Làm thế nào để tránh hiệu ứng đường truyền trong PCB tốc độ cao thiết kế

1. Các phương pháp triệt tiêu nhiễu điện từ

Một giải pháp tốt cho vấn đề toàn vẹn tín hiệu sẽ cải thiện khả năng tương thích điện từ (EMC) của bảng mạch PCB. Một trong những điều quan trọng nhất là đảm bảo rằng bảng mạch PCB có tiếp đất tốt. Một lớp tín hiệu với một lớp mặt đất là một phương pháp rất hiệu quả cho các thiết kế phức tạp. Ngoài ra, giảm thiểu mật độ tín hiệu của lớp ngoài cùng của bảng mạch cũng là một cách tốt để giảm bức xạ điện từ. Phương pháp này có thể đạt được bằng cách sử dụng thiết kế PCB “tích hợp” công nghệ “diện tích bề mặt”. Lớp diện tích bề mặt đạt được bằng cách thêm sự kết hợp của các lớp cách nhiệt mỏng và các vi hạt được sử dụng để xuyên qua các lớp này trên PCB quy trình chung. Điện trở và điện dung có thể được chôn dưới bề mặt và mật độ tuyến tính trên một đơn vị diện tích tăng gần gấp đôi, do đó làm giảm thể tích của PCB. Việc giảm diện tích PCB có tác động rất lớn đến cấu trúc liên kết của định tuyến, có nghĩa là vòng lặp hiện tại bị giảm, độ dài của định tuyến nhánh giảm và bức xạ điện từ xấp xỉ tỷ lệ với diện tích của vòng hiện tại; Đồng thời, đặc điểm kích thước nhỏ có nghĩa là có thể sử dụng các gói pin mật độ cao, do đó làm giảm chiều dài của dây, do đó giảm vòng lặp hiện tại và cải thiện đặc tính emc.

2. Kiểm soát chặt chẽ chiều dài cáp của các cáp mạng chính

Nếu thiết kế có cạnh nhảy tốc độ cao, thì hiệu ứng đường truyền trên PCB phải được xem xét. Các chip mạch tích hợp nhanh có tốc độ xung nhịp cao thường được sử dụng ngày nay thậm chí còn nhiều vấn đề hơn. Có một số nguyên tắc cơ bản để giải quyết vấn đề này: nếu sử dụng mạch CMOS hoặc TTL để thiết kế, tần số hoạt động nhỏ hơn 10MHz và chiều dài dây không được lớn hơn 7 inch. Nếu tần số hoạt động là 50MHz, chiều dài cáp không được lớn hơn 1.5 inch. Chiều dài dây dẫn phải là 1 inch nếu tần số hoạt động đạt hoặc vượt quá 75MHz. Chiều dài dây tối đa cho chip GaAs nên là 0.3 inch. Nếu vượt quá mức này thì có sự cố đường truyền.

3. Lập kế hoạch phù hợp cấu trúc liên kết của hệ thống cáp

Một cách khác để giải quyết hiệu ứng đường truyền là chọn đúng đường dẫn định tuyến và cấu trúc liên kết đầu cuối. Cấu trúc liên kết cáp đề cập đến trình tự và cấu trúc của cáp mạng. Khi sử dụng các thiết bị logic tốc độ cao, tín hiệu có các cạnh thay đổi nhanh chóng sẽ bị méo bởi các nhánh của trục tín hiệu trừ khi chiều dài nhánh được giữ rất ngắn. Nói chung, định tuyến PCB thông qua hai cấu trúc liên kết cơ bản, đó là định tuyến Daisy Chain và phân phối theo hình sao.

Đối với hệ thống dây nối chuỗi, hệ thống dây bắt đầu từ đầu của trình điều khiển và lần lượt đến từng đầu nhận. Nếu một điện trở nối tiếp được sử dụng để thay đổi các đặc tính tín hiệu, thì vị trí của điện trở nối tiếp phải gần với đầu điều khiển. Cáp chuỗi Daisy là loại cáp tốt nhất trong việc kiểm soát nhiễu sóng hài cao của hệ thống cáp. Tuy nhiên, loại dây này có tốc độ truyền tải thấp nhất và không dễ vượt qua 100%. Trong thiết kế thực tế, chúng tôi muốn làm cho chiều dài nhánh trong hệ thống dây Daisy càng ngắn càng tốt và giá trị độ dài an toàn phải là: Stub Delay < = Trt * 0.1.

Ví dụ, các đầu nhánh trong mạch TTL tốc độ cao phải dài dưới 1.5 inch. Cấu trúc liên kết này chiếm ít không gian đi dây hơn và có thể được kết thúc bằng một kết hợp điện trở duy nhất. Tuy nhiên, cấu trúc dây dẫn này làm cho tín hiệu nhận ở các đầu thu tín hiệu khác nhau không đồng bộ.

