1 Frågor

Med den storskaliga ökningen av designkomplexiteten och integrationen av elektroniska system, blir klockhastigheter och enheters stigtider snabbare och snabbare, och höghastighets-kretskort 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.

För att designa ett höghastighets PCB-kretskort som kan fungera tillförlitligt måste designen övervägas fullt ut och noggrant för att lösa vissa opålitliga problem som kan uppstå under layout och routing, förkorta produktutvecklingscykeln och förbättra marknadens konkurrenskraft.

Hur man använder PROTEL designverktyg för höghastighets PCB design

2 Layoutdesign av högfrekvenssystem

I kretsens PCB-design är layouten en viktig länk. Resultatet av layouten kommer direkt att påverka ledningseffekten och systemets tillförlitlighet, vilket är det mest tidskrävande och svåra i hela designen av kretskort. Den komplexa miljön med högfrekventa PCB gör layoutdesignen av högfrekvenssystemet svårt att använda den lärda teoretiska kunskapen. Det kräver att den som lägger ut måste ha rik erfarenhet av höghastighets-PCB-tillverkning, för att undvika omvägar i designprocessen. Förbättra tillförlitligheten och effektiviteten av kretsarbete. I layoutprocessen bör omfattande hänsyn tas till den mekaniska strukturen, värmeavledning, elektromagnetisk interferens, bekvämlighet med framtida ledningar och estetik.

Först och främst, före layout, är hela kretsen uppdelad i funktioner. Högfrekvenskretsen är separerad från lågfrekvenskretsen, och den analoga kretsen och den digitala kretsen är separerade. Varje funktionskrets placeras så nära mitten av chipet som möjligt. Undvik överföringsfördröjning orsakad av för långa ledningar och förbättra kondensatorernas frånkopplingseffekt. Var dessutom uppmärksam på de relativa positionerna och riktningarna mellan stiften och kretskomponenterna och andra rör för att minska deras inbördes påverkan. Alla högfrekventa komponenter bör vara långt borta från chassit och andra metallplattor för att minska parasitisk koppling.

För det andra bör uppmärksamhet ägnas åt de termiska och elektromagnetiska effekterna mellan komponenter under layouten. Dessa effekter är särskilt allvarliga för högfrekventa system, och åtgärder för att hålla borta eller isolera, värme och sköld bör vidtas. Högeffektslikriktarröret och justeringsröret bör utrustas med en radiator och hållas borta från transformatorn. Värmebeständiga komponenter som elektrolytiska kondensatorer bör hållas borta från värmekomponenter, annars kommer elektrolyten att torka ut, vilket resulterar i ökat motstånd och dålig prestanda, vilket kommer att påverka kretsens stabilitet. Tillräckligt utrymme bör lämnas i layouten för att ordna skyddsstrukturen och förhindra införandet av olika parasitkopplingar. För att förhindra elektromagnetisk koppling mellan spolarna på kretskortet bör de två spolarna placeras i rät vinkel för att minska kopplingskoefficienten. Metoden för vertikal plattisolering kan också användas. Det är bäst att direkt använda ledningen från komponenten som ska lödas till kretsen. Ju kortare led, desto bättre. Använd inte kontakter och lödflikar eftersom det finns fördelad kapacitans och fördelad induktans mellan intilliggande lödflikar. Undvik att placera komponenter med högt brus runt kristalloscillatorn, RIN, analog spänning och referensspänningssignalspår.

Slutligen, samtidigt som man säkerställer den inneboende kvaliteten och tillförlitligheten, samtidigt som man tar hänsyn till den övergripande skönheten, bör rimlig kretskortsplanering utföras. Komponenterna ska vara parallella eller vinkelräta mot kortets yta, och parallella eller vinkelräta mot huvudkortets kant. Fördelningen av komponenter på skivans yta bör vara så jämn som möjligt och densiteten bör vara konsekvent. På så sätt är det inte bara vackert, utan också lätt att montera och svetsa, och det är lätt att massproducera.

