1 Întrebări

With the large-scale increase in the design complexity and integration of electronic systems, clock speeds and device rise times are getting faster and faster, and PCB de mare viteză design has become an important part of the design process. In high-speed circuit design, the inductance and capacitance on the circuit board line make the wire equivalent to a transmission line. Incorrect layout of termination components or incorrect wiring of high-speed signals can cause transmission line effect problems, resulting in incorrect data output from the system, abnormal circuit operation or even no operation at all. Based on the transmission line model, to sum up, the transmission line will bring adverse effects such as signal reflection, crosstalk, electromagnetic interference, power supply and ground noise to the circuit design.

Pentru a proiecta o placă de circuite PCB de mare viteză care poate funcționa în mod fiabil, proiectarea trebuie luată în considerare pe deplin și cu atenție pentru a rezolva unele probleme nesigure care pot apărea în timpul amenajării și rutării, pentru a scurta ciclul de dezvoltare a produsului și pentru a îmbunătăți competitivitatea pe piață.

Cum să utilizați instrumentele de proiectare PROTEL pentru proiectarea PCB de mare viteză

2 Proiectarea sistemului de înaltă frecvență

In the PCB design of the circuit, the layout is an important link. The result of the layout will directly affect the wiring effect and the reliability of the system, which is the most time-consuming and difficult in the entire printed circuit board design. The complex environment of high-frequency PCB makes the layout design of the high-frequency system difficult to use the learned theoretical knowledge. It requires the person who lays out must have rich experience in high-speed PCB manufacturing, so as to avoid detours in the design process. Improve the reliability and effectiveness of circuit work. In the process of layout, comprehensive consideration should be given to the mechanical structure, heat dissipation, electromagnetic interference, convenience of future wiring, and aesthetics.

First of all, before layout, the entire circuit is divided into functions. The high-frequency circuit is separated from the low-frequency circuit, and the analog circuit and the digital circuit are separated. Each functional circuit is placed as close as possible to the center of the chip. Avoid transmission delay caused by excessively long wires, and improve the decoupling effect of capacitors. In addition, pay attention to the relative positions and directions between the pins and circuit components and other tubes to reduce their mutual influence. All high-frequency components should be far away from the chassis and other metal plates to reduce parasitic coupling.

Second, attention should be paid to the thermal and electromagnetic effects between components during layout. These effects are particularly serious for high-frequency systems, and measures to keep away or isolate, heat and shield should be taken. The high-power rectifier tube and adjustment tube should be equipped with a radiator and kept away from the transformer. Heat-resistant components such as electrolytic capacitors should be kept away from heating components, otherwise the electrolyte will be dried out, resulting in increased resistance and poor performance, which will affect the stability of the circuit. Enough space should be left in the layout to arrange the protective structure and prevent the introduction of various parasitic couplings. To prevent electromagnetic coupling between the coils on the printed circuit board, the two coils should be placed at right angles to reduce the coupling coefficient. The method of vertical plate isolation can also be used. It is best to directly use the lead of the component to be soldered to the circuit. The shorter the lead, the better. Do not use connectors and soldering tabs because there are distributed capacitance and distributed inductance between adjacent soldering tabs. Avoid placing high-noise components around the crystal oscillator, RIN, analog voltage, and reference voltage signal traces.

Finally, while ensuring the inherent quality and reliability, while taking into account the overall beauty, reasonable circuit board planning should be carried out. The components should be parallel or perpendicular to the board surface, and parallel or perpendicular to the main board edge. The distribution of components on the board surface should be as even as possible and the density should be consistent. In this way, it is not only beautiful, but also easy to assemble and weld, and it is easy to mass produce.

3 Wiring of high frequency system

În circuitele de înaltă frecvență, parametrii de distribuție ai rezistenței, capacității, inductanței și inductanței reciproce a firelor de conectare nu pot fi ignorați. Din perspectiva anti-interferențe, cablarea rezonabilă este să încerce să reducă rezistența liniei, capacitatea distribuită și inductanța parazită în circuit. , Câmpul magnetic rătăcit rezultat este redus la minimum, astfel încât capacitatea distribuită, fluxul magnetic de scurgere, inductanța electromagnetică reciprocă și alte interferențe cauzate de zgomot sunt suprimate.

