1 Вопросы

С масштабным увеличением сложности конструкции и интеграции электронных систем тактовая частота и время нарастания устройства становятся все быстрее и быстрее, и высокоскоростная печатная плата дизайн стал важной частью процесса проектирования. В конструкции высокоскоростной схемы индуктивность и емкость на линии печатной платы делают провод эквивалентным линии передачи. Неправильная компоновка оконечных компонентов или неправильная разводка высокоскоростных сигналов может вызвать проблемы с эффектом линии передачи, что приведет к неправильному выводу данных из системы, ненормальной работе схемы или даже к полному отсутствию работы. Подводя итог, можно сказать, что, исходя из модели линии передачи, линия передачи будет иметь неблагоприятные эффекты, такие как отражение сигнала, перекрестные помехи, электромагнитные помехи, источник питания и шум заземления в конструкцию схемы.

Чтобы спроектировать высокоскоростную печатную плату, которая может работать надежно, конструкция должна быть полностью и тщательно продумана, чтобы решить некоторые ненадежные проблемы, которые могут возникнуть во время компоновки и трассировки, сократить цикл разработки продукта и повысить конкурентоспособность на рынке.

Как использовать инструменты проектирования PROTEL для высокоскоростного проектирования печатных плат

2 Компоновка высокочастотной системы

В дизайне печатной платы схема является важным звеном. Результат компоновки напрямую повлияет на эффект проводки и надежность системы, что является наиболее трудоемким и сложным во всей конструкции печатной платы. Сложная среда высокочастотной печатной платы делает конструкцию топологии высокочастотной системы трудной для использования полученных теоретических знаний. Это требует, чтобы человек, который занимается выкладкой, должен иметь богатый опыт в производстве высокоскоростных печатных плат, чтобы избежать отклонений в процессе проектирования. Повышение надежности и эффективности схемотехнической работы. В процессе компоновки следует всесторонне учитывать механическую структуру, рассеивание тепла, электромагнитные помехи, удобство будущей проводки и эстетический вид.

Прежде всего, перед разводкой вся схема разбивается по функциям. Высокочастотный контур отделен от низкочастотного контура, а аналоговый контур и цифровой контур отделены. Каждая функциональная схема размещается как можно ближе к центру микросхемы. Избегайте задержки передачи, вызванной слишком длинными проводами, и улучшайте развязывающий эффект конденсаторов. Кроме того, обратите внимание на взаимное расположение и направление контактов, компонентов схемы и других ламп, чтобы уменьшить их взаимное влияние. Все высокочастотные компоненты должны находиться подальше от шасси и других металлических пластин, чтобы уменьшить паразитную связь.

Во-вторых, следует обратить внимание на тепловые и электромагнитные эффекты между компонентами во время компоновки. Эти эффекты особенно серьезны для высокочастотных систем, и следует принять меры по удалению или изоляции, нагреву и защите. Выпрямительную трубку и регулирующую трубку большой мощности следует оборудовать радиатором и держать подальше от трансформатора. Термостойкие компоненты, такие как электролитические конденсаторы, следует держать вдали от нагревательных компонентов, иначе электролит высохнет, что приведет к увеличению сопротивления и снижению производительности, что повлияет на стабильность цепи. В компоновке должно быть достаточно места для размещения защитной конструкции и предотвращения появления различных паразитных муфт. Чтобы предотвратить электромагнитную связь между катушками на печатной плате, две катушки должны быть расположены под прямым углом, чтобы уменьшить коэффициент связи. Также может быть использован метод вертикальной пластинчатой ​​изоляции. Лучше всего использовать вывод компонента, который нужно припаять к цепи. Чем короче отрыв, тем лучше. Не используйте разъемы и выводы для пайки, поскольку между соседними выводами для пайки существует распределенная емкость и распределенная индуктивность. Избегайте размещения компонентов с высоким уровнем шума вокруг кварцевого генератора, RIN, аналогового напряжения и сигналов опорного напряжения.

Наконец, обеспечивая при этом качество и надежность, принимая во внимание общую красоту, необходимо тщательно спланировать монтажные платы. Компоненты должны быть параллельны или перпендикулярны поверхности платы и параллельны или перпендикулярны краю основной платы. Распределение компонентов на поверхности платы должно быть как можно более равномерным, а плотность – одинаковой. Таким образом, он не только красив, но и прост в сборке и сварке, а также в массовом производстве.

