Präzisions-Leiterplattenherstellung, Hochfrequenz-Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und Leiterplattenbestückung.
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Design von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten auf Basis von PROTEL
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Design von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten auf Basis von PROTEL

2022-02-24
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Author:pcb

Im Prozess der Hochgeschwindigkeit gedruckte Leiterplatten Design, Einige Prinzipien im Zusammenhang mit Layout und Verkabelung, die bei der Verwendung der PROTEL-Designsoftware beachtet werden müssen, Einige praktische und bewährte High-Speed-Schaltungs-Layout und Verdrahtungstechniken bieten, Verbesserung des Designs von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten. Zuverlässigkeit und Gültigkeit. Die Ergebnisse zeigen, dass das Design den Produktentwicklungszyklus verkürzt und die Wettbewerbsfähigkeit des Marktes verbessert.

1. The question is raised
With the massive increase in the complexity and integration of electronic system Designs, Taktgeschwindigkeiten und Geräteanstiegszeiten werden immer schneller, und High-Speed-Schaltungsdesign ist ein wichtiger Teil des Entwurfsprozesses geworden. In Hochgeschwindigkeitsstrukturen, Die Induktivität und Kapazität auf der Leiterplatte können den Draht äquivalent zu einer Übertragungsleitung machen. Unsachgemäße Platzierung von Abschlusskomponenten oder falsche Weiterleitung von Hochgeschwindigkeitssignalen kann Probleme mit Übertragungsleitungseffekten verursachen, was zu einer falschen Datenausgabe aus dem System führt, unsachgemäßer Schaltungsbetrieb, oder gar keine Bedienung. Basierend auf dem Übertragungsleitungsmodell, Es kann geschlossen werden, dass die Übertragungsleitung negative Auswirkungen wie Signalreflexion hat, Übersprechen, elektromagnetische Störungen, Stromversorgung und Erdgeräusche zum Schaltungsdesign. Um eine Hochgeschwindigkeits- Leiterplatte die zuverlässig arbeiten können, Das Design muss vollständig und sorgfältig geprüft werden, um einige unzuverlässige Probleme zu lösen, die während des Layouts und der Verkabelung auftreten können, Verkürzung des Produktentwicklungszyklus, Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit des Marktes.

