1 Soruları

Tasarım karmaşıklığındaki büyük ölçekli artış ve elektronik sistemlerin entegrasyonu ile saat hızları ve cihaz yükselme süreleri giderek daha hızlı hale geliyor ve yüksek hızlı PCB tasarım, tasarım sürecinin önemli bir parçası haline gelmiştir. Yüksek hızlı devre tasarımında, devre kartı hattındaki endüktans ve kapasitans, kabloyu bir iletim hattına eşdeğer kılar. Sonlandırma bileşenlerinin yanlış yerleşimi veya yüksek hızlı sinyallerin yanlış kablolanması, iletim hattı etkisi sorunlarına neden olarak sistemden yanlış veri çıkışına, anormal devre çalışmasına veya hatta hiç işlem yapılmamasına neden olabilir. Özetlemek gerekirse, iletim hattı modeline göre iletim hattı, devre tasarımına sinyal yansıması, karışma, elektromanyetik girişim, güç kaynağı ve toprak gürültüsü gibi olumsuz etkiler getirecektir.

Güvenilir bir şekilde çalışabilen yüksek hızlı bir PCB devre kartı tasarlamak için, yerleşim ve yönlendirme sırasında oluşabilecek bazı güvenilmez sorunları çözmek, ürün geliştirme döngüsünü kısaltmak ve pazar rekabet gücünü artırmak için tasarımın tam ve dikkatli bir şekilde düşünülmesi gerekir.

Yüksek hızlı PCB tasarımı için PROTEL tasarım araçları nasıl kullanılır?

2 Yüksek frekanslı sistemin yerleşim tasarımı

Devrenin PCB tasarımında yerleşim önemli bir bağlantıdır. Yerleşimin sonucu, tüm baskılı devre kartı tasarımında en çok zaman alan ve zor olan kablolama etkisini ve sistemin güvenilirliğini doğrudan etkileyecektir. Yüksek frekanslı PCB’nin karmaşık ortamı, yüksek frekanslı sistemin yerleşim tasarımını öğrenilen teorik bilgilerin kullanılmasını zorlaştırır. Tasarım sürecinde sapmaları önlemek için, ortaya koyan kişinin yüksek hızlı PCB üretiminde zengin deneyime sahip olması gerekir. Devre çalışmasının güvenilirliğini ve etkinliğini artırın. Yerleşim sürecinde mekanik yapıya, ısı dağılımına, elektromanyetik girişime, gelecekteki kablolama kolaylığına ve estetiğe kapsamlı bir önem verilmelidir.

Her şeyden önce, yerleşimden önce, tüm devre fonksiyonlara bölünmüştür. Yüksek frekans devresi, düşük frekans devresinden ayrılır ve analog devre ile dijital devre ayrılır. Her işlevsel devre, çipin merkezine mümkün olduğunca yakın yerleştirilir. Aşırı uzun kabloların neden olduğu iletim gecikmesinden kaçının ve kapasitörlerin ayrıştırma etkisini iyileştirin. Ek olarak, karşılıklı etkilerini azaltmak için pimler ve devre bileşenleri ve diğer borular arasındaki göreceli konumlara ve yönlere dikkat edin. Parazitik bağlantıyı azaltmak için tüm yüksek frekanslı bileşenler kasadan ve diğer metal plakalardan uzakta olmalıdır.

İkinci olarak, yerleşim sırasında bileşenler arasındaki termal ve elektromanyetik etkilere dikkat edilmelidir. Bu etkiler özellikle yüksek frekanslı sistemler için ciddidir ve uzak tutmak veya izole etmek, ısı ve kalkan gibi önlemler alınmalıdır. Yüksek güçlü doğrultucu boru ve ayar borusu bir radyatör ile donatılmalı ve transformatörden uzak tutulmalıdır. Elektrolitik kapasitörler gibi ısıya dayanıklı bileşenler, ısıtma bileşenlerinden uzak tutulmalıdır, aksi takdirde elektrolit kurur ve bu da devrenin stabilitesini etkileyecek şekilde artan direnç ve düşük performans ile sonuçlanır. Koruyucu yapıyı düzenlemek ve çeşitli parazitik bağlantıların girişini önlemek için yerleşimde yeterli alan bırakılmalıdır. Baskı devre kartı üzerindeki bobinler arasındaki elektromanyetik eşleşmeyi önlemek için, iki bobin, eşleşme katsayısını azaltmak için dik açılarda yerleştirilmelidir. Dikey plaka izolasyon yöntemi de kullanılabilir. Devreye lehimlenecek bileşenin ucunu doğrudan kullanmak en iyisidir. Kurşun ne kadar kısa olursa o kadar iyi. Bitişik lehim tırnakları arasında dağıtılmış kapasitans ve dağıtılmış endüktans olduğundan konektörler ve lehim tırnakları kullanmayın. Yüksek gürültülü bileşenleri kristal osilatör, RIN, analog voltaj ve referans voltaj sinyal izlerinin etrafına yerleştirmekten kaçının.

