1 Питання

Із масштабним збільшенням складності конструкції та інтеграції електронних систем тактові частоти та час наростання пристрою стають все швидше й швидше, а високошвидкісна друкована плата 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.

Для того щоб спроектувати високошвидкісну друковану плату, яка може працювати надійно, проект повинен бути повністю і ретельно продуманий, щоб вирішити деякі ненадійні проблеми, які можуть виникнути під час компонування та маршрутизації, скоротити цикл розробки продукту та підвищити конкурентоспроможність на ринку.

Як використовувати інструменти проектування PROTEL для високошвидкісного проектування друкованих плат

2 Компоновка високочастотної системи

У розробці друкованої плати розкладка є важливою ланкою. Результат компонування безпосередньо вплине на ефект проводки та надійність системи, що є найбільш трудомістким і складним у всьому проектуванні друкованої плати. Складне середовище високочастотної друкованої плати ускладнює розробку компоновки високочастотної системи для використання набутих теоретичних знань. Це вимагає, щоб особа, яка розкладає, мати багатий досвід у виробництві високошвидкісних друкованих плат, щоб уникнути обхідних шляхів у процесі проектування. Підвищити надійність та ефективність роботи схем. У процесі компонування слід всебічно враховувати механічну структуру, тепловіддачу, електромагнітні перешкоди, зручність майбутньої проводки та естетику.

Перш за все, перед компонуванням вся схема розбивається на функції. Високочастотний ланцюг відокремлений від низькочастотного, а аналоговий і цифровий ланцюг розділені. Кожна функціональна схема розміщена якомога ближче до центру мікросхеми. Уникайте затримок передачі, викликаних надмірно довгими проводами, і покращуйте ефект розв’язки конденсаторів. Крім того, зверніть увагу на взаємне розташування та напрямки між контактами та компонентами схеми та іншими трубками, щоб зменшити їх взаємний вплив. Усі високочастотні компоненти повинні бути далеко від шасі та інших металевих пластин, щоб зменшити паразитне з’єднання.

По-друге, слід звернути увагу на тепловий та електромагнітний вплив між компонентами під час компонування. Ці ефекти є особливо серйозними для високочастотних систем, тому слід вживати заходів щодо утримання або ізоляції, тепла та екранування. Потужна випрямна трубка та регулювальна трубка повинні бути обладнані радіатором і триматися подалі від трансформатора. Жаростійкі компоненти, такі як електролітичні конденсатори, слід тримати подалі від нагрівальних компонентів, інакше електроліт висохне, що призведе до підвищення опору та поганої роботи, що вплине на стабільність ланцюга. У плануванні слід залишити достатньо місця, щоб облаштувати захисну конструкцію і запобігти запровадженню різних паразитних муфт. Щоб запобігти електромагнітному зв’язку між котушками на друкованій платі, дві котушки слід розташувати під прямим кутом, щоб зменшити коефіцієнт зв’язку. Також може бути використаний метод вертикальної пластинчастої ізоляції. Найкраще використовувати безпосередньо вивід компонента, який буде припаювати до схеми. Чим коротше відрив, тим краще. Не використовуйте роз’єми та паяльні язички, оскільки між сусідніми язиками для пайки є розподілена ємність та розподілена індуктивність. Уникайте розміщення високошумних компонентів навколо кварцевого генератора, RIN, аналогової напруги та сигналів опорної напруги.

Нарешті, забезпечуючи притаманну якість та надійність, беручи до уваги загальну красу, слід здійснити розумне планування друкованої плати. Компоненти повинні бути паралельні або перпендикулярні до поверхні плати, а також паралельні або перпендикулярні краю основної плати. Розподіл компонентів на поверхні плити має бути максимально рівномірним, а щільність – рівномірною. Таким чином, він не тільки красивий, але й легко збирається та зварюється, а також легко виготовляється масово.