3 Подключение высокочастотной системы

В высокочастотных цепях нельзя не учитывать параметры распределения сопротивления, емкости, индуктивности и взаимной индуктивности соединительных проводов. С точки зрения защиты от помех, разумная проводка – это попытаться уменьшить сопротивление линии, распределенную емкость и паразитную индуктивность в цепи. Возникающее в результате паразитное магнитное поле сводится к минимуму, поэтому распределенная емкость, магнитный поток рассеяния, взаимная электромагнитная индуктивность и другие помехи, вызванные шумом, подавляются.

Инструменты проектирования PROTEL применяются в Китае довольно часто. Однако многие дизайнеры сосредотачиваются только на «скорости широкополосного доступа», а улучшения, внесенные инструментами проектирования PROTEL для адаптации к изменениям характеристик устройства, не были использованы при проектировании, что не только приводит к увеличению потерь ресурсов инструмента проектирования. серьезно, что затрудняет использование отличной производительности многих новых устройств.

Ниже представлены некоторые специальные функции, которые может предоставить инструмент PROTEL99 SE.

(1) Провод между контактами устройства высокочастотной цепи должен быть как можно меньше изогнут. Лучше всего использовать полную прямую линию. Когда требуется изгиб, можно использовать изгибы под углом 45 ° или дуги, которые могут уменьшить внешнее излучение высокочастотных сигналов и взаимные помехи. Связь между. При использовании PROTEL для трассировки вы можете выбрать «45 градусов» или «Скругленный» в «Углы трассировки» в меню «Правила» в меню «Дизайн». Вы также можете использовать клавиши shift + пробел для быстрого переключения между строками.

(2) Чем короче провод между контактами устройства высокочастотной цепи, тем лучше.

PROTEL 99 Самый эффективный способ выполнить кратчайшую проводку – это назначить проводку для отдельных ключевых высокоскоростных сетей перед автоматическим подключением. «Топология маршрутизации» в «правилах» в меню «Дизайн»

Выберите самый короткий.

(3) Чередование слоев выводов между выводами устройств высокочастотной цепи должно быть как можно меньше. То есть, чем меньше переходных отверстий используется в процессе подключения компонентов, тем лучше.

Одно переходное отверстие может обеспечить распределенную емкость около 0.5 пФ, а уменьшение количества переходных отверстий может значительно увеличить скорость.

(4) При подключении высокочастотных цепей обратите внимание на «перекрестные помехи», создаваемые параллельным подключением сигнальной линии, то есть перекрестные помехи. Если параллельное распределение неизбежно, на противоположной стороне параллельной сигнальной линии можно расположить большую площадь «земли».

Чтобы значительно уменьшить помехи. Параллельная разводка в одном слое почти неизбежна, но в двух соседних слоях направление разводки должно быть перпендикулярно друг другу. Это несложно сделать в PROTEL, но легко упустить из виду. В «RouTIngLayers» в «Правилах» меню «Дизайн» выберите Horizontal для Toplayer и VerTIcal для BottomLayer. Кроме того, «Многоугольник» предоставляется в «месте».

Функция поверхности из медной фольги с полигональной сеткой, если вы поместите многоугольник как поверхность всей печатной платы и подключите эту медь к GND цепи, это может улучшить высокочастотную противоинтерференционную способность, она также имеет большие преимущества для рассеивания тепла и прочности печатной платы.

(5) Примите меры по ограждению заземляющих проводов для особо важных сигнальных линий или местных устройств. «Очертить выбранные объекты» предоставляется в «Инструменты», и эту функцию можно использовать для автоматического «обтекания земли» выбранных важных сигнальных линий (таких как колебательный контур LT и X1).

(6) Как правило, линия питания и линия заземления цепи шире, чем сигнальная линия. Вы можете использовать «Классы» в меню «Дизайн», чтобы классифицировать сеть, которая разделена на силовую и сигнальную. Удобно устанавливать правила электромонтажа. Переключите ширину линии электропередачи и сигнальной линии.

