmeligheten av fremtidige ledninger og estetikk.

Først av alt, før layout, er hele kretsen delt inn i funksjoner. Høyfrekvenskretsen er atskilt fra lavfrekvenskretsen, og den analoge kretsen og den digitale kretsen er atskilt. Hver funksjonskrets er plassert så nært som mulig til midten av brikken. Unngå overføringsforsinkelse forårsaket av for lange ledninger, og forbedre avkoblingseffekten til kondensatorer. Vær i tillegg oppmerksom på de relative posisjonene og retningene mellom pinnene og kretskomponentene og andre rør for å redusere deres gjensidige påvirkning. Alle høyfrekvente komponenter bør være langt unna chassiset og andre metallplater for å redusere parasittisk kobling.

For det andre bør oppmerksomhet rettes mot de termiske og elektromagnetiske effektene mellom komponentene under layout. Disse effektene er spesielt alvorlige for høyfrekvente systemer, og tiltak for å holde unna eller isolere, varme og skjerming bør iverksettes. Høyeffekt likeretterrøret og justeringsrøret skal være utstyrt med en radiator og holdes unna transformatoren. Varmebestandige komponenter som elektrolytiske kondensatorer bør holdes unna varmekomponenter, ellers vil elektrolytten tørkes ut, noe som resulterer i økt motstand og dårlig ytelse, noe som vil påvirke kretsens stabilitet. Det bør være igjen nok plass i oppsettet for å ordne den beskyttende strukturen og forhindre innføring av forskjellige parasittiske koblinger. For å forhindre elektromagnetisk kobling mellom spolene på kretskortet, bør de to spolene plasseres i rette vinkler for å redusere koblingskoeffisienten. Metoden for vertikal plateisolering kan også brukes. Det er best å direkte bruke ledningen til komponenten som skal loddes til kretsen. Jo kortere ledning, jo bedre. Ikke bruk koblinger og loddetapper fordi det er fordelt kapasitans og distribuert induktans mellom tilstøtende loddetapper. Unngå å plassere komponenter med høy støy rundt krystalloscillatoren, RIN, analog spenning og referansespenningssignalspor.

Til slutt, mens man sikrer den iboende kvaliteten og påliteligheten, samtidig som man tar hensyn til den generelle skjønnheten, bør en rimelig planlegging av kretskort utføres. Komponentene skal være parallelle eller vinkelrett på brettoverflaten, og parallelle eller vinkelrett på hovedkortkanten. Fordelingen av komponenter på plateoverflaten bør være så jevn som mulig og tettheten bør være konsistent. På denne måten er den ikke bare vakker, men også enkel å montere og sveise, og den er lett å masseprodusere.

3 Kabling av høyfrekvenssystem

I høyfrekvente kretser kan ikke distribusjonsparametrene for motstand, kapasitans, induktans og gjensidig induktans til tilkoblingsledningene ignoreres. Fra anti-interferensperspektivet er rimelig kabling å prøve å redusere linjemotstanden, distribuert kapasitans og strøinduktans i kretsen. , Det resulterende strømagnetiske feltet reduseres til et minimum, slik at den distribuerte kapasitansen, lekkasjemagnetisk fluks, elektromagnetisk gjensidig induktans og annen interferens forårsaket av støy undertrykkes.

Bruken av PROTEL-designverktøy i Kina har vært ganske vanlig. Imidlertid fokuserer mange designere kun på “bredbåndshastigheten”, og forbedringene som er gjort av PROTEL-designverktøyene for å tilpasse seg endringene i enhetens egenskaper har ikke blitt brukt i designet, noe som ikke bare gjør at sløsingen med ressurser til designverktøy er mer. alvorlig, noe som gjør det vanskelig for den utmerkede ytelsen til mange nye enheter å bli tatt i bruk.

Det følgende introduserer noen spesielle funksjoner som PROTEL99 SE-verktøyet kan tilby.

