Câu hỏi 1

Với sự gia tăng quy mô lớn về độ phức tạp trong thiết kế và tích hợp các hệ thống điện tử, tốc độ đồng hồ và thời gian tăng thiết bị ngày càng nhanh hơn, và PCB tốc độ cao thiết kế đã trở thành một phần quan trọng của quá trình thiết kế. Trong thiết kế mạch tốc độ cao, độ tự cảm và điện dung trên đường dây của bảng mạch làm cho dây dẫn tương đương với đường dây tải điện. Việc bố trí sai các thành phần đầu cuối hoặc đấu dây tín hiệu tốc độ cao không chính xác có thể gây ra các vấn đề về hiệu ứng đường truyền, dẫn đến kết quả đầu ra dữ liệu từ hệ thống không chính xác, mạch hoạt động không bình thường hoặc thậm chí không hoạt động. Dựa trên mô hình đường truyền, tóm lại, đường truyền sẽ mang lại những ảnh hưởng xấu như phản xạ tín hiệu, nhiễu xuyên âm, nhiễu điện từ, cung cấp điện và nhiễu đất cho thiết kế mạch.

Để thiết kế một bảng mạch PCB tốc độ cao có thể hoạt động đáng tin cậy, thiết kế phải được xem xét đầy đủ và cẩn thận để giải quyết một số vấn đề không đáng tin cậy có thể xảy ra trong quá trình bố trí và định tuyến, rút ​​ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm và nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường.

Cách sử dụng các công cụ thiết kế PROTEL để thiết kế PCB tốc độ cao

2 Thiết kế bố trí của hệ thống tần số cao

Trong thiết kế PCB của mạch, bố cục là một mắt xích quan trọng. Kết quả của cách bố trí sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả đi dây và độ tin cậy của hệ thống, đây là điều khó khăn và tốn nhiều thời gian nhất trong toàn bộ thiết kế bảng mạch in. Môi trường phức tạp của PCB tần số cao làm cho việc thiết kế bố trí của hệ thống tần số cao trở nên khó khăn khi sử dụng các kiến ​​thức lý thuyết đã học. Nó đòi hỏi người sản xuất phải có kinh nghiệm phong phú trong sản xuất PCB tốc độ cao, để tránh đi đường vòng trong quá trình thiết kế. Nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của công việc mạch. Trong quá trình bố trí, cần xem xét toàn diện kết cấu cơ khí, tản nhiệt, nhiễu điện từ, sự thuận tiện của hệ thống dây điện sau này và tính thẩm mỹ.

Trước hết, trước khi bố trí, toàn bộ mạch được chia thành các chức năng. Mạch tần số cao được tách ra khỏi mạch tần số thấp, và mạch tương tự và mạch kỹ thuật số được tách biệt. Mỗi mạch chức năng được đặt càng gần tâm chip càng tốt. Tránh độ trễ truyền dẫn do dây dẫn quá dài và cải thiện hiệu quả tách của tụ điện. Ngoài ra, hãy chú ý đến các vị trí và hướng tương đối giữa các chân và các thành phần mạch và các ống khác để giảm ảnh hưởng lẫn nhau của chúng. Tất cả các thành phần tần số cao nên cách xa khung máy và các tấm kim loại khác để giảm hiện tượng ghép ký sinh.

Thứ hai, cần chú ý đến hiệu ứng nhiệt và điện từ giữa các thành phần trong quá trình bố trí. Những ảnh hưởng này đặc biệt nghiêm trọng đối với các hệ thống tần số cao, và cần thực hiện các biện pháp tránh xa hoặc cách ly, cách nhiệt và che chắn. Ống chỉnh lưu công suất cao và ống điều chỉnh phải được trang bị bộ tản nhiệt và để xa máy biến áp. Các linh kiện chịu nhiệt như tụ điện cần để xa linh kiện phát nhiệt, nếu không chất điện phân sẽ bị khô dẫn đến tăng điện trở và hoạt động kém, ảnh hưởng đến độ ổn định của mạch. Cần để lại đủ không gian trong bố trí để bố trí cấu trúc bảo vệ và ngăn chặn sự ra đời của các khớp nối ký sinh khác nhau. Để ngăn chặn sự ghép nối điện từ giữa các cuộn dây trên bảng mạch in, hai cuộn dây nên được đặt vuông góc với nhau để giảm hệ số ghép nối. Phương pháp cách ly tấm dọc cũng có thể được sử dụng. Tốt nhất là sử dụng trực tiếp dây dẫn của linh kiện cần hàn vào mạch. Càng ngắn càng tốt. Không sử dụng đầu nối và các mấu hàn vì có điện dung phân bố và điện cảm phân bố giữa các mấu hàn liền kề. Tránh đặt các thành phần nhiễu cao xung quanh dấu vết của bộ dao động tinh thể, RIN, điện áp tương tự và tín hiệu điện áp tham chiếu.