3 Wiring of high frequency system

У високочастотних ланцюгах не можна ігнорувати параметри розподілу опору, ємності, індуктивності та взаємної індуктивності сполучних проводів. З точки зору захисту від перешкод, розумна проводка полягає в тому, щоб спробувати зменшити опір лінії, розподілену ємність та паразитну індуктивність у ланцюзі. , Утворене розсіяне магнітне поле зменшується до мінімуму, так що розподілена ємність, магнітний потік витоку, електромагнітна взаємна індуктивність та інші перешкоди, викликані шумом, пригнічуються.

Застосування інструментів проектування PROTEL у Китаї було досить поширеним. Однак багато дизайнерів зосереджуються лише на «швидкості широкосмугового доступу», а вдосконалення, зроблені інструментами проектування PROTEL для адаптації до змін характеристик пристрою, не були використані при проектуванні, що не тільки призводить до втрати ресурсів інструментів проектування більше серйозні, що ускладнює використання відмінної продуктивності багатьох нових пристроїв.

Нижче наведено деякі спеціальні функції, які може забезпечити інструмент PROTEL99 SE.

(1) Провід між контактами пристрою високочастотної схеми повинен бути зігнутий якомога менше. Найкраще використовувати повну пряму лінію. Коли потрібний вигин, можна використовувати вигини або дуги на 45°, які можуть зменшити зовнішнє випромінювання високочастотних сигналів і взаємні перешкоди. Зчеплення між. Використовуючи PROTEL для маршрутизації, ви можете вибрати 45 градусів або заокруглені в розділі «Кути маршрутизації» в меню «правила» меню «Дизайн». Ви також можете використовувати клавіші Shift + пробіл для швидкого перемикання між рядками.

(2) Чим коротший відвід між контактами пристрою високочастотної схеми, тим краще.

PROTEL 99 Найефективніший спосіб задовольнити найкоротші проводки – це домовитися про проведення окремих ключових високошвидкісних мереж перед автоматичним підключенням. «Топологія маршрутизації» в «правилах» у меню «Дизайн».

Виберіть найкоротший.

(3) Чергування шарів свинцю між контактами пристроїв високочастотної схеми якомога менше. Тобто, чим менше переходів використовується в процесі підключення компонентів, тим краще.

Один перехідний перехід може принести близько 0.5 пФ розподіленої ємності, а зменшення кількості переходів може значно збільшити швидкість.

(4) Для високочастотних ланцюгів зверніть увагу на «перехресні перешкоди», які вносяться паралельним проводом сигнальної лінії, тобто перехресні перешкоди. Якщо паралельного розподілу не уникнути, велика площа «землі» може бути розміщена на протилежній стороні паралельної сигнальної лінії

Щоб значно зменшити перешкоди. Паралельна проводка в одному шарі практично неминуча, але в двох сусідніх шарах напрямок проводки має бути перпендикулярним один одному. Це нескладно зробити в PROTEL, але це легко не помітити. У «RouTingLayers» у меню «Design» «правила» виберіть Horizontal для Toplayer і VerTIcal для BottomLayer. Крім того, «Polygonplane» передбачено в «place»

Функція поверхні полігональної сітки з мідної фольги, якщо ви розташуєте багатокутник як поверхню всієї друкованої плати та підключите цю мідь до GND схеми, це може покращити високочастотну здатність проти перешкод, він також має більше переваг для тепловіддачі та міцності друкарської плати.

(5) Впроваджуйте заходи із заземлення проводів для особливо важливих сигнальних ліній або місцевих підрозділів. «Начеркувати вибрані об’єкти» надається в «Інструментах», і цю функцію можна використовувати для автоматичного «обгортання заземлення» вибраних важливих сигнальних ліній (таких як коливальний контур LT і X1).

(6) Як правило, лінія живлення та лінія заземлення схеми ширші, ніж сигнальна лінія. Ви можете використовувати «Класи» в меню «Дизайн», щоб класифікувати мережу, яка поділяється на мережу живлення та мережу сигналів. Зручно встановлювати правила електропроводки. Змініть ширину лінії електропередачі та сигнальної лінії.