(1) Ledningen mellom pinnene til høyfrekvenskretsenheten skal bøyes så lite som mulig. Det er best å bruke en hel rett linje. Når bøying er nødvendig, kan 45° bøyninger eller buer brukes, noe som kan redusere ekstern emisjon av høyfrekvente signaler og gjensidig interferens. Koblingen mellom. Når du bruker PROTEL for ruting, kan du velge 45-grader eller avrundet i “Routing Corners” i “regler”-menyen i “Design”-menyen. Du kan også bruke skift + mellomromstastene for raskt å bytte mellom linjene.

(2) Jo kortere ledningen mellom pinnene på høyfrekvenskretsenheten er, jo bedre.

PROTEL 99 Den mest effektive måten å møte de korteste ledningene på er å avtale ledninger for individuelle viktige høyhastighetsnettverk før automatisk ledningsføring. “Routing Topology” i “rules” i “Design”-menyen

Velg korteste.

(3) Veksling av blylag mellom pinner på høyfrekvente kretsenheter er så liten som mulig. Det vil si at jo færre viaer som brukes i komponenttilkoblingsprosessen, jo bedre.

En via kan gi omtrent 0.5 pF distribuert kapasitans, og å redusere antall vias kan øke hastigheten betydelig.

(4) For høyfrekvente kretsledninger, vær oppmerksom på “kryssinterferensen” introdusert av den parallelle ledningen til signallinjen, det vil si krysstale. Hvis parallellfordeling er uunngåelig, kan et stort område med “jord” arrangeres på motsatt side av den parallelle signallinjen

For å redusere interferens betraktelig. Parallell ledning i samme lag er nesten uunngåelig, men i to tilstøtende lag må ledningsretningen være vinkelrett på hverandre. Dette er ikke vanskelig å gjøre i PROTEL, men det er lett å overse. I “RoutingLayers” i “Design”-menyen “rules”, velg Horisontal for Toplayer og VerTIcal for BottomLayer. I tillegg er “Polygonplane” gitt på “place”

Funksjonen til den polygonale rutenettets kobberfolieoverflate, hvis du plasserer polygonen som en overflate av hele det trykte kretskortet, og kobler dette kobberet til kretsens GND, kan det forbedre høyfrekvente anti-interferensevnen, den har også større fordeler for varmeavledning og trykkplatestyrke.

(5) Iverksette jordledningstiltak for spesielt viktige signallinjer eller lokale enheter. “Oversikt valgte objekter” er gitt i “Verktøy”, og denne funksjonen kan brukes til automatisk å “pakke bakken” til de valgte viktige signallinjene (som oscillasjonskrets LT og X1).

(6) Generelt er strømledningen og jordingslinjen til kretsen bredere enn signallinjen. Du kan bruke “Klasser” i “Design”-menyen for å klassifisere nettverket, som er delt inn i strømnett og signalnett. Det er praktisk å angi ledningsreglene. Bytt linjebredden på kraftledningen og signallinjen.

(7) Ulike typer ledninger kan ikke danne en sløyfe, og jordledningen kan ikke danne en strømsløyfe. Hvis det genereres en sløyfekrets, vil det forårsake mye interferens i systemet. En kjedekoblingsmetode kan brukes til dette, som effektivt kan unngå dannelse av løkker, grener eller stubber under kabling, men det vil også føre til problemet med ikke enkel ledning.

(8) I henhold til dataene og designen til forskjellige brikker, estimer strømmen som passerer strømforsyningskretsen og bestem den nødvendige ledningsbredden. I henhold til den empiriske formelen: W (linjebredde) ≥ L (mm/A) × I (A).

I henhold til strømmen, prøv å øke bredden på kraftledningen og redusere sløyfemotstanden. Gjør samtidig retningen til kraftledningen og jordlinjen i samsvar med retningen for dataoverføring, noe som bidrar til å forbedre antistøyevnen. Når det er nødvendig, kan en høyfrekvent strupeanordning laget av kobbertrådviklet ferritt legges til kraftledningen og jordledningen for å blokkere ledningen av høyfrekvent støy.