The application of PROTEL design tools in China has been quite common. However, many designers only focus on the “broadband rate”, and the improvements made by the PROTEL design tools to adapt to the changes in device characteristics have not been used in the design, which not only makes The waste of design tool resources is more serious, which makes it difficult for the excellent performance of many new devices to be brought into play.

În cele ce urmează sunt prezentate câteva funcții speciale pe care instrumentul PROTEL99 SE le poate oferi.

(1) Cablul dintre pinii dispozitivului de circuit de înaltă frecvență trebuie să fie îndoit cât mai puțin posibil. Cel mai bine este să folosiți o linie dreaptă completă. Atunci când este necesară îndoirea, pot fi utilizate curbe sau arcuri de 45°, care pot reduce emisia externă de semnale de înaltă frecvență și interferența reciprocă. Cuplarea dintre. Când utilizați PROTEL pentru rutare, puteți selecta 45 de grade sau rotunjite în „Colțuri de rutare” din meniul „reguli” din meniul „Design”. De asemenea, puteți utiliza tastele shift + spațiu pentru a comuta rapid între linii.

(2) Cu cât cablul dintre pinii dispozitivului de circuit de înaltă frecvență este mai scurt, cu atât mai bine.

PROTEL 99 The most effective way to meet the shortest wiring is to make a wiring appointment for individual key high-speed networks before automatic wiring. “RouTIng Topology” in “rules” in the “Design” menu

Select shortest.

(3) Alternation of lead layers between pins of high-frequency circuit devices is as small as possible. That is, the fewer vias used in the component connection process, the better.

One via can bring about 0.5pF of distributed capacitance, and reducing the number of vias can significantly increase the speed.

(4) Pentru cablarea circuitelor de înaltă frecvență, acordați atenție „interferenței încrucișate” introduse de cablarea paralelă a liniei de semnal, adică diafonia. Dacă distribuția paralelă este inevitabilă, o zonă mare de „sol” poate fi aranjată pe partea opusă liniei de semnal paralele

Pentru a reduce foarte mult interferența. Cablajul paralel în același strat este aproape inevitabil, dar în două straturi adiacente, direcția cablajului trebuie să fie perpendiculară unul pe celălalt. Acest lucru nu este greu de făcut în PROTEL, dar este ușor de trecut cu vederea. În „RouTIngLayers” din meniul „Design” „reguli”, selectați Orizontal pentru Toplayer și VerTIcal pentru BottomLayer. În plus, „Polygonplane” este furnizat în „loc”

Funcția suprafeței foliei de cupru a rețelei poligonale, dacă plasați poligonul ca suprafață a întregii plăci de circuit imprimat și conectați acest cupru la GND a circuitului, poate îmbunătăți capacitatea anti-interferență de înaltă frecvență, are și beneficii mai mari pentru disiparea căldurii și rezistența plăcii de imprimare.

(5) Implementați măsuri de închidere a firului de împământare pentru liniile de semnal deosebit de importante sau unitățile locale. „Contur obiectele selectate” este furnizat în „Instrumente”, iar această funcție poate fi utilizată pentru a „înveli în mod automat pământul” liniilor de semnal importante selectate (cum ar fi circuitul de oscilație LT și X1).

(6) În general, linia de alimentare și linia de împământare a circuitului sunt mai largi decât linia de semnal. Puteți utiliza „Clasele” din meniul „Design” pentru a clasifica rețeaua, care este împărțită în rețea de alimentare și rețea de semnal. Este convenabil să stabiliți regulile de cablare. Comutați lățimea liniei de alimentare și a liniei de semnal.

(7) Diverse tipuri de cabluri nu pot forma o buclă, iar firul de împământare nu poate forma o buclă de curent. Dacă se generează un circuit în buclă, acesta va cauza multe interferențe în sistem. Pentru aceasta poate fi utilizată o metodă de cablare în lanț de margarete, care poate evita în mod eficient formarea de bucle, ramuri sau cioturi în timpul cablării, dar va aduce și problema cablajului nu este ușor.