3 Wiring of high frequency system

I högfrekvenskretsar kan fördelningsparametrarna för motstånd, kapacitans, induktans och ömsesidig induktans för anslutningstrådarna inte ignoreras. Ur anti-interferensperspektiv är rimlig ledning att försöka minska linjeresistansen, fördelad kapacitans och strökinduktans i kretsen. , Det resulterande strömagnetiska fältet reduceras till ett minimum, så att den fördelade kapacitansen, läckagemagnetiskt flöde, elektromagnetisk ömsesidig induktans och andra störningar orsakade av brus undertrycks.

Tillämpningen av PROTEL designverktyg i Kina har varit ganska vanligt. Många designers fokuserar dock bara på “bredbandshastigheten”, och förbättringarna som gjorts av PROTELs designverktyg för att anpassa sig till förändringarna i enhetens egenskaper har inte använts i designen, vilket inte bara gör att slöseri med resurser för designverktyg är mer allvarligt, vilket gör det svårt för den utmärkta prestandan hos många nya enheter att få till stånd.

Följande introducerar några specialfunktioner som PROTEL99 SE-verktyget kan tillhandahålla.

(1) Ledningen mellan stiften på högfrekvenskretsanordningen bör böjas så lite som möjligt. Det är bäst att använda en hel rak linje. När böjning krävs kan 45°-böjar eller bågar användas, vilket kan minska den externa emissionen av högfrekventa signaler och ömsesidig interferens. Kopplingen mellan. När du använder PROTEL för routing kan du välja 45-grader eller Rounded i “Routing Corners” i “rules”-menyn i “Design”-menyn. Du kan också använda skift + mellanslagstangenterna för att snabbt växla mellan raderna.

(2) Ju kortare ledningen mellan stiften på högfrekvenskretsanordningen är, desto bättre.

PROTEL 99 Det mest effektiva sättet att möta den kortaste ledningsdragningen är att boka en ledningsbokning för individuella viktiga höghastighetsnätverk före automatisk ledningsdragning. “Routing Topology” i “regler” i “Design”-menyn

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) För högfrekvenskretsledningar, var uppmärksam på “korsinterferensen” som introduceras av signalledningens parallella ledningar, det vill säga överhörning. Om parallellfördelning är oundviklig kan en stor yta av “jord” anordnas på motsatt sida av den parallella signalledningen

För att kraftigt minska störningar. Parallelldragning i samma lager är nästan oundviklig, men i två intilliggande lager måste ledningarnas riktning vara vinkelräta mot varandra. Detta är inte svårt att göra i PROTEL men det är lätt att förbise. I “RoutingLayers” i “Design”-menyn “rules”, välj Horisontell för Topplayer och VerTIcal för BottomLayer. Dessutom tillhandahålls “Polygonplane” på “place”

Funktionen hos den polygonala rutnätets kopparfolieyta, om du placerar polygonen som en yta på hela det tryckta kretskortet och ansluter denna koppar till kretsens GND, kan det förbättra den högfrekventa anti-interferensförmågan, den har också större fördelar för värmeavledning och tryckpappers styrka.

(5) Genomför jordledningsskyddsåtgärder för särskilt viktiga signalledningar eller lokala enheter. “Skissa valda objekt” finns i “Verktyg”, och denna funktion kan användas för att automatiskt “linda marken” för de valda viktiga signallinjerna (som oscillationskrets LT och X1).

(6) Generellt är kretsens kraftledning och jordledning bredare än signalledningen. Du kan använda “Klasser” i “Design”-menyn för att klassificera nätverket, som är uppdelat i kraftnät och signalnät. Det är bekvämt att ställa in ledningsreglerna. Byt ledningsbredd på kraftledning och signalledning.

(7) Olika typer av ledningar kan inte bilda en slinga, och jordledningen kan inte bilda en strömslinga. Om en slingkrets genereras kommer det att orsaka mycket störningar i systemet. En kedjekopplingsmetod kan användas för detta, vilket effektivt kan undvika bildandet av slingor, grenar eller stubbar under ledningsdragningen, men det kommer också att orsaka problemet med inte lätt ledningsdragning.

