Perguntas 1

Com o aumento em grande escala na complexidade do projeto e integração de sistemas eletrônicos, as velocidades de clock e os tempos de aumento do dispositivo estão ficando cada vez mais rápidos, e PCB de alta velocidade o design tornou-se uma parte importante do processo de design. No projeto de circuito de alta velocidade, a indutância e a capacitância na linha da placa de circuito tornam o fio equivalente a uma linha de transmissão. Layout incorreto de componentes de terminação ou fiação incorreta de sinais de alta velocidade pode causar problemas de efeito de linha de transmissão, resultando em saída de dados incorreta do sistema, operação anormal do circuito ou até mesmo nenhuma operação. Com base no modelo da linha de transmissão, para resumir, a linha de transmissão trará efeitos adversos, como reflexão do sinal, diafonia, interferência eletromagnética, fonte de alimentação e ruído de solo ao projeto do circuito.

Para projetar uma placa de circuito impresso de PCB de alta velocidade que possa funcionar de maneira confiável, o projeto deve ser total e cuidadosamente considerado para resolver alguns problemas não confiáveis ​​que podem ocorrer durante o layout e roteamento, encurtar o ciclo de desenvolvimento do produto e melhorar a competitividade no mercado.

Como usar as ferramentas de design PROTEL para design de PCB de alta velocidade

2 Projeto de layout do sistema de alta frequência

No projeto PCB do circuito, o layout é um elo importante. O resultado do layout afetará diretamente o efeito da fiação e a confiabilidade do sistema, que é o mais demorado e difícil em todo o design da placa de circuito impresso. O ambiente complexo do PCB de alta frequência torna o projeto de layout do sistema de alta frequência difícil de usar o conhecimento teórico aprendido. Exige que a pessoa que faz o layout tenha uma vasta experiência na fabricação de PCBs de alta velocidade, de modo a evitar desvios no processo de projeto. Melhore a confiabilidade e a eficácia do trabalho do circuito. No processo de layout, consideração abrangente deve ser dada à estrutura mecânica, dissipação de calor, interferência eletromagnética, conveniência de fiação futura e estética.

Antes de tudo, antes do layout, todo o circuito é dividido em funções. O circuito de alta frequência é separado do circuito de baixa frequência e o circuito analógico e o circuito digital são separados. Cada circuito funcional é colocado o mais próximo possível do centro do chip. Evite atrasos de transmissão causados ​​por fios excessivamente longos e melhore o efeito de desacoplamento dos capacitores. Além disso, preste atenção às posições e direções relativas entre os pinos e componentes do circuito e outras válvulas para reduzir sua influência mútua. Todos os componentes de alta frequência devem estar longe do chassi e outras placas de metal para reduzir o acoplamento parasita.

Em segundo lugar, deve-se prestar atenção aos efeitos térmicos e eletromagnéticos entre os componentes durante o layout. Esses efeitos são particularmente graves para sistemas de alta frequência, e devem ser tomadas medidas para mantê-los afastados ou isolados, calor e proteção. O tubo retificador de alta potência e o tubo de ajuste devem ser equipados com um radiador e mantidos afastados do transformador. Componentes resistentes ao calor, como capacitores eletrolíticos, devem ser mantidos longe dos componentes de aquecimento, caso contrário, o eletrólito secará, resultando em aumento da resistência e baixo desempenho, o que afetará a estabilidade do circuito. Deve ser deixado espaço suficiente no layout para organizar a estrutura de proteção e evitar a introdução de vários acoplamentos parasitas. Para evitar o acoplamento eletromagnético entre as bobinas na placa de circuito impresso, as duas bobinas devem ser colocadas em ângulos retos para reduzir o coeficiente de acoplamento. O método de isolamento de placa vertical também pode ser usado. É melhor usar diretamente o cabo do componente a ser soldado ao circuito. Quanto mais curto for o lead, melhor. Não use conectores e guias de solda porque há capacitância e indutância distribuídas entre as guias de solda adjacentes. Evite colocar componentes de alto ruído ao redor do oscilador de cristal, RIN, voltagem analógica e traços de sinal de voltagem de referência.