(9) Ledningsbredden til samme nettverk bør holdes den samme. Variasjoner i linjebredde vil forårsake ujevn linjekarakteristisk impedans. Når overføringshastigheten er høy vil det oppstå refleksjon, noe som bør unngås så mye som mulig i designet. Øk samtidig linjebredden på parallelle linjer. Når linjesenteravstanden ikke overstiger 3 ganger linjebredden, kan 70 % av det elektriske feltet opprettholdes uten gjensidig interferens, som kalles 3W-prinsippet. På denne måten kan påvirkningen av distribuert kapasitans og distribuert induktans forårsaket av parallelle linjer overvinnes.

4 Design av strømledning og jordledning

For å løse spenningsfallet forårsaket av strømforsyningsstøy og linjeimpedans introdusert av høyfrekvenskretsen, må påliteligheten til strømforsyningssystemet i høyfrekvenskretsen vurderes fullt ut. Det er generelt to løsninger: den ene er å bruke strømbussteknologi for kabling; den andre er å bruke et eget strømforsyningslag. Til sammenligning er sistnevntes produksjonsprosess mer komplisert og kostnadene er dyrere. Derfor kan strømbussteknologien av nettverkstypen brukes til kabling, slik at hver komponent tilhører en annen sløyfe, og strømmen på hver buss på nettverket har en tendens til å være balansert, noe som reduserer spenningsfallet forårsaket av linjeimpedansen.

Høyfrekvent overføringseffekt er relativt stor, du kan bruke et stort område med kobber og finne et jordplan med lav motstand i nærheten for flere jording. Fordi induktansen til jordingsledningen er proporsjonal med frekvensen og lengden, vil den felles jordimpedansen økes når driftsfrekvensen er høy, noe som vil øke den elektromagnetiske interferensen generert av den felles jordingsimpedansen, slik at lengden på jordledningen er kreves for å være så kort som mulig. Prøv å redusere lengden på signallinjen og øke arealet av jordsløyfen.

Sett en eller flere høyfrekvente avkoblingskondensatorer på brikkens strøm og jord for å gi en nærliggende høyfrekvent kanal for transientstrømmen til den integrerte brikken, slik at strømmen ikke går gjennom strømforsyningslinjen med en stor sløyfe område, og dermed sterkt redusere støyen som stråler ut til utsiden. Velg monolittiske keramiske kondensatorer med gode høyfrekvente signaler som avkoblingskondensatorer. Bruk tantalkondensatorer med stor kapasitet eller polyesterkondensatorer i stedet for elektrolytiske kondensatorer som energilagringskondensatorer for kretslading. Fordi den distribuerte induktansen til den elektrolytiske kondensatoren er stor, er den ugyldig for høy frekvens. Når du bruker elektrolytiske kondensatorer, bruk dem i par med avkoblingskondensatorer med gode høyfrekvente egenskaper.

5 Andre høyhastighets kretsdesignteknikker

Impedanstilpasning refererer til en arbeidstilstand der lastimpedansen og den interne impedansen til eksitasjonskilden er tilpasset hverandre for å oppnå maksimal effekt. For høyhastighets PCB-kabling, for å forhindre signalrefleksjon, kreves det at impedansen til kretsen er 50 Ω. Dette er et omtrentlig tall. Generelt er det fastsatt at basisbåndet til koaksialkabelen er 50 Ω, frekvensbåndet er 75 Ω, og den snoede ledningen er 100 Ω. Det er bare et heltall, for enkelhets skyld. I henhold til den spesifikke kretsanalysen brukes den parallelle AC-termineringen, og motstanden og kondensatornettverket brukes som termineringsimpedans. Avslutningsmotstanden R må være mindre enn eller lik transmisjonslinjeimpedansen Z0, og kapasitansen C må være større enn 100 pF. Det anbefales å bruke 0.1UF flerlags keramiske kondensatorer. Kondensatoren har funksjonen til å blokkere lav frekvens og passere høy frekvens, slik at motstanden R ikke er DC-belastningen til drivkilden, så denne termineringsmetoden har ikke noe DC-strømforbruk.