Cuối cùng, trong khi đảm bảo chất lượng và độ tin cậy vốn có, đồng thời tính đến vẻ đẹp tổng thể, cần tiến hành quy hoạch bảng mạch hợp lý. Các thành phần phải song song hoặc vuông góc với bề mặt bảng, và song song hoặc vuông góc với cạnh bảng chính. Sự phân bố của các thành phần trên bề mặt bảng phải đồng đều nhất có thể và mật độ phải nhất quán. Bằng cách này, nó không chỉ đẹp mà còn dễ lắp ráp và hàn, dễ sản xuất hàng loạt.

3 Đấu dây hệ thống tần số cao

Trong mạch cao tần, không thể bỏ qua các thông số phân bố điện trở, điện dung, độ tự cảm và độ tự cảm lẫn nhau của các dây nối. Từ góc độ chống nhiễu, cách đấu dây hợp lý là cố gắng giảm điện trở đường dây, điện dung phân bố và cảm kháng đi lạc trong mạch. , Từ trường lạc tạo thành được giảm đến mức tối thiểu, do đó điện dung phân bố, từ thông rò rỉ, điện cảm lẫn nhau điện từ và các nhiễu khác do tiếng ồn gây ra đều bị triệt tiêu.

Việc áp dụng các công cụ thiết kế PROTEL ở Trung Quốc đã khá phổ biến. Tuy nhiên, nhiều nhà thiết kế chỉ tập trung vào “tốc độ băng thông rộng”, và những cải tiến do các công cụ thiết kế PROTEL thực hiện để thích ứng với những thay đổi về đặc tính của thiết bị đã không được sử dụng trong thiết kế, điều này không chỉ làm lãng phí tài nguyên công cụ thiết kế nhiều hơn nghiêm trọng, điều này gây khó khăn cho việc phát huy hiệu suất tuyệt vời của nhiều thiết bị mới.

Sau đây giới thiệu một số chức năng đặc biệt mà công cụ PROTEL99 SE có thể cung cấp.

(1) Dây dẫn giữa các chân của thiết bị mạch cao tần phải được uốn cong càng ít càng tốt. Tốt nhất là sử dụng một đường thẳng đầy đủ. Khi cần uốn cong, có thể sử dụng uốn cong hoặc vòng cung 45 °, điều này có thể làm giảm sự phát ra bên ngoài của tín hiệu tần số cao và nhiễu lẫn nhau. Sự ghép nối giữa. Khi sử dụng PROTEL để định tuyến, bạn có thể chọn 45 độ hoặc Làm tròn trong “Góc định tuyến” trong menu “quy tắc” của menu “Thiết kế”. Bạn cũng có thể sử dụng phím shift + phím cách để nhanh chóng chuyển đổi giữa các dòng.

(2) Dây dẫn giữa các chân của thiết bị mạch cao tần càng ngắn càng tốt.

PROTEL 99 Cách hiệu quả nhất để đáp ứng đường dây ngắn nhất là hẹn đấu dây cho từng mạng tốc độ cao chính trước khi đấu dây tự động. “Cấu trúc liên kết RouTIng” trong “quy tắc” trong menu “Thiết kế”

Chọn ngắn nhất.

(3) Sự luân phiên của các lớp chì giữa các chân của thiết bị mạch cao tần càng nhỏ càng tốt. Nghĩa là, càng ít vias được sử dụng trong quá trình kết nối thành phần thì càng tốt.