Leiterplatte

2. Layout design of high frequency system
In the Leiterplatte Entwurf der Schaltung, das Layout ist ein wichtiges Bindeglied, und die Qualität des Layoutergebnisses beeinflusst direkt die Wirkung der Verkabelung und die Zuverlässigkeit des Systems, was im gesamten Leiterplattendesign zeitaufwändig und schwierig ist. Die komplexe Umgebung der Hochfrequenz Leiterplatte erschwert die Nutzung der erlernten theoretischen Kenntnisse für die Auslegung des Hochfrequenzsystems. Es erfordert, dass die Layoutperson reiche Erfahrung in Hochgeschwindigkeit haben muss Leiterplatte Herstellung, um den Entwurfsprozess zu vermeiden. Umwege, Verbesserung der Zuverlässigkeit und Effektivität der Schaltungsarbeit. Im Prozess des Layouts, Der mechanische Aufbau sollte umfassend berücksichtigt werden, Wärmeableitung, elektromagnetische Störungen, Bequemlichkeit der zukünftigen Verkabelung, und Ästhetik. Erstens, Teilen Sie die Funktion der gesamten Schaltung vor dem Layout, Trennen Sie die Hochfrequenzschaltung von der Niederfrequenzschaltung, und trennen Sie die analoge Schaltung von der digitalen Schaltung. Vermeiden Sie die Übertragungsverzögerung, die durch den langen Draht verursacht wird, und die Entkopplungswirkung des Kondensators verbessern. Darüber hinaus, Achten Sie auf die relative Position und Ausrichtung von Stiften und Schaltungskomponenten und anderen Rohren, um gegenseitigen Einfluss zu reduzieren. Alle Hochfrequenzkomponenten sollten vom Chassis und anderen Metallplatten ferngehalten werden, um parasitäre Kupplungen zu reduzieren. Zweitens, Bei der Auslegung sollte auf die thermischen und elektromagnetischen Effekte zwischen Bauteilen geachtet werden. Diese Auswirkungen sind besonders schwerwiegend für Hochfrequenzsysteme, und Maßnahmen zu ergreifen sind, um sie fernzuhalten oder zu isolieren, Wärme und Abschirmung ableiten. Hochleistungsgleichrichterrohre und Einstellrohre sollten mit Heizkörpern ausgestattet und vom Transformator ferngehalten werden. Hitzebeständige Bauteile wie Elektrolytkondensatoren sollten von den Heizkomponenten ferngehalten werden, sonst wird der Elektrolyt getrocknet, was zu erhöhtem Widerstand und schlechter Leistung führt, die die Stabilität der Schaltung beeinträchtigen. Es sollte genügend Platz im Layout sein, um die Wachstruktur anzuordnen und die Einführung verschiedener parasitärer Kupplungen zu verhindern. Zur Vermeidung einer elektromagnetischen Kopplung zwischen den Spulen auf der Leiterplatte, Die beiden Spulen sollten rechtwinklig platziert werden, um den Kupplungskoeffizienten zu reduzieren. Das Verfahren der vertikalen Plattenisolierung kann auch verwendet werden. Verwenden Sie die Leitungen seiner Komponenten direkt zum Löten auf der Schaltung. Je kürzer die Führung, die bessere. Verwenden Sie keine Anschlüsse und Lötpads, weil es verteilte Kapazität und verteilte Induktivität zwischen benachbarten Lötpads gibt. Vermeiden Sie das Platzieren von Komponenten mit hohem Rauschen um den Kristalloszillator, RIN, Analogspannung, und Referenzspannungssignalspuren. Bei gleichzeitiger Gewährleistung der inhärenten Qualität und Zuverlässigkeit, unter Berücksichtigung der Gesamtästhetik, vernünftige Leiterplattenplanung, Komponenten sollten parallel oder senkrecht zur Leiterplattenoberfläche sein, und parallel oder senkrecht zur Hauptplatinenkante. Die Verteilung der Bauteile auf der Leiterplattenoberfläche sollte möglichst gleichmäßig sein, und die Dichte sollte gleich sein. Auf diese Weise, es ist nicht nur schön, aber auch einfach zu installieren und zu schweißen, und es ist einfach zu produzieren.