Son olarak, doğasında var olan kalite ve güvenilirliği sağlarken, genel güzelliği de göz önünde bulundurarak makul bir devre kartı planlaması yapılmalıdır. Bileşenler, pano yüzeyine paralel veya dik ve ana pano kenarına paralel veya dik olmalıdır. Bileşenlerin pano yüzeyindeki dağılımı mümkün olduğunca eşit olmalı ve yoğunluk tutarlı olmalıdır. Bu sayede sadece güzel değil, aynı zamanda montajı ve kaynaklanması da kolay ve seri üretimi kolaydır.

3 Yüksek frekanslı sistemin kablolaması

Yüksek frekanslı devrelerde, bağlantı tellerinin direnç, kapasitans, endüktans ve karşılıklı endüktans dağılım parametreleri göz ardı edilemez. Parazit önleme açısından, makul kablolama, devredeki hat direncini, dağıtılmış kapasitansı ve başıboş endüktansı azaltmaya çalışmaktır. , Ortaya çıkan başıboş manyetik alan minimuma düşürülür, böylece dağıtılmış kapasitans, kaçak manyetik akı, elektromanyetik karşılıklı endüktans ve gürültünün neden olduğu diğer parazitler bastırılır.

PROTEL tasarım araçlarının Çin’de uygulanması oldukça yaygın. Bununla birlikte, birçok tasarımcı sadece “geniş bant hızına” odaklanmaktadır ve PROTEL tasarım araçlarının cihaz özelliklerindeki değişikliklere uyum sağlamak için yaptığı iyileştirmeler tasarımda kullanılmamıştır, bu sadece tasarım aracı kaynaklarının israfını daha fazla hale getirmekle kalmaz. ciddi, bu da birçok yeni cihazın mükemmel performansının devreye alınmasını zorlaştırıyor.

Aşağıda, PROTEL99 SE aracının sağlayabileceği bazı özel fonksiyonlar tanıtılmaktadır.

(1) Yüksek frekanslı devre cihazının pinleri arasındaki kablo mümkün olduğunca az bükülmelidir. Tam düz bir çizgi kullanmak en iyisidir. Bükme gerektiğinde, yüksek frekanslı sinyallerin harici emisyonunu ve karşılıklı paraziti azaltabilen 45° dirsekler veya yaylar kullanılabilir. Arasındaki bağlantı. PROTEL’i yönlendirme için kullanırken, “Tasarım” menüsünün “Kurallar” menüsündeki “Yönlendirme Köşeleri”nden 45 Derece veya Yuvarlayı seçebilirsiniz. Satırlar arasında hızlıca geçiş yapmak için shift + boşluk tuşlarını da kullanabilirsiniz.

(2) Yüksek frekanslı devre cihazının pinleri arasındaki kablo ne kadar kısaysa o kadar iyidir.

PROTEL 99 En kısa kablolamayı karşılamanın en etkili yolu, otomatik kablolamadan önce tek tek yüksek hızlı ağlar için bir kablolama randevusu almaktır. “Tasarım” menüsündeki “kurallar”da “Yönlendirme Topolojisi”

En kısayı seçin.

(3) Yüksek frekanslı devre cihazlarının pinleri arasındaki kurşun tabakaların değişimi mümkün olduğunca küçüktür. Yani, bileşen bağlantı sürecinde ne kadar az yol kullanılırsa o kadar iyidir.