Một qua có thể mang lại khoảng 0.5pF điện dung phân tán và việc giảm số lượng vias có thể làm tăng tốc độ đáng kể.

(4) Đối với hệ thống dây dẫn mạch tần số cao, hãy chú ý đến “nhiễu chéo” được giới thiệu bởi hệ thống dây song song của đường tín hiệu, tức là nhiễu xuyên âm. Nếu không thể tránh khỏi việc phân phối song song, có thể bố trí một khu vực “mặt đất” lớn ở phía đối diện của đường tín hiệu song song

Để giảm nhiễu đáng kể. Việc đấu dây song song trong cùng một lớp gần như không thể tránh khỏi, nhưng ở hai lớp liền kề thì hướng đi dây phải vuông góc với nhau. Điều này không khó thực hiện trong PROTEL nhưng rất dễ bị bỏ qua. Trong “RouTIngLayers” trong “quy tắc” menu “Design”, chọn Horizontal cho Toplayer và VerTIcal cho BottomLayer. Ngoài ra, “Polygonplane” được cung cấp tại “place”

Chức năng của bề mặt lá đồng dạng lưới đa giác, nếu bạn đặt đa giác làm bề mặt của toàn bộ bảng mạch in và kết nối đồng này với GND của mạch, nó có thể cải thiện khả năng chống nhiễu tần số cao, nó cũng có lợi ích lớn hơn cho tản nhiệt và độ bền của bảng in.

(5) Thực hiện các biện pháp bao vây dây nối đất đối với các đường dây tín hiệu đặc biệt quan trọng hoặc các đơn vị cục bộ. “Phác thảo đối tượng đã chọn” được cung cấp trong “Công cụ” và chức năng này có thể được sử dụng để tự động “quấn đất” cho các đường tín hiệu quan trọng đã chọn (chẳng hạn như mạch dao động LT và X1).

(6) Nói chung, đường dây nguồn và đường dây nối đất của mạch điện rộng hơn đường dây tín hiệu. Bạn có thể sử dụng “Lớp” trong menu “Thiết kế” để phân loại mạng, được chia thành mạng nguồn và mạng tín hiệu. Nó là thuận tiện để thiết lập các quy tắc đi dây. Chuyển đổi độ rộng đường dây của đường dây điện và đường dây tín hiệu.

(7) Các loại dây khác nhau không thể tạo thành một vòng, và dây nối đất không thể tạo thành một vòng hiện tại. Nếu tạo ra mạch vòng sẽ gây nhiễu rất nhiều cho hệ thống. Có thể áp dụng phương pháp nối dây chuỗi cúc để tránh hình thành các vòng dây, cành cây hoặc gốc cây trong quá trình đấu dây, nhưng nó cũng sẽ dẫn đến vấn đề đi dây không dễ dàng.

(8) Theo dữ liệu và thiết kế của các chip khác nhau, ước tính dòng điện chạy qua mạch cung cấp điện và xác định chiều rộng dây yêu cầu. Theo công thức kinh nghiệm: W (độ rộng dòng) ≥ L (mm / A) × I (A).

Theo dòng điện, cố gắng tăng chiều rộng của đường dây điện và giảm điện trở vòng. Đồng thời, làm cho hướng của đường dây điện và đường dây nối đất phù hợp với hướng truyền dữ liệu, giúp tăng cường khả năng chống nhiễu. Khi cần thiết, một thiết bị cuộn cảm tần số cao làm bằng ferit quấn dây đồng có thể được thêm vào đường dây điện và đường dây nối đất để chặn sự dẫn truyền của tiếng ồn tần số cao.

(9) Chiều rộng dây của cùng một mạng phải được giữ nguyên. Sự thay đổi về độ rộng của đường dây sẽ gây ra trở kháng đặc tính đường dây không đồng đều. Khi tốc độ truyền cao, hiện tượng phản xạ sẽ xảy ra, điều này nên tránh càng nhiều càng tốt trong thiết kế. Đồng thời, tăng độ rộng đường thẳng của các đường thẳng song song. Khi khoảng cách tâm đường dây không vượt quá 3 lần bề rộng đường dây thì 70% điện trường có thể được duy trì mà không có sự giao thoa lẫn nhau, nguyên lý này được gọi là nguyên lý 3W. Bằng cách này, có thể khắc phục được ảnh hưởng của điện dung phân bố và điện cảm phân bố do các đường thẳng song song gây ra.