(7) Різні типи проводки не можуть утворювати петлю, а провід заземлення не може утворювати петлю струму. Якщо генерується ланцюг петлі, це спричинить багато перешкод у системі. Для цього можна використовувати шлейфовий метод розводки, який дозволяє ефективно уникнути утворення петель, гілок або пнів під час розводки, але також призведе до проблеми непростої проводки.

(8) За даними та конструкцією різних мікросхем оцініть струм, що пройшов ланцюгом живлення, і визначте необхідну ширину проводу. За емпіричною формулою: W (ширина лінії) ≥ L (мм/А) × I (A).

Відповідно до струму спробуйте збільшити ширину лінії електропередачі і зменшити опір шлейфа. У той же час узгоджуйте напрямок лінії електропередачі та лінії заземлення з напрямком передачі даних, що сприяє підвищенню захисту від шуму. При необхідності до лінії електропередачі та лінії заземлення можна додати високочастотний дросель, виготовлений із фериту з мідного дроту, щоб блокувати проведення високочастотного шуму.

(9) Ширина проводки однієї і тієї ж мережі повинна залишатися незмінною. Зміни ширини лінії призведуть до нерівномірного характеристичного опору лінії. Коли швидкість передачі висока, буде відбуватися відображення, якого слід уникати в міру можливості в конструкції. Одночасно збільшуйте ширину лінії паралельних ліній. Коли відстань між центрами лінії не перевищує в 3 рази ширину лінії, 70% електричного поля можна підтримувати без взаємних перешкод, що називається принципом 3W. Таким чином можна подолати вплив розподіленої ємності та розподіленої індуктивності, викликаної паралельними лініями.

4 Конструкція шнура живлення та проводу заземлення

Щоб вирішити падіння напруги, викликане шумом джерела живлення та опором лінії, що вноситься високочастотним ланцюгом, необхідно повністю розглянути надійність системи електроживлення у високочастотному колі. Загалом є два рішення: одне — використовувати технологію силової шини для підключення; інший – використовувати окремий шар живлення. Порівняно, процес виготовлення останнього складніший, а вартість дорожча. Таким чином, технологія мережевої шини живлення може бути використана для підключення, щоб кожен компонент належав до іншого контуру, а струм на кожній шині в мережі має тенденцію бути збалансованим, зменшуючи падіння напруги, викликане опором лінії.

Потужність високочастотної передачі відносно велика, ви можете використовувати велику площу міді і знайти поблизу заземлення з низьким опором для багаторазового заземлення. Оскільки індуктивність заземлювального проводу пропорційна частоті та довжині, загальний опір заземлення буде збільшено, коли робоча частота є високою, що збільшить електромагнітні перешкоди, створювані загальним опором заземлення, тому довжина дроту заземлення буде має бути якомога коротшим. Спробуйте зменшити довжину сигнальної лінії і збільшити площу контуру заземлення.

Встановіть один або кілька високочастотних розв’язувальних конденсаторів на живленні та землі мікросхеми, щоб забезпечити сусідній високочастотний канал для перехідного струму вбудованого чіпа, щоб струм не проходив через лінію живлення з великим контуром площі, тим самим значно зменшуючи шум, що випромінюється назовні. Вибирайте монолітні керамічні конденсатори з хорошими високочастотними сигналами в якості роз’єднувальних конденсаторів. Використовуйте танталові конденсатори великої ємності або поліефірні конденсатори замість електролітичних конденсаторів як накопичувачі енергії для зарядки ланцюга. Оскільки розподілена індуктивність електролітичного конденсатора велика, вона неприпустима для високої частоти. При використанні електролітичних конденсаторів використовуйте їх у парі з конденсаторами розв’язки з хорошими високочастотними характеристиками.