(8) Enligt data och design av olika chips, uppskatta strömmen som passerar av strömförsörjningskretsen och bestäm den nödvändiga trådbredden. Enligt den empiriska formeln: W (linjebredd) ≥ L (mm/A) × I (A).

Enligt strömmen, försök att öka bredden på kraftledningen och minska slingmotståndet. Gör samtidigt kraftledningens och markledningens riktning förenlig med dataöverföringens riktning, vilket hjälper till att förbättra anti-brusförmågan. Vid behov kan en högfrekvent strypanordning gjord av koppartrådlindad ferrit läggas till kraftledningen och jordledningen för att blockera ledningen av högfrekvent brus.

(9) Ledningsbredden för samma nätverk bör hållas densamma. Variationer i linjebredd kommer att orsaka ojämn linjekarakteristisk impedans. När överföringshastigheten är hög uppstår reflektion, vilket bör undvikas så mycket som möjligt i designen. Öka samtidigt linjebredden på parallella linjer. När linjens centrumavstånd inte överstiger 3 gånger linjebredden kan 70 % av det elektriska fältet bibehållas utan ömsesidig interferens, vilket kallas 3W-principen. På detta sätt kan påverkan av distribuerad kapacitans och distribuerad induktans orsakad av parallella linjer övervinnas.

4 Design av nätsladd och jordkabel

För att lösa spänningsfallet som orsakas av strömförsörjningsbruset och linjeimpedansen som introduceras av högfrekvenskretsen, måste tillförlitligheten hos strömförsörjningssystemet i högfrekvenskretsen beaktas fullt ut. Det finns generellt två lösningar: den ena är att använda kraftbussteknik för kabeldragning; den andra är att använda ett separat strömförsörjningslager. I jämförelse är den senares tillverkningsprocess mer komplicerad och kostnaden är dyrare. Därför kan kraftbusstekniken av nätverkstyp användas för kabeldragning, så att varje komponent tillhör en annan slinga, och strömmen på varje buss i nätverket tenderar att vara balanserad, vilket minskar spänningsfallet orsakat av linjeimpedansen.

Den högfrekventa överföringseffekten är relativt stor, du kan använda ett stort område av koppar och hitta ett lågresistansjordplan i närheten för flera jordningar. Eftersom induktansen för jordledningen är proportionell mot frekvensen och längden, kommer den gemensamma jordimpedansen att öka när driftsfrekvensen är hög, vilket kommer att öka den elektromagnetiska störningen som genereras av den gemensamma jordimpedansen, så längden på jordledningen är måste vara så kort som möjligt. Försök att minska längden på signallinjen och öka arean på jordslingan.

Ställ in en eller flera högfrekventa avkopplingskondensatorer på kretsens ström och jord för att tillhandahålla en närliggande högfrekvenskanal för det integrerade chipets transientström, så att strömmen inte passerar genom strömförsörjningsledningen med en stor slinga område, vilket kraftigt minskar bullret som strålar ut till utsidan. Välj monolitiska keramiska kondensatorer med bra högfrekventa signaler som avkopplingskondensatorer. Använd tantalkondensatorer med stor kapacitet eller polyesterkondensatorer istället för elektrolytiska kondensatorer som energilagringskondensatorer för kretsladdning. Eftersom den fördelade induktansen hos elektrolytkondensatorn är stor är den ogiltig för hög frekvens. När du använder elektrolytiska kondensatorer, använd dem i par med frånkopplingskondensatorer med bra högfrekvensegenskaper.