3. Wiring of high frequency system
In high-frequency circuits, die Verteilungsparameter des Widerstands, Kapazität, Induktivität und gegenseitige Induktivität der Anschlussdrähte können nicht ignoriert werden. Aus der Sicht der Interferenzbekämpfung, vernünftige Verdrahtung ist zu versuchen, den Leitungswiderstand zu verringern, Verteilte Kapazität und Streudinduktivität in der Schaltung. , das resultierende Streumagnetfeld wird bis zu einem gewissen Grad reduziert, so dass die verteilte Kapazität, Leckage magnetischer Fluss, elektromagnetische gegenseitige Induktivität und andere Störungen, die durch Rauschen der Schaltung verursacht werden, werden unterdrückt. Die Anwendung von PROTEL Design Tools ist in China recht verbreitet. Allerdings, Viele Designer konzentrieren sich nur auf die "Layoutrate", und die Verbesserungen, die an den PROTEL-Konstruktionswerkzeugen vorgenommen wurden, um sich an Änderungen der Geräteeigenschaften anzupassen, werden im Design nicht verwendet, Die Verschwendung von Ressourcen für Designwerkzeuge ist ernst, was es schwierig macht, die hervorragende Leistung vieler neuer Geräte auszuüben. Im Folgenden werden einige spezielle Funktionen vorgestellt, die PROTEL99 SE Tool bieten kann.
(1) The less the leads between the pins of the high-frequency circuit device are bent, die bessere. Verwenden Sie eine vollständige gerade Linie. Wenn es gebogen werden muss, Es kann mit einer 45° gefalteten Linie oder einem Kreisbogen gebogen werden, die externe Emission von Hochfrequenzsignalen und die gegenseitige Störung reduzieren kann. Kupplung. Beim Routing mit PROTEL, Wählen Sie 45-Grad oder abgerundet in "Routing Corners" im "Design" Menü "Regeln". You can also use the shift+space key to quickly switch between lines.
(2) The shorter the lead between the pins of the high-frequency circuit device, die bessere. Das effektive Mittel von PROTEL 99, um die Verkürzung der Verkabelung zu erfüllen, besteht darin, Verdrahtungsreservierungen für einzelne wichtige Hochgeschwindigkeitsnetze vor der automatischen Verkabelung vorzunehmen.. Wählen Sie die Kürzste in "Routing Topologie" im Menü "Design" aus..
(3) The less the alternation between the lead layers between the pins of the high-frequency circuit device, die bessere. Das ist, je weniger Durchkontaktierungen im Bauteilanschluss verwendet werden, die bessere. A via kann 0 bewirken.5pF der verteilten Kapazität, und die Verringerung der Anzahl der Durchgänge kann die Geschwindigkeit erheblich erhöhen.
(4) For high-frequency circuit wiring, Achten Sie auf die "Querstörung", die durch die parallele Verdrahtung von Signalleitungen verursacht wird. Wenn parallele Verteilung nicht vermieden werden kann, Eine große Fläche von "Masse" kann auf der gegenüberliegenden Seite der parallelen Signalleitungen angeordnet werden, um Störungen stark zu reduzieren. Parallele Linien in der gleichen Schicht sind fast unvermeidbar, aber in zwei nebeneinander liegenden Schichten, die Richtung der Linien muss senkrecht zueinander sein, was in PROTEL nicht schwer zu erreichen ist, aber leicht zu ignorieren ist. Im "Design" Menü "Regeln" in "RoutingLayers", Wählen Sie Horizontal für Toplayer und Vertikal für BottomLayer. Darüber hinaus, die Funktion "Polygonplane" wird in "place" bereitgestellt, das ist, die Polygongitter Kupferfolie Oberfläche. Wenn platziert, Das Polygon wird als eine Oberfläche der gesamten Leiterplatte genommen, und dieses Kupfer wird angewendet. Es ist mit dem GND der Schaltung verbunden, das die Hochfrequenz-Anti-Interferenz Fähigkeit verbessern kann, und hat auch große Vorteile für Wärmeableitung und Druckplattenstärke.
(5) Measures to be surrounded by ground wires are implemented for particularly important signal lines or local units. "Ausgewählte Objekte umreißen" finden Sie unter "Werkzeuge", which can be used to automatically "ground" the selected important signal lines (such as oscillator circuit LT and X1).
(6) Allgemein, Die Stromleitung und die Erdungsleitung der Schaltung sind breiter als die Signalleitung eingestellt. Sie können "Klassen" im Menü "Design" verwenden, um das Netzwerk in Stromnetz und Signalnetz zu klassifizieren. Es ist bequem, die Einstellung von Verdrahtungsregeln zu kombinieren. Schalten Sie die Leitungsbreite von Stromleitungen und Signalleitungen.
(7) All kinds of traces cannot form a loop, und der Erdungskabel kann keine Stromschleife bilden. Wenn eine Schleifenschaltung erzeugt wird, es wird große Störungen im System verursachen. In dieser Hinsicht, Eine Daisy-Chain Verdrahtungsmethode kann verwendet werden, die Bildung von Schleifen effektiv vermeiden kann, Äste oder Baumstümpfe während der Verdrahtung, aber es bringt auch das Problem der nicht einfachen Verkabelung.
(8) According to the data and design of various chips, Schätzen Sie den Strom, der durch die Stromleitung fließt und bestimmen Sie die erforderliche Drahtbreite. Nach der empirischen Formel, it can be obtained: W (line width) ≥ L (mm/A) × I (A). Entsprechend der aktuellen Größe, Versuchen Sie, die Breite der Stromleitung zu erhöhen, um den Schleifenwiderstand zu verringern. Zur gleichen Zeit, Die Richtung der Stromleitung und der Erdleitung ist konsistent mit der Richtung der Datenübertragung, das hilft, die Anti-Lärm-Fähigkeit zu verbessern. Wenn nötig, Eine Hochfrequenz-Drosselvorrichtung aus Kupferdraht gewickeltem Ferrit kann der Stromleitung und Erdungsleitung hinzugefügt werden, um die Leitung von Hochfrequenz-Rauschen zu blockieren.
(9) The wiring width of the same network should be kept the same. Die Änderung der Linienbreite führt zur ungleichmäßigen charakteristischen Impedanz der Linie. Wenn die Übertragungsgeschwindigkeit hoch ist, Reflexion wird auftreten, die möglichst vermieden werden sollten. Zur gleichen Zeit, die Linienbreite von parallelen Linien erhöhen. Wenn der Mittelabstand der Linien das 3-fache der Linienbreite nicht überschreitet, 70% des elektrischen Feldes kann ohne gegenseitige Störung gehalten werden, das sogenannte 3W-Prinzip. Auf diese Weise, Der Einfluss von verteilter Kapazität und verteilter Induktivität durch parallele Leitungen kann überwunden werden.