Bir yol yaklaşık 0.5pF dağıtılmış kapasitans getirebilir ve yolların sayısını azaltmak hızı önemli ölçüde artırabilir.

(4) Yüksek frekanslı devre kablolaması için, sinyal hattının paralel kablolamasının getirdiği “çapraz girişime”, yani karışmaya dikkat edin. Paralel dağıtım kaçınılmaz ise, paralel sinyal hattının karşı tarafında geniş bir “toprak” alanı düzenlenebilir.

Girişimi büyük ölçüde azaltmak için. Aynı katmandaki paralel kablolama neredeyse kaçınılmazdır, ancak iki bitişik katmanda kablolama yönü birbirine dik olmalıdır. PROTEL’de bunu yapmak zor değil ama gözden kaçırmak kolay. “Tasarım” menüsündeki “kurallar”daki “RoutingLayers”da, Toplayer için Horizontal ve BottomLayer için VerTIcal’i seçin. Ayrıca, “yer” içinde “Çokgen Düzlem” sağlanır.

Çokgen ızgara bakır folyo yüzeyinin işlevi, çokgeni tüm baskılı devre kartının yüzeyi olarak yerleştirirseniz ve bu bakırı devrenin GND’sine bağlarsanız, yüksek frekanslı parazit önleyici özelliği geliştirebilir, Ayrıca ısı dağılımı ve baskı tahtası mukavemeti için daha büyük faydalar.

(5) Özellikle önemli sinyal hatları veya yerel birimler için topraklama kablosu muhafaza önlemleri uygulayın. “Araçlar”da “seçilen nesnelerin ana hatlarını çizin” sağlanır ve bu işlev, seçilen önemli sinyal hatlarının (salınım devresi LT ve X1 gibi) otomatik olarak “toprağı sarmak” için kullanılabilir.

(6) Genellikle devrenin güç hattı ve topraklama hattı sinyal hattından daha geniştir. Güç şebekesi ve sinyal şebekesi olarak ikiye ayrılan şebekeyi sınıflandırmak için “Tasarım” menüsündeki “Sınıflar”ı kullanabilirsiniz. Kablolama kurallarını ayarlamak uygundur. Güç hattı ve sinyal hattının hat genişliğini değiştirin.

(7) Çeşitli kablolama türleri bir döngü oluşturamaz ve topraklama kablosu bir akım döngüsü oluşturamaz. Bir döngü devresi oluşturulursa, sistemde çok fazla parazite neden olur. Bunun için, kablolama sırasında ilmek, dal veya kütük oluşumunu etkili bir şekilde önleyebilen bir papatya zinciri kablolama yöntemi kullanılabilir, ancak bu aynı zamanda kolay olmayan kablolama sorununu da beraberinde getirecektir.

(8) Çeşitli çiplerin verilerine ve tasarımına göre, güç kaynağı devresinden geçen akımı tahmin edin ve gerekli tel genişliğini belirleyin. Ampirik formüle göre: W (çizgi genişliği) ≥ L (mm/A) × I (A).

Akım göre, güç hattının genişliğini artırmaya ve döngü direncini düşürmeye çalışın. Aynı zamanda, güç hattının yönünü ve toprak hattını, gürültü önleme kabiliyetini geliştirmeye yardımcı olan veri iletimi yönü ile tutarlı hale getirin. Gerektiğinde, yüksek frekanslı gürültünün iletimini engellemek için güç hattına ve toprak hattına bakır tel sarılı ferritten yapılmış yüksek frekanslı bir şok cihazı eklenebilir.

(9) Aynı ağın kablo genişliği aynı tutulmalıdır. Hat genişliğindeki değişiklikler, düzensiz hat karakteristik empedansına neden olur. İletim hızı yüksek olduğunda, tasarımda mümkün olduğunca kaçınılması gereken yansıma meydana gelecektir. Aynı zamanda paralel çizgilerin çizgi genişliğini artırın. Hat merkez mesafesi, hat genişliğinin 3 katını geçmediğinde, elektrik alanının %70’i, 3W prensibi olarak adlandırılan karşılıklı etkileşim olmadan korunabilir. Bu şekilde, paralel hatların neden olduğu dağıtılmış kapasitans ve dağıtılmış endüktansın etkisi aşılabilir.