5 Andra tekniker för design av höghastighetskretsar

Impedansmatchning hänvisar till ett arbetstillstånd där belastningsimpedansen och den interna impedansen hos excitationskällan är anpassade till varandra för att erhålla maximal uteffekt. För höghastighets-PCB-ledningar, för att förhindra signalreflektion, krävs att kretsens impedans är 50 Ω. Detta är en ungefärlig siffra. I allmänhet föreskrivs att koaxialkabelns basband är 50 Ω, frekvensbandet är 75 Ω och den tvinnade ledningen är 100 Ω. Det är bara ett heltal, för att underlätta matchningen. Enligt den specifika kretsanalysen antas den parallella AC-avslutningen, och motståndet och kondensatornätverket används som termineringsimpedans. Avslutningsresistansen R måste vara mindre än eller lika med transmissionsledningsimpedansen ZO, och kapacitansen C måste vara större än 0 pF. Det rekommenderas att använda 100UF flerlagers keramiska kondensatorer. Kondensatorn har funktionen att blockera låg frekvens och passera hög frekvens, så motståndet R är inte likströmsbelastningen för drivkällan, så denna avslutningsmetod har ingen likströmsförbrukning.

Överhörning hänvisar till den oönskade spänningsbrusinterferensen som orsakas av elektromagnetisk koppling till intilliggande transmissionsledningar när signalen utbreder sig på transmissionslinjen. Kopplingen är uppdelad i kapacitiv koppling och induktiv koppling. Överhörning kan orsaka falsk triggning av kretsen och göra att systemet inte fungerar normalt. Enligt vissa egenskaper hos överhörning kan flera huvudmetoder för att minska överhörning sammanfattas:

(1) Öka linjeavståndet, minska den parallella längden och använd joggmetoden för kabeldragning om det behövs.

(2) När höghastighetssignallinjer uppfyller villkoren, kan lägga till termineringsmatchning minska eller eliminera reflektioner och därigenom minska överhörning.

(3) För mikrostriptransmissionsledningar och bandtransmissionsledningar kan en begränsning av spårhöjden till inom området ovanför jordplanet minska överhörningen avsevärt.

(4) När ledningsutrymmet tillåter, sätt in en jordledning mellan de två ledningarna med mer allvarlig överhörning, vilket kan spela en roll i isoleringen och minska överhörningen.

På grund av bristen på höghastighetsanalys och simuleringsvägledning i traditionell PCB-design kan signalkvaliteten inte garanteras, och de flesta av problemen kan inte upptäckas förrän plåttillverkningstestet. Detta minskar designeffektiviteten avsevärt och ökar kostnaderna, vilket uppenbarligen är ofördelaktigt i den hårda konkurrensen på marknaden. Därför, för höghastighets-PCB-design, har människor i branschen föreslagit en ny designidé, som har blivit en “top-down” designmetod. Efter en mängd olika policyanalyser och optimering har de flesta möjliga problem undvikits och många besparingar har gjorts. Dags att se till att projektbudgeten hålls, högkvalitativa tryckta tavlor produceras och tråkiga och kostsamma testfel undviks.

Användningen av differentiallinjer för att överföra digitala signaler är en effektiv åtgärd för att kontrollera faktorer som förstör signalintegriteten i höghastighets digitala kretsar. Differentiallinjen på det tryckta kretskortet motsvarar ett differentiellt mikrovågsintegrerat transmissionsledningspar som arbetar i kvasi-TEM-läge. Bland dem är differentiallinjen på toppen eller botten av kretskortet ekvivalent med den kopplade mikrostriplinjen och är belägen på det inre lagret av flerskiktskretskortet. Differentiallinjen är ekvivalent med en bredsida kopplad remslinje. Den digitala signalen sänds på differentiallinjen i en udda överföringsmod, det vill säga fasskillnaden mellan de positiva och negativa signalerna är 180°, och bruset kopplas på ett par differentiallinjer i en gemensam mod. Spänningen eller strömmen i kretsen subtraheras, så att signalen kan erhållas för att eliminera common mode-brus. Lågspänningsamplituden eller strömdrivningsutgången från differentialledningsparet uppfyller kraven på höghastighetsintegration och låg effektförbrukning.

6 avslutande anmärkningar

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.