Krysstale refererer til uønsket spenningsstøyinterferens forårsaket av elektromagnetisk kobling til tilstøtende overføringslinjer når signalet forplanter seg på overføringslinjen. Kobling er delt inn i kapasitiv kobling og induktiv kobling. For mye krysstale kan forårsake falsk utløsning av kretsen og føre til at systemet ikke fungerer normalt. I henhold til noen kjennetegn ved crosstalk kan flere hovedmetoder for å redusere crosstalk oppsummeres:

(1) Øk linjeavstanden, reduser den parallelle lengden, og bruk joggemetoden for kabling om nødvendig.

(2) Når høyhastighetssignallinjer oppfyller betingelsene, kan å legge til termineringstilpasning redusere eller eliminere refleksjoner, og dermed redusere krysstale.

(3) For mikrostriptransmisjonslinjer og striptransmisjonslinjer kan det å begrense sporingshøyden til innenfor området over bakkeplanet redusere krysstale betydelig.

(4) Når ledningsplassen tillater det, sett inn en jordledning mellom de to ledningene med mer alvorlig krysstale, som kan spille en rolle i isolasjon og redusere krysstale.

På grunn av mangelen på høyhastighetsanalyse og simuleringsveiledning i tradisjonell PCB-design, kan ikke signalkvaliteten garanteres, og de fleste problemene kan ikke oppdages før platefremstillingstesten. Dette reduserer designeffektiviteten betydelig og øker kostnadene, noe som åpenbart er ufordelaktig i den harde markedskonkurransen. Derfor, for høyhastighets PCB-design, har folk i bransjen foreslått en ny designide, som har blitt en “top-down” designmetode. Etter en rekke politiske analyser og optimalisering, har de fleste mulige problemer blitt unngått og mange besparelser er gjort. På tide å sikre at prosjektbudsjettet overholdes, høykvalitets trykte tavler produseres, og kjedelige og kostbare testfeil unngås.

Bruken av differensiallinjer for å overføre digitale signaler er et effektivt tiltak for å kontrollere faktorer som ødelegger signalintegriteten i høyhastighets digitale kretser. Differensiallinjen på det trykte kretskortet tilsvarer et differensialmikrobølgeintegrert overføringslinjepar som fungerer i kvasi-TEM-modus. Blant dem er differensiallinjen på toppen eller bunnen av PCB-en ekvivalent med den koblede mikrostrip-linjen og er plassert på det indre laget av flerlags-PCB-en. Differensiallinjen tilsvarer en bredsidet koblet stripelinje. Det digitale signalet overføres på differensiallinjen i en odd-modus overføringsmodus, det vil si at faseforskjellen mellom de positive og negative signalene er 180°, og støyen kobles på et par differensiallinjer i en felles modus. Spenningen eller strømmen til kretsen trekkes fra, slik at signalet kan oppnås for å eliminere vanlig modusstøy. Lavspenningsamplituden eller strømutgangen til differensiallinjeparet oppfyller kravene til høyhastighetsintegrasjon og lavt strømforbruk.

6 avslutningsanmerkninger

Med den kontinuerlige utviklingen av elektronisk teknologi er det viktig å forstå teorien om signalintegritet for å veilede og verifisere utformingen av høyhastighets PCB. Noen erfaringer oppsummert i denne artikkelen kan hjelpe høyhastighetskrets-PCB-designere med å forkorte utviklingssyklusen, unngå unødvendige omveier og spare arbeidskraft og materielle ressurser. Designere må fortsette å forske og utforske i faktisk arbeid, fortsette å samle erfaring og kombinere nye teknologier for å designe høyhastighets PCB-kretskort med utmerket ytelse.