(8) În conformitate cu datele și designul diferitelor cipuri, estimați curentul trecut de circuitul de alimentare și determinați lățimea necesară a firului. Conform formulei empirice: W (lățimea liniei) ≥ L (mm/A) × I (A).

În funcție de curent, încercați să creșteți lățimea liniei de alimentare și să reduceți rezistența buclei. În același timp, faceți direcția liniei de alimentare și a liniei de sol în concordanță cu direcția de transmisie a datelor, ceea ce ajută la îmbunătățirea capacității anti-zgomot. Atunci când este necesar, un dispozitiv de șoc de înaltă frecvență din ferită de cupru bobinat poate fi adăugat la linia de alimentare și la linia de masă pentru a bloca conducerea zgomotului de înaltă frecvență.

(9) Lățimea cablajului aceleiași rețele ar trebui să rămână aceeași. Variațiile în lățimea liniei vor cauza impedanța caracteristică a liniei neuniforme. Când viteza de transmisie este mare, va apărea reflexia, care ar trebui evitată pe cât posibil în proiectare. În același timp, măriți lățimea liniilor paralele. Când distanța dintre centrul liniei nu depășește de 3 ori lățimea liniei, 70% din câmpul electric poate fi menținut fără interferențe reciproce, ceea ce se numește principiul 3W. În acest fel, influența capacității distribuite și a inductanței distribuite cauzate de liniile paralele poate fi depășită.

4 Proiectarea cablului de alimentare și a firului de împământare

In order to solve the voltage drop caused by the power supply noise and line impedance introduced by the high-frequency circuit, the reliability of the power supply system in the high-frequency circuit must be fully considered. There are generally two solutions: one is to use power bus technology for wiring; the other is to use a separate power supply layer. In comparison, the latter’s manufacturing process is more complicated and the cost is more expensive. Therefore, the network-type power bus technology can be used for wiring, so that each component belongs to a different loop, and the current on each bus on the network tends to be balanced, reducing the voltage drop caused by the line impedance.

The high-frequency transmission power is relatively large, you can use a large area of ​​copper, and find a low-resistance ground plane nearby for multiple grounding. Because the inductance of the grounding lead is proportional to the frequency and length, the common ground impedance will be increased when the operating frequency is high, which will increase the electromagnetic interference generated by the common ground impedance, so the length of the ground wire is required to be as short as possible. Try to reduce the length of the signal line and increase the area of ​​the ground loop.

Setați unul sau mai mulți condensatori de decuplare de înaltă frecvență pe puterea și masa cipului pentru a oferi un canal de înaltă frecvență din apropiere pentru curentul tranzitoriu al cipului integrat, astfel încât curentul să nu treacă prin linia de alimentare cu o buclă mare. zonă, reducând astfel foarte mult zgomotul radiat spre exterior. Alegeți condensatori ceramici monolitici cu semnale bune de înaltă frecvență ca condensatori de decuplare. Utilizați condensatori de tantal de mare capacitate sau condensatori din poliester în loc de condensatori electrolitici ca condensatori de stocare a energiei pentru încărcarea circuitelor. Deoarece inductanța distribuită a condensatorului electrolitic este mare, este invalidă pentru frecvența înaltă. Când utilizați condensatori electrolitici, utilizați-i în perechi cu condensatori de decuplare cu caracteristici bune de înaltă frecvență.