Finalmente, ao mesmo tempo em que garante a qualidade e confiabilidade inerentes, levando em consideração a beleza geral, um planejamento razoável da placa de circuito deve ser executado. Os componentes devem ser paralelos ou perpendiculares à superfície da placa e paralelos ou perpendiculares à borda da placa principal. A distribuição dos componentes na superfície da placa deve ser a mais uniforme possível e a densidade deve ser consistente. Desta forma, não é apenas bonito, mas também fácil de montar e soldar, e é fácil de produzir em massa.

3 Wiring of high frequency system

Em circuitos de alta frequência, os parâmetros de distribuição de resistência, capacitância, indutância e indutância mútua dos fios de conexão não podem ser ignorados. Do ponto de vista da anti-interferência, a fiação razoável é tentar reduzir a resistência da linha, a capacitância distribuída e a indutância parasita no circuito. , O campo magnético disperso resultante é reduzido ao mínimo, de modo que a capacitância distribuída, o fluxo magnético de fuga, a indutância mútua eletromagnética e outras interferências causadas pelo ruído sejam suprimidas.

A aplicação de ferramentas de design PROTEL na China tem sido bastante comum. No entanto, muitos designers se concentram apenas na “taxa de banda larga”, e as melhorias feitas pelas ferramentas de design PROTEL para se adaptar às mudanças nas características do dispositivo não foram usadas no design, o que não só faz O desperdício de recursos da ferramenta de design é mais sério, o que dificulta o excelente desempenho de muitos novos dispositivos.

O seguinte apresenta algumas funções especiais que a ferramenta PROTEL99 SE pode fornecer.

(1) O cabo entre os pinos do dispositivo de circuito de alta frequência deve ser dobrado o menos possível. É melhor usar uma linha reta completa. Quando a curvatura é necessária, curvas ou arcos de 45 ° podem ser usados, o que pode reduzir a emissão externa de sinais de alta frequência e interferência mútua. O acoplamento entre. Ao usar PROTEL para roteamento, você pode selecionar 45 graus ou arredondado em “Routing Corners” no menu “rules” do menu “Design”. Você também pode usar as teclas shift + espaço para alternar rapidamente entre as linhas.

(2) Quanto mais curto o cabo entre os pinos do dispositivo de circuito de alta frequência, melhor.

PROTEL 99 A maneira mais eficaz de atender a fiação mais curta é marcar uma nomeação de fiação para redes de alta velocidade chave individuais antes da fiação automática. “Topologia de Roteamento” em “regras” no menu “Projeto”

Selecione o mais curto.

(3) A alternância das camadas de chumbo entre os pinos dos dispositivos de circuito de alta frequência é a menor possível. Ou seja, quanto menos vias forem usadas no processo de conexão do componente, melhor.

Uma via pode trazer cerca de 0.5pF de capacitância distribuída, e reduzir o número de vias pode aumentar significativamente a velocidade.

(4) Para a fiação do circuito de alta frequência, preste atenção à “interferência cruzada” introduzida pela fiação paralela da linha de sinal, ou seja, diafonia. Se a distribuição paralela for inevitável, uma grande área de “terra” pode ser disposta no lado oposto da linha de sinal paralela

Para reduzir bastante a interferência. A fiação paralela na mesma camada é quase inevitável, mas em duas camadas adjacentes, a direção da fiação deve ser perpendicular uma à outra. Isso não é difícil de fazer no PROTEL, mas é fácil de ignorar. Em “RouTIngLayers” nas “regras” do menu “Design”, selecione Horizontal para Toplayer e VerTIcal para BottomLayer. Além disso, “Polygonplane” é fornecido no “lugar”

A função da superfície da folha de cobre da grade poligonal, se você colocar o polígono como uma superfície de toda a placa de circuito impresso e conectar este cobre ao GND do circuito, pode melhorar a capacidade anti-interferência de alta frequência. Também tem maiores benefícios para dissipação de calor e resistência da placa de impressão.

(5) Implementar medidas de isolamento de fio terra para linhas de sinal particularmente importantes ou unidades locais. “Delinear objetos selecionados” é fornecido em “Ferramentas”, e esta função pode ser usada para “envolver o solo” automaticamente das linhas de sinal importantes selecionadas (como circuito de oscilação LT e X1).

(6) Geralmente, a linha de alimentação e a linha de aterramento do circuito são mais largas do que a linha de sinal. Você pode usar as “Classes” no menu “Design” para classificar a rede, que é dividida em rede de energia e rede de sinal. É conveniente definir as regras de fiação. Mude a largura da linha de energia e linha de sinal.