4 Güç kablosu ve topraklama kablosu tasarımı

Yüksek frekans devresinin getirdiği güç kaynağı gürültüsü ve hat empedansının neden olduğu voltaj düşüşünü çözmek için, yüksek frekans devresindeki güç kaynağı sisteminin güvenilirliği tam olarak dikkate alınmalıdır. Genellikle iki çözüm vardır: biri kablolama için güç bus teknolojisini kullanmaktır; diğeri ise ayrı bir güç kaynağı katmanı kullanmaktır. Karşılaştırıldığında, ikincisinin üretim süreci daha karmaşıktır ve maliyeti daha pahalıdır. Bu nedenle, ağ tipi güç veri yolu teknolojisi, kablolama için kullanılabilir, böylece her bileşen farklı bir döngüye aittir ve ağdaki her veri yolu üzerindeki akım, hat empedansının neden olduğu voltaj düşüşünü azaltarak dengelenme eğilimindedir.

Yüksek frekanslı iletim gücü nispeten büyüktür, geniş bir bakır alanı kullanabilir ve çoklu topraklama için yakınlarda düşük dirençli bir yer düzlemi bulabilirsiniz. Topraklama kablosunun endüktansı frekans ve uzunlukla orantılı olduğundan, çalışma frekansı yüksek olduğunda ortak toprak empedansı artacaktır, bu da ortak toprak empedansı tarafından üretilen elektromanyetik girişimi artıracaktır, bu nedenle topraklama kablosunun uzunluğu mümkün olduğunca kısa olması gerekmektedir. Sinyal hattının uzunluğunu azaltmaya ve topraklama döngüsünün alanını artırmaya çalışın.

Entegre çipin geçici akımı için yakın bir yüksek frekanslı kanal sağlamak için çipin gücü ve toprağı üzerinde bir veya birkaç yüksek frekanslı dekuplaj kondansatörü ayarlayın, böylece akım büyük bir döngü ile güç kaynağı hattından geçmez alan, böylece büyük ölçüde azaltır Gürültü dışarıya yayılır. Dekuplaj kapasitörleri olarak iyi yüksek frekanslı sinyallere sahip monolitik seramik kapasitörleri seçin. Devre şarjı için enerji depolama kapasitörleri olarak elektrolitik kapasitörler yerine büyük kapasiteli tantal kapasitörler veya polyester kapasitörler kullanın. Elektrolitik kapasitörün dağıtılmış endüktansı büyük olduğundan, yüksek frekans için geçersizdir. Elektrolitik kapasitörler kullanırken, bunları iyi yüksek frekans özelliklerine sahip ayırma kapasitörleriyle çiftler halinde kullanın.

5 Diğer yüksek hızlı devre tasarım teknikleri

Empedans eşleştirme, maksimum güç çıkışını elde etmek için yük empedansı ve uyarı kaynağının iç empedansının birbirine uyarlandığı bir çalışma durumunu ifade eder. Yüksek hızlı PCB kablolama için sinyal yansımasını önlemek için devrenin empedansının 50 Ω olması gerekir. Bu yaklaşık bir rakamdır. Genel olarak, koaksiyel kablonun temel bandının 50 Ω, frekans bandının 75 Ω ve bükümlü telin 100 Ω olması şart koşulmuştur. Eşleştirme kolaylığı için sadece bir tamsayıdır. Spesifik devre analizine göre, paralel AC sonlandırma benimsenir ve sonlandırma empedansı olarak direnç ve kapasitör ağı kullanılır. Sonlandırma direnci R, iletim hattı empedansı Z0’dan küçük veya ona eşit olmalı ve kapasitans C, 100 pF’den büyük olmalıdır. 0.1UF çok katmanlı seramik kapasitörlerin kullanılması tavsiye edilir. Kondansatör, düşük frekansı bloke etme ve yüksek frekansı geçirme işlevine sahiptir, bu nedenle direnç R, sürücü kaynağının DC yükü değildir, bu nedenle bu sonlandırma yönteminin herhangi bir DC güç tüketimi yoktur.