Cấu trúc liên kết hình sao có thể tránh được vấn đề đồng bộ hóa tín hiệu đồng hồ một cách hiệu quả, nhưng rất khó để hoàn thành việc đấu dây thủ công trên PCB với mật độ cao. Sử dụng hệ thống cáp tự động là cách tốt nhất để hoàn thiện hệ thống cáp hình sao. Một điện trở đầu cuối được yêu cầu trên mỗi nhánh. Giá trị của điện trở đầu cuối phải phù hợp với trở kháng đặc trưng của dây. Điều này có thể được thực hiện bằng tay hoặc thông qua các công cụ CAD để tính toán các giá trị trở kháng đặc trưng và các giá trị điện trở phù hợp với thiết bị đầu cuối.

Trong khi các điện trở đầu cuối đơn giản được sử dụng trong hai ví dụ trên, trong thực tế, một thiết bị đầu cuối phù hợp phức tạp hơn là tùy chọn. Tùy chọn đầu tiên là thiết bị đầu cuối đấu RC. Các thiết bị đầu cuối kết hợp RC có thể giảm tiêu thụ điện năng, nhưng chỉ sử dụng được khi tín hiệu hoạt động tương đối ổn định. Phương pháp này phù hợp nhất để xử lý đối sánh tín hiệu đường đồng hồ. Điểm bất lợi là điện dung trong đầu nối RC có thể ảnh hưởng đến hình dạng và tốc độ lan truyền của tín hiệu.

Đầu cuối phù hợp với điện trở nối tiếp không tiêu thụ thêm điện năng, nhưng làm chậm quá trình truyền tín hiệu. Cách tiếp cận này được sử dụng trong các mạch điều khiển bằng xe buýt mà thời gian trễ không đáng kể. Thiết bị đầu cuối kết hợp điện trở nối tiếp cũng có ưu điểm là giảm số lượng thiết bị được sử dụng trên bo mạch và mật độ kết nối.

Phương pháp cuối cùng là tách đầu cuối khớp, trong đó phần tử khớp cần được đặt gần đầu nhận. Ưu điểm của nó là sẽ không kéo tín hiệu xuống, và có thể tránh nhiễu rất tốt. Thường được sử dụng cho các tín hiệu đầu vào TTL (ACT, HCT, FAST).

Ngoài ra, loại gói và kiểu lắp đặt của điện trở kết hợp đầu cuối phải được xem xét. Các điện trở gắn trên bề mặt SMD thường có độ tự cảm thấp hơn các thành phần xuyên lỗ, vì vậy các thành phần gói SMD được ưu tiên hơn. Cũng có hai chế độ cài đặt cho điện trở cắm thẳng thông thường: dọc và ngang.

Ở chế độ lắp thẳng đứng, điện trở có chốt lắp ngắn, điều này làm giảm nhiệt trở giữa điện trở và bảng mạch và làm cho nhiệt của điện trở dễ phát ra ngoài không khí hơn. Nhưng việc lắp đặt theo chiều dọc dài hơn sẽ làm tăng độ tự cảm của điện trở. Cài đặt ngang có điện cảm thấp hơn do cài đặt thấp hơn. Tuy nhiên, điện trở quá nóng sẽ bị trôi, và trong trường hợp xấu nhất, điện trở sẽ bị hở, dẫn đến việc kết nối dây PCB bị lỗi, trở thành một yếu tố gây hỏng hóc tiềm ẩn.

4. Các công nghệ áp dụng khác

Để giảm hiện tượng quá áp quá độ trên bộ nguồn IC, nên thêm tụ tách vào chip IC. Điều này có hiệu quả loại bỏ tác động của các gờ lên nguồn điện và giảm bức xạ từ vòng lặp nguồn trên bảng in.

Hiệu ứng làm mịn đường viền tốt nhất khi tụ điện tách được kết nối trực tiếp với chân cấp nguồn của mạch tích hợp chứ không phải với lớp cấp nguồn. Đây là lý do tại sao một số thiết bị có tụ tách trong ổ cắm của chúng, trong khi những thiết bị khác yêu cầu khoảng cách giữa tụ tách và thiết bị phải đủ nhỏ.

Bất kỳ thiết bị tiêu thụ điện năng cao và tốc độ cao nào cũng nên được đặt gần nhau nhất có thể để giảm điện áp cung cấp điện quá mức thoáng qua.

Không có lớp nguồn, các đường dây điện dài tạo thành một mạch vòng giữa tín hiệu và mạch vòng, đóng vai trò như một nguồn bức xạ và một mạch cảm ứng.

Cáp tạo thành một vòng lặp không đi qua cùng một cáp mạng hoặc cáp khác được gọi là vòng lặp mở. Nếu vòng lặp đi qua cùng một cáp mạng, các tuyến khác tạo thành một vòng khép kín. Trong cả hai trường hợp, hiệu ứng ăng-ten (ăng-ten đường dây và ăng-ten vòng) có thể xảy ra.