(7) Vários tipos de fiação não podem formar um loop e o fio terra não pode formar um loop de corrente. Se um circuito de loop for gerado, ele causará muita interferência no sistema. Um método de fiação em cadeia pode ser usado para isso, o que pode efetivamente evitar a formação de laços, ramos ou tocos durante a fiação, mas também trará o problema de fiação difícil.

(8) De acordo com os dados e design de vários chips, estime a corrente que passa pelo circuito de alimentação e determine a largura de fio necessária. De acordo com a fórmula empírica: W (largura da linha) ≥ L (mm / A) × I (A).

De acordo com a corrente, tente aumentar a largura da linha de alimentação e reduzir a resistência do circuito. Ao mesmo tempo, faça com que a direção da linha de alimentação e da linha de solo seja consistente com a direção da transmissão de dados, o que ajuda a aumentar a capacidade anti-ruído. Quando necessário, um dispositivo de estrangulamento de alta frequência feito de ferrite enrolada em fio de cobre pode ser adicionado à linha de alimentação e à linha de aterramento para bloquear a condução de ruído de alta frequência.

(9) A largura da fiação da mesma rede deve ser mantida a mesma. Variações na largura da linha causarão impedância característica da linha irregular. Quando a velocidade de transmissão é alta, ocorrerá reflexão, o que deve ser evitado ao máximo no projeto. Ao mesmo tempo, aumente a largura da linha de linhas paralelas. Quando a distância do centro da linha não excede 3 vezes a largura da linha, 70% do campo elétrico pode ser mantido sem interferência mútua, o que é chamado de princípio 3W. Desta forma, a influência da capacitância distribuída e da indutância distribuída causada por linhas paralelas pode ser superada.

4 Projeto do cabo de alimentação e fio terra

A fim de resolver a queda de tensão causada pelo ruído da fonte de alimentação e impedância da linha introduzida pelo circuito de alta freqüência, a confiabilidade do sistema de fonte de alimentação no circuito de alta freqüência deve ser totalmente considerada. Geralmente, há duas soluções: uma é usar a tecnologia de barramento de força para a fiação; a outra é usar uma camada de fonte de alimentação separada. Em comparação, o processo de fabricação deste último é mais complicado e o custo é mais caro. Portanto, a tecnologia de barramento de força do tipo rede pode ser utilizada para a fiação, de forma que cada componente pertença a um loop diferente, e a corrente em cada barramento da rede tenda a ser balanceada, reduzindo a queda de tensão causada pela impedância da linha.

A potência de transmissão de alta frequência é relativamente grande, você pode usar uma grande área de cobre e encontrar um plano de aterramento de baixa resistência próximo para aterramento múltiplo. Como a indutância do cabo de aterramento é proporcional à frequência e ao comprimento, a impedância de aterramento comum aumentará quando a frequência de operação for alta, o que aumentará a interferência eletromagnética gerada pela impedância de aterramento comum, de modo que o comprimento do fio de aterramento seja deve ser o mais curto possível. Tente reduzir o comprimento da linha de sinal e aumentar a área do loop de terra.

Defina um ou vários capacitores de desacoplamento de alta frequência na alimentação e no aterramento do chip para fornecer um canal de alta frequência próximo para a corrente transiente do chip integrado, de modo que a corrente não passe pela linha de fonte de alimentação com um grande loop área, reduzindo assim muito o ruído irradiado para o exterior. Escolha capacitores de cerâmica monolíticos com bons sinais de alta frequência como capacitores de desacoplamento. Use capacitores de tântalo de grande capacidade ou capacitores de poliéster em vez de capacitores eletrolíticos como capacitores de armazenamento de energia para o carregamento do circuito. Como a indutância distribuída do capacitor eletrolítico é grande, ela é inválida para alta frequência. Ao usar capacitores eletrolíticos, use-os em pares com capacitores de desacoplamento com boas características de alta frequência.