(7) Различные типы проводки не могут образовывать петлю, а заземляющий провод не может образовывать токовую петлю. Если создается замкнутая цепь, это вызовет много помех в системе. Для этого можно использовать метод гирляндной разводки, который может эффективно избежать образования петель, ответвлений или пней во время разводки, но также вызовет проблему непростой разводки.

(8) В соответствии с данными и конструкцией различных микросхем, оцените ток, пропускаемый цепью питания, и определите необходимую ширину провода. Согласно эмпирической формуле: W (ширина линии) ≥ L (мм / A) × I (A).

По току попробуйте увеличить ширину линии питания и уменьшить сопротивление контура. В то же время сделайте направление линии электропередачи и линии заземления согласованным с направлением передачи данных, что помогает улучшить противошумовые характеристики. При необходимости к линии электропередачи и заземлению можно добавить высокочастотный дроссель из феррита с медной проволокой, чтобы заблокировать распространение высокочастотного шума.

(9) Ширина разводки одной и той же сети должна быть одинаковой. Изменения в ширине линии вызовут неравномерное характеристическое сопротивление линии. При высокой скорости передачи будет происходить отражение, которого следует максимально избегать при проектировании. В то же время увеличьте толщину параллельных линий. Когда расстояние между центрами линии не превышает трехкратной ширины линии, 3% электрического поля может поддерживаться без взаимных помех, что называется принципом 70W. Таким образом, можно преодолеть влияние распределенной емкости и распределенной индуктивности, вызванное параллельными линиями.

4 Конструкция шнура питания и заземляющего провода

Чтобы решить проблему падения напряжения, вызванного шумом источника питания и полным сопротивлением линии, создаваемым высокочастотной цепью, необходимо полностью учитывать надежность системы питания в высокочастотной цепи. Как правило, существует два решения: первое – использовать технологию шины питания для проводки; другой – использовать отдельный слой источника питания. Для сравнения, процесс изготовления последнего сложнее и дороже. Следовательно, технология шины питания сетевого типа может использоваться для проводки, так что каждый компонент принадлежит разному контуру, а ток на каждой шине в сети имеет тенденцию быть сбалансированным, уменьшая падение напряжения, вызванное импедансом линии.

Мощность высокочастотной передачи относительно велика, вы можете использовать большую площадь меди и найти поблизости заземляющую пластину с низким сопротивлением для многократного заземления. Поскольку индуктивность заземляющего провода пропорциональна частоте и длине, полное сопротивление общего заземления будет увеличиваться при высокой рабочей частоте, что приведет к увеличению электромагнитных помех, создаваемых общим сопротивлением заземления, поэтому длина заземляющего провода равна должен быть как можно короче. Постарайтесь уменьшить длину сигнальной линии и увеличить площадь контура заземления.

Установите один или несколько высокочастотных развязывающих конденсаторов на питание и землю микросхемы, чтобы обеспечить близлежащий высокочастотный канал для переходного тока интегрированной микросхемы, чтобы ток не проходил через линию питания с большим контуром площадь, тем самым значительно уменьшая шум, излучаемый снаружи. В качестве разделительных конденсаторов выбирайте монолитные керамические конденсаторы с хорошими высокочастотными сигналами. Используйте танталовые конденсаторы большой емкости или полиэфирные конденсаторы вместо электролитических конденсаторов в качестве конденсаторов накопления энергии для зарядки схем. Поскольку распределенная индуктивность электролитического конденсатора велика, она недопустима для высоких частот. При использовании электролитических конденсаторов используйте их в паре с разделительными конденсаторами с хорошими высокочастотными характеристиками.