5 Інші методи проектування високошвидкісних схем

Узгодження імпедансу відноситься до робочого стану, в якому імпеданс навантаження і внутрішній опір джерела збудження адаптовані один до одного для отримання максимальної вихідної потужності. Для високошвидкісного підключення друкованої плати, щоб запобігти відображенню сигналу, опір схеми повинен бути 50 Ом. Це приблизна цифра. Як правило, передбачається, що смуга основної смуги коаксіального кабелю становить 50 Ом, смуга частот — 75 Ом, а скручений дріт — 100 Ом. Це просто ціле число для зручності зіставлення. Відповідно до аналізу конкретної схеми, прийнято паралельне завершення змінного струму, а мережа резисторів і конденсаторів використовуються як опір завершення. Опір завершення R має бути меншим або дорівнювати імпедансу лінії передачі Z0, а ємність C має бути більше 100 пФ. Рекомендується використовувати багатошарові керамічні конденсатори ємністю 0.1 мкФ. Конденсатор має функцію блокування низької частоти та проходження високої частоти, тому опір R не є навантаженням постійного струму джерела приводу, тому цей метод припинення не споживає постійний струм.

Перехресні перешкоди – це небажані перешкоди напруги, викликані електромагнітним зв’язком із сусідніми лініями передачі, коли сигнал поширюється по лінії передачі. Зв’язок поділяється на ємнісну та індуктивну. Надмірні перехресні перешкоди можуть спричинити помилкове спрацьовування ланцюга та призвести до несправності системи. Відповідно до деяких характеристик перехресних перешкод можна підсумувати кілька основних методів зменшення перехресних перешкод:

(1) Збільште міжрядковий інтервал, зменшіть довжину паралельності та, якщо необхідно, скористайтеся методом толчкового підключення.

(2) Коли високошвидкісні сигнальні лінії відповідають умовам, додавання узгодження завершення може зменшити або виключити відображення, тим самим зменшуючи перехресні перешкоди.

(3) Для мікросмугкових ліній передачі та смугових ліній передачі обмеження висоти траси в межах діапазону над площиною землі може значно зменшити перехресні перешкоди.

(4) Якщо простір для проводки дозволяє, вставте провід заземлення між двома проводами з більш серйозними перехресними перешкодами, які можуть зіграти роль ізоляції та зменшити перехресні перешкоди.

Через відсутність високошвидкісного аналізу та керівництва моделювання в традиційній конструкції друкованої плати якість сигналу не може бути гарантована, і більшість проблем не можна виявити до тесту на виготовлення пластин. Це значно знижує ефективність проектування та збільшує вартість, що, очевидно, невигідно в умовах жорсткої ринкової конкуренції. Тому для проектування високошвидкісних друкованих плат люди в галузі запропонували нову ідею дизайну, яка стала методом проектування «зверху вниз». Після різноманітного аналізу та оптимізації політики вдалося уникнути більшості можливих проблем і значно заощадити. Час для забезпечення виконання бюджету проекту, виготовлення високоякісних друкованих дощок і уникнення виснажливих і дорогих помилок при тестуванні.

Використання диференціальних ліній для передачі цифрових сигналів є ефективним заходом для контролю факторів, які руйнують цілісність сигналу у високошвидкісних цифрових схемах. Диференціальна лінія на друкованій платі еквівалентна парі диференціальної мікрохвильової інтегрованої лінії передачі, що працює в режимі квазі-ТЕМ. Серед них диференціальна лінія у верхній або нижній частині друкованої плати еквівалентна сполученій мікросмужкової лінії і розташована на внутрішньому шарі багатошарової друкованої плати. Цифровий сигнал передається по диференціальній лінії в непарному режимі передачі, тобто різниця фаз між позитивним і негативним сигналами становить 180°, а шум сполучається на парі диференціальних ліній в загальному режимі. Напруга або струм ланцюга віднімається, щоб отримати сигнал для усунення синфазних шумів. Низька амплітуда або струм приводу на виході пари диференціальних ліній відповідає вимогам високошвидкісної інтеграції та низького споживання енергії.

6 заключні зауваження

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.