Çapraz konuşma, sinyal iletim hattında yayıldığında, bitişik iletim hatlarına elektromanyetik bağlantının neden olduğu istenmeyen voltaj parazit girişimini ifade eder. Kuplaj, kapasitif kuplaj ve endüktif kuplaj olarak ikiye ayrılır. Aşırı karışma, devrenin yanlış tetiklenmesine ve sistemin normal çalışmamasına neden olabilir. Karışmanın bazı özelliklerine göre, karışmayı azaltmak için birkaç ana yöntem özetlenebilir:

(1) Satır aralığını artırın, paralel uzunluğu azaltın ve gerekirse kablolama için jog yöntemini kullanın.

(2) Yüksek hızlı sinyal hatları koşulları karşıladığında, sonlandırma eşleştirmesinin eklenmesi yansımaları azaltabilir veya ortadan kaldırabilir, böylece karışmayı azaltabilir.

(3) Mikroşerit iletim hatları ve şerit iletim hatları için, iz yüksekliğini yer düzlemi üzerindeki aralık içinde sınırlamak, karışmayı önemli ölçüde azaltabilir.

(4) Kablolama alanı izin verdiğinde, iki kablo arasına, izolasyonda rol oynayabilecek ve paraziti azaltabilecek daha ciddi karışmaya sahip bir topraklama kablosu yerleştirin.

Geleneksel PCB tasarımında yüksek hızlı analiz ve simülasyon rehberliğinin olmaması nedeniyle, sinyal kalitesi garanti edilemez ve sorunların çoğu plaka yapım testine kadar keşfedilemez. Bu, tasarım verimliliğini büyük ölçüde azaltır ve şiddetli pazar rekabetinde açıkça dezavantajlı olan maliyeti artırır. Bu nedenle, yüksek hızlı PCB tasarımı için sektördeki insanlar, “yukarıdan aşağıya” bir tasarım yöntemi haline gelen yeni bir tasarım fikri önerdiler. Çeşitli politika analizi ve optimizasyonundan sonra, olası sorunların çoğundan kaçınılmış ve çok fazla tasarruf sağlanmıştır. Proje bütçesinin karşılanmasını, yüksek kaliteli baskılı panoların üretilmesini ve sıkıcı ve maliyetli test hatalarının önüne geçilmesini sağlama zamanı.

Dijital sinyalleri iletmek için diferansiyel hatların kullanılması, yüksek hızlı dijital devrelerde sinyal bütünlüğünü bozan faktörleri kontrol etmek için etkili bir önlemdir. Baskı devre kartındaki diferansiyel hat, yarı-TEM modunda çalışan diferansiyel mikrodalga entegre iletim hattı çiftine eşdeğerdir. Bunların arasında, PCB’nin üstündeki veya altındaki diferansiyel hattı, birleştirilmiş mikroşerit hattına eşdeğerdir ve çok katmanlı PCB’nin iç tabakasında bulunur. Diferansiyel hattı, geniş kenarlı birleştirilmiş şerit hattına eşdeğerdir. Dijital sinyal, tek modlu bir iletim modunda diferansiyel hatta iletilir, yani pozitif ve negatif sinyaller arasındaki faz farkı 180°’dir ve gürültü ortak modda bir çift diferansiyel hat üzerinde birleştirilir. Devrenin voltajı veya akımı çıkarılır, böylece ortak mod gürültüsünü ortadan kaldırmak için sinyal elde edilebilir. Diferansiyel hat çiftinin düşük voltaj genliği veya akım sürücü çıkışı, yüksek hızlı entegrasyon ve düşük güç tüketimi gereksinimlerini karşılar.

6 sonuç açıklaması

Elektronik teknolojisinin sürekli gelişimi ile, yüksek hızlı PCB’lerin tasarımını yönlendirmek ve doğrulamak için sinyal bütünlüğü teorisini anlamak zorunludur. Bu makalede özetlenen bazı deneyimler, yüksek hızlı devre PCB tasarımcılarının geliştirme döngüsünü kısaltmasına, gereksiz sapmalardan kaçınmasına ve insan gücü ve malzeme kaynaklarından tasarruf etmesine yardımcı olabilir. Tasarımcılar, gerçek çalışmada araştırmaya ve keşfetmeye devam etmeli, deneyim biriktirmeye devam etmeli ve mükemmel performansa sahip yüksek hızlı PCB devre kartları tasarlamak için yeni teknolojileri birleştirmelidir.