5 Другие методы проектирования высокоскоростных цепей

Согласование импеданса относится к рабочему состоянию, в котором импеданс нагрузки и внутренний импеданс источника возбуждения согласованы друг с другом для получения максимальной выходной мощности. Для высокоскоростной проводки на печатной плате, чтобы предотвратить отражение сигнала, полное сопротивление цепи должно быть 50 Ом. Это приблизительная цифра. Обычно предусмотрено, что основная полоса коаксиального кабеля составляет 50 Ом, полоса частот – 75 Ом, а скрученный провод – 100 Ом. Это просто целое число для удобства сопоставления. Согласно определенному анализу схемы, параллельное завершение переменного тока принимается, и сеть резистора и конденсатора используются в качестве полного сопротивления завершения. Согласующее сопротивление R должно быть меньше или равно импедансу Z0 линии передачи, а емкость C должна быть больше 100 пФ. Рекомендуется использовать многослойные керамические конденсаторы емкостью 0.1 мкФ. Конденсатор выполняет функцию блокировки низкой частоты и пропускания высокой частоты, поэтому сопротивление R не является нагрузкой постоянного тока источника возбуждения, поэтому этот метод завершения не требует потребления энергии постоянного тока.

Перекрестные помехи относятся к нежелательным помехам напряжения, вызванным электромагнитным взаимодействием с соседними линиями передачи, когда сигнал распространяется по линии передачи. Связь делится на емкостную и индуктивную. Чрезмерные перекрестные помехи могут вызвать ложное срабатывание схемы и привести к неправильной работе системы. По некоторым характеристикам перекрестных помех можно суммировать несколько основных методов уменьшения перекрестных помех:

(1) Увеличьте межстрочный интервал, уменьшите параллельную длину и при необходимости используйте метод толчковой разводки.

(2) Когда высокоскоростные сигнальные линии соответствуют условиям, добавление согласования оконечной нагрузки может уменьшить или устранить отражения, тем самым уменьшая перекрестные помехи.

(3) Для микрополосковых линий передачи и полосовых линий передачи ограничение высоты трассы в пределах диапазона над землей может значительно снизить перекрестные помехи.

(4) Когда позволяет пространство для проводки, вставьте заземляющий провод между двумя проводами с более серьезными перекрестными помехами, которые могут играть роль в изоляции и уменьшать перекрестные помехи.

Из-за отсутствия высокоскоростного анализа и руководства по моделированию в традиционных конструкциях печатных плат качество сигнала не может быть гарантировано, и большинство проблем не могут быть обнаружены до испытаний на изготовление пластин. Это значительно снижает эффективность конструкции и увеличивает стоимость, что явно невыгодно в условиях жесткой рыночной конкуренции. Поэтому для проектирования высокоскоростных печатных плат люди в отрасли предложили новую дизайнерскую идею, которая стала методом проектирования «сверху вниз». После разнообразного анализа и оптимизации политики удалось избежать большинства возможных проблем и добиться значительной экономии. Время, чтобы убедиться, что бюджет проекта соблюден, произведены высококачественные печатные платы и предотвращены утомительные и дорогостоящие ошибки при тестировании.

Использование дифференциальных линий для передачи цифровых сигналов является эффективной мерой контроля факторов, нарушающих целостность сигнала в высокоскоростных цифровых схемах. Дифференциальная линия на печатной плате эквивалентна паре дифференциальных интегральных СВЧ-линий передачи, работающих в квази-ТЕМ режиме. Среди них дифференциальная линия наверху или внизу печатной платы эквивалентна соединенной микрополосковой линии и расположена на внутреннем слое многослойной печатной платы. Дифференциальная линия эквивалентна поперечной соединенной полосовой линии. Цифровой сигнал передается по дифференциальной линии в нечетном режиме передачи, то есть разность фаз между положительным и отрицательным сигналами составляет 180 °, а шум передается по паре дифференциальных линий в общем режиме. Напряжение или ток схемы вычитаются, чтобы можно было получить сигнал для устранения синфазного шума. Низковольтный амплитудный или токовый выход дифференциальной линейной пары удовлетворяет требованиям высокоскоростной интеграции и низкого энергопотребления.

6 заключительных замечания

В связи с постоянным развитием электронных технологий совершенно необходимо понимать теорию целостности сигнала, чтобы направлять и проверять конструкцию высокоскоростных печатных плат. Некоторый опыт, обобщенный в этой статье, может помочь разработчикам высокоскоростных печатных плат сократить цикл разработки, избежать ненужных обходных путей и сэкономить трудовые и материальные ресурсы. Разработчики должны продолжать исследования и исследования в реальной работе, продолжать накапливать опыт и комбинировать новые технологии для разработки высокоскоростных печатных плат с превосходными характеристиками.