5 Outras técnicas de design de circuito de alta velocidade

O casamento de impedância refere-se a um estado de trabalho no qual a impedância da carga e a impedância interna da fonte de excitação são adaptadas uma à outra para obter a saída de potência máxima. Para fiação de PCB de alta velocidade, a fim de evitar a reflexão do sinal, a impedância do circuito deve ser de 50 Ω. Este é um valor aproximado. Geralmente, é estipulado que a banda base do cabo coaxial é 50 Ω, a banda de frequência é 75 Ω e o fio trançado é 100 Ω. É apenas um número inteiro, para conveniência de correspondência. De acordo com a análise específica do circuito, a terminação CA paralela é adotada, e o resistor e a rede de capacitores são usados ​​como impedância de terminação. A resistência de terminação R deve ser menor ou igual à impedância da linha de transmissão Z0 e a capacitância C deve ser maior que 100 pF. Recomenda-se o uso de capacitores de cerâmica multicamadas 0.1UF. O capacitor tem a função de bloquear a baixa frequência e passar a alta frequência, de forma que a resistência R não seja a carga CC da fonte de acionamento, portanto, este método de terminação não tem nenhum consumo de energia CC.

A linha cruzada se refere à interferência indesejável de ruído de tensão causada pelo acoplamento eletromagnético a linhas de transmissão adjacentes quando o sinal se propaga na linha de transmissão. O acoplamento é dividido em acoplamento capacitivo e acoplamento indutivo. A diafonia excessiva pode causar um falso disparo do circuito e fazer com que o sistema não funcione normalmente. De acordo com algumas características do crosstalk, vários métodos principais para reduzir o crosstalk podem ser resumidos:

(1) Aumente o espaçamento entre linhas, reduza o comprimento paralelo e use o método jog para a fiação, se necessário.

(2) Quando as linhas de sinal de alta velocidade atendem às condições, adicionar correspondência de terminação pode reduzir ou eliminar reflexos, reduzindo assim a diafonia.

(3) Para linhas de transmissão de microfita e linhas de transmissão de faixa, restringir a altura do traço para dentro da faixa acima do plano do solo pode reduzir significativamente a diafonia.

(4) Quando o espaço da fiação permitir, insira um fio terra entre os dois fios com diafonia mais séria, que pode desempenhar um papel no isolamento e reduzir a diafonia.

Devido à falta de análise de alta velocidade e orientação de simulação no design de PCB tradicional, a qualidade do sinal não pode ser garantida e a maioria dos problemas não podem ser descobertos até o teste de fabricação da placa. Isso reduz bastante a eficiência do projeto e aumenta o custo, o que é obviamente desvantajoso na acirrada competição de mercado. Portanto, para design de PCB de alta velocidade, as pessoas da indústria propuseram uma nova ideia de design, que se tornou um método de design “de cima para baixo”. Depois de uma variedade de análises e otimizações de políticas, a maioria dos problemas possíveis foi evitada e muitas economias foram feitas. Tempo para garantir que o orçamento do projeto seja cumprido, placas impressas de alta qualidade são produzidas e erros de teste tediosos e caros são evitados.

O uso de linhas diferenciais para transmitir sinais digitais é uma medida eficaz para controlar fatores que destroem a integridade do sinal em circuitos digitais de alta velocidade. A linha diferencial na placa de circuito impresso é equivalente a um par de linha de transmissão integrada de microondas diferencial trabalhando no modo quase-TEM. Dentre eles, a linha diferencial na parte superior ou inferior do PCB é equivalente à linha de microfita acoplada e está localizada na camada interna do PCB multicamadas. A linha diferencial é equivalente a uma linha de tira acoplada broadside. O sinal digital é transmitido na linha diferencial em modo de transmissão ímpar, ou seja, a diferença de fase entre os sinais positivo e negativo é de 180 °, e o ruído é acoplado em um par de linhas diferenciais em modo comum. A tensão ou corrente do circuito é subtraída, de modo que o sinal pode ser obtido para eliminar o ruído de modo comum. A amplitude de baixa tensão ou a saída do acionamento de corrente do par de linha diferencial atende aos requisitos de integração de alta velocidade e baixo consumo de energia.

6 comentários finais

Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia eletrônica, é imperativo entender a teoria da integridade do sinal para orientar e verificar o projeto de PCBs de alta velocidade. Alguma experiência resumida neste artigo pode ajudar os projetistas de PCB de circuito de alta velocidade a encurtar o ciclo de desenvolvimento, evitar desvios desnecessários e economizar recursos humanos e materiais. Os projetistas devem continuar a pesquisar e explorar no trabalho real, continuar a acumular experiência e combinar novas tecnologias para projetar placas de circuito impresso de alta velocidade com excelente desempenho.