5 Alte tehnici de proiectare a circuitelor de mare viteză

Potrivirea impedanței se referă la o stare de lucru în care impedanța de sarcină și impedanța internă a sursei de excitație sunt adaptate una la cealaltă pentru a obține puterea maximă de ieșire. Pentru cablarea PCB de mare viteză, pentru a preveni reflectarea semnalului, impedanța circuitului trebuie să fie de 50 Ω. Aceasta este o cifră aproximativă. În general, se prevede că banda de bază a cablului coaxial este de 50 Ω, banda de frecvență este de 75 Ω, iar firul răsucit este de 100 Ω. Este doar un număr întreg, pentru comoditatea potrivirii. Conform analizei specifice circuitului, se adoptă terminația paralelă de curent alternativ, iar rețeaua de rezistență și condensatoare sunt utilizate ca impedanță de terminare. Rezistența de terminare R trebuie să fie mai mică sau egală cu impedanța liniei de transmisie Z0, iar capacitatea C trebuie să fie mai mare de 100 pF. Se recomandă utilizarea condensatoarelor ceramice multistrat de 0.1UF. Condensatorul are funcția de a bloca frecvența joasă și de a trece frecvența înaltă, astfel încât rezistența R nu este sarcina de curent continuu a sursei de antrenare, astfel încât această metodă de terminare nu are niciun consum de curent continuu.

Crosstalk refers to the undesirable voltage noise interference caused by electromagnetic coupling to adjacent transmission lines when the signal propagates on the transmission line. Coupling is divided into capacitive coupling and inductive coupling. Excessive crosstalk may cause false triggering of the circuit and cause the system to fail to work normally. According to some characteristics of crosstalk, several main methods to reduce crosstalk can be summarized:

(1) Increase the line spacing, reduce the parallel length, and use the jog method for wiring if necessary.

(2) Când liniile de semnal de mare viteză îndeplinesc condițiile, adăugarea de potrivire a terminației poate reduce sau elimina reflexiile, reducând astfel diafonia.

(3) Pentru liniile de transmisie microstrip și liniile de transmisie bandă, restricționarea înălțimii urmelor la intervalul deasupra planului de masă poate reduce semnificativ diafonia.

(4) Când spațiul de cablare permite, introduceți un fir de împământare între cele două fire cu diafonie mai serioasă, care poate juca un rol în izolare și poate reduce diafonia.

Due to the lack of high-speed analysis and simulation guidance in traditional PCB design, the signal quality cannot be guaranteed, and most of the problems cannot be discovered until the plate-making test. This greatly reduces the design efficiency and increases the cost, which is obviously disadvantageous in the fierce market competition. Therefore, for high-speed PCB design, people in the industry have proposed a new design idea, which has become a “top-down” design method. After a variety of policy analysis and optimization, most of the possible problems have been avoided and a lot of savings have been made. Time to ensure that the project budget is met, high-quality printed boards are produced, and tedious and costly test errors are avoided.

Utilizarea liniilor diferențiale pentru a transmite semnale digitale este o măsură eficientă pentru controlul factorilor care distrug integritatea semnalului în circuitele digitale de mare viteză. Linia diferențială de pe placa de circuit imprimat este echivalentă cu o pereche de linii de transmisie integrate cu microunde diferențiale care funcționează în modul cvasi-TEM. Printre acestea, linia diferențială de pe partea superioară sau inferioară a PCB-ului este echivalentă cu linia de microbandă cuplată și este situată pe stratul interior al PCB-ului multistrat. Linia diferențială este echivalentă cu o linie de bandă cuplată lată. Semnalul digital este transmis pe linia diferențială într-un mod de transmisie în mod impar, adică diferența de fază dintre semnalele pozitive și negative este de 180 °, iar zgomotul este cuplat pe o pereche de linii diferențiale într-un mod comun. Se scade tensiunea sau curentul circuitului, astfel încât semnalul să poată fi obținut pentru a elimina zgomotul de mod comun. Amplitudinea de joasă tensiune sau ieșirea de antrenare a curentului a perechii de linii diferențiale îndeplinește cerințele de integrare de mare viteză și consum redus de energie.

6 remarci de încheiere

With the continuous development of electronic technology, it is imperative to understand the theory of signal integrity to guide and verify the design of high-speed PCBs. Some experience summarized in this article can help high-speed circuit PCB designers shorten the development cycle, avoid unnecessary detours, and save manpower and material resources. Designers must continue to research and explore in actual work, continue to accumulate experience, and combine new technologies to design high-speed PCB circuit boards with excellent performance.