4 Thiết kế dây nguồn và dây nối đất

Để giải quyết vấn đề sụt áp do nhiễu nguồn cung cấp và trở kháng đường dây do mạch cao tần đưa vào, phải xem xét đầy đủ độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện trong mạch cao tần. Nhìn chung có hai giải pháp: một là sử dụng công nghệ bus điện để đi dây; hai là sử dụng một lớp cấp nguồn riêng biệt. Trong khi đó, quy trình sản xuất sau này phức tạp hơn và chi phí đắt hơn. Do đó, công nghệ bus công suất kiểu mạng có thể được sử dụng để đấu dây, để mỗi thành phần thuộc một vòng lặp khác nhau, và dòng điện trên mỗi bus trong mạng có xu hướng cân bằng, giảm sụt áp do trở kháng đường dây gây ra.

Công suất truyền tải cao tần tương đối lớn, bạn có thể sử dụng diện tích đồng lớn, và tìm một mặt đất có điện trở thấp gần đó để nối đất nhiều lần. Vì độ tự cảm của dây nối đất tỷ lệ với tần số và chiều dài, trở kháng nối đất chung sẽ tăng khi tần số hoạt động cao, điều này sẽ làm tăng nhiễu điện từ do trở kháng nối đất tạo ra, do đó chiều dài của dây nối đất là yêu cầu càng ngắn càng tốt. Cố gắng giảm độ dài của đường tín hiệu và tăng diện tích của vòng nối đất.

Đặt một hoặc một số tụ điện tách tần số cao trên nguồn và mặt đất của chip để cung cấp kênh tần số cao gần đó cho dòng điện quá độ của chip tích hợp, sao cho dòng điện không đi qua đường dây cung cấp điện có vòng lặp lớn , do đó giảm đáng kể Tiếng ồn phát ra bên ngoài. Chọn tụ gốm nguyên khối có tín hiệu cao tần tốt làm tụ tách. Sử dụng tụ tantali công suất lớn hoặc tụ polyester thay vì tụ điện làm tụ lưu trữ năng lượng để sạc mạch. Vì điện cảm phân bố của tụ điện lớn nên tần số cao không có giá trị. Khi sử dụng tụ hóa, sử dụng chúng theo cặp với tụ tách có đặc tính cao tần tốt.

5 Kỹ thuật thiết kế mạch tốc độ cao khác

Kết hợp trở kháng đề cập đến trạng thái làm việc trong đó trở kháng tải và trở kháng bên trong của nguồn kích từ được điều chỉnh cho phù hợp với nhau để đạt được công suất đầu ra lớn nhất. Đối với hệ thống dây PCB tốc độ cao, để tránh phản xạ tín hiệu, trở kháng của mạch được yêu cầu là 50 Ω. Đây là một con số gần đúng. Nói chung, người ta quy định rằng băng gốc của cáp đồng trục là 50 Ω, dải tần là 75 Ω và dây xoắn là 100 Ω. Nó chỉ là một số nguyên, để thuận tiện cho việc so khớp. Theo phân tích mạch cụ thể, đầu cuối AC song song được sử dụng, và mạng điện trở và tụ điện được sử dụng làm trở kháng đầu cuối. Điện trở cuối R phải nhỏ hơn hoặc bằng trở kháng Z0 của đường truyền và điện dung C phải lớn hơn 100 pF. Khuyến nghị sử dụng tụ gốm đa lớp 0.1UF. Tụ điện có chức năng chặn tần số thấp và chặn tần số cao nên điện trở R không phải là tải một chiều của nguồn động lực nên phương pháp kết cuối này không có công suất tiêu thụ điện một chiều.

Crosstalk đề cập đến nhiễu nhiễu điện áp không mong muốn do ghép điện từ với các đường truyền lân cận khi tín hiệu truyền trên đường truyền. Khớp nối được chia thành khớp nối điện dung và khớp nối cảm ứng. Xuyên âm quá mức có thể gây ra kích hoạt sai mạch và khiến hệ thống không hoạt động bình thường. Theo một số đặc điểm của nhiễu xuyên âm, có thể tóm tắt một số phương pháp chính để giảm nhiễu xuyên âm:

(1) Tăng khoảng cách dòng, giảm chiều dài song song và sử dụng phương pháp nối dây nếu cần thiết.

(2) Khi các đường tín hiệu tốc độ cao đáp ứng các điều kiện, việc bổ sung kết hợp đầu cuối có thể giảm hoặc loại bỏ phản xạ, do đó giảm nhiễu xuyên âm.

(3) Đối với đường truyền microstrip và đường truyền dải, việc hạn chế chiều cao vết trong phạm vi trên mặt đất có thể làm giảm đáng kể nhiễu xuyên âm.

(4) Khi không gian đi dây cho phép, hãy chèn một dây nối đất giữa hai dây có nhiễu xuyên âm nghiêm trọng hơn, có thể đóng vai trò cách ly và giảm nhiễu xuyên âm.

Do thiếu hướng dẫn phân tích và mô phỏng tốc độ cao trong thiết kế PCB truyền thống, chất lượng tín hiệu không thể được đảm bảo và hầu hết các vấn đề không thể được phát hiện cho đến khi thử nghiệm chế tạo tấm. Điều này làm giảm đáng kể hiệu quả thiết kế và tăng giá thành, điều này rõ ràng là bất lợi trong thị trường cạnh tranh khốc liệt. Do đó, để thiết kế PCB tốc độ cao, những người trong ngành đã đề xuất một ý tưởng thiết kế mới, nó đã trở thành một phương pháp thiết kế “từ trên xuống”. Sau một loạt các phân tích và tối ưu hóa chính sách, hầu hết các vấn đề có thể xảy ra đã được tránh và tiết kiệm được rất nhiều. Thời gian để đảm bảo rằng ngân sách dự án được đáp ứng, các bảng in chất lượng cao được sản xuất, và tránh được các lỗi kiểm tra tẻ nhạt và tốn kém.

Việc sử dụng các dòng vi sai để truyền tín hiệu số là một biện pháp hữu hiệu để kiểm soát các yếu tố phá hủy tính toàn vẹn của tín hiệu trong các mạch số tốc độ cao. Đường truyền vi sai trên bảng mạch in tương đương với cặp đường truyền tích hợp vi ba làm việc ở chế độ gần như TEM. Trong số đó, dòng vi sai trên đỉnh hoặc dưới cùng của PCB tương đương với dòng microstrip được ghép nối và nằm ở lớp bên trong của PCB nhiều lớp. Dòng vi phân tương đương với dòng dải ghép rộng. Tín hiệu kỹ thuật số được truyền trên đường vi sai ở chế độ truyền theo phương thức lẻ, tức là độ lệch pha giữa tín hiệu dương và tín hiệu âm là 180 °, và nhiễu được ghép trên một cặp đường vi sai ở chế độ chung. Điện áp hoặc dòng điện của mạch được trừ đi, do đó có thể thu được tín hiệu để loại bỏ nhiễu chế độ thông thường. Biên độ điện áp thấp hoặc đầu ra truyền động hiện tại của cặp đường dây vi sai đáp ứng các yêu cầu của tích hợp tốc độ cao và tiêu thụ điện năng thấp.

6 nhận xét kết luận

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ điện tử, việc hiểu lý thuyết về tính toàn vẹn của tín hiệu là điều cấp thiết để hướng dẫn và xác minh thiết kế PCB tốc độ cao. Một số kinh nghiệm được đúc kết trong bài viết này có thể giúp các nhà thiết kế mạch PCB tốc độ cao rút ngắn chu kỳ phát triển, tránh đi đường vòng không cần thiết, tiết kiệm nhân lực và vật lực. Các nhà thiết kế phải tiếp tục nghiên cứu, tìm tòi trong thực tế công việc, tiếp tục tích lũy kinh nghiệm, kết hợp công nghệ mới để thiết kế ra các bảng mạch PCB tốc độ cao với hiệu suất tuyệt vời.