4. Design of power cord and ground wire
In order to solve the voltage drop caused by the power supply noise and line impedance introduced by the high frequency circuit, Die Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems im Hochfrequenzstromkreis muss vollständig berücksichtigt werden. Es gibt im Allgemeinen zwei Lösungen: eine ist, die Strombus-Technologie für die Verdrahtung zu verwenden; die andere ist, eine separate Stromversorgungsschicht zu verwenden. Im Vergleich, der Produktionsprozess von letzterem ist komplizierter und die Kosten sind teurer. Daher, Für die Verdrahtung kann eine netzwerkartige Strombus-Technologie eingesetzt werden, so dass jede Komponente zu einer anderen Schleife gehört, und die Ströme auf jedem Bus im Netz neigen dazu ausgeglichen zu sein, Verringerung des Spannungsabfallproblems, das durch die Leitungsimpedanz verursacht wird. Die Hochfrequenz-Übertragungsleistung ist relativ groß, und eine große Fläche von Kupfer kann verwendet werden, um eine niederohmige Masseebene in der Nähe für Mehrpunkt-Erdung zu finden. Weil die induktive Reaktanz der Masseleitung proportional zur Frequenz und Länge ist, Die gemeinsame Erdimpedanz erhöht sich, wenn die Betriebsfrequenz hoch ist, die elektromagnetische Störung, die durch die gemeinsame Erdimpedanz erzeugt wird, erhöht, so muss die Länge des Massedrahts so kurz wie möglich sein. Minimieren Sie die Länge der Signalleitungen und vergrößern Sie die Fläche der Erdschleife. Ein oder mehrere Hochfrequenz-Entkopplungskondensatoren werden an den Leistungs- und Masseanschlüssen des Chips eingestellt, um einen nahe gelegenen Hochfrequenzkanal für den transienten Strom des integrierten Chips bereitzustellen, so dass der Strom nicht durch die Stromversorgungsleitung mit einer großen Schleifenfläche fließt, Dadurch wird das abgestrahlte Geräusch stark reduziert. Es ist notwendig, einen monolithischen kapazitiven Keramikkondensator mit einem guten Hochfrequenzsignal als Entkopplungskondensator zu wählen. Verwenden Sie Tantalkondensatoren mit großer Kapazität oder Polyester-Kondensatoren anstelle von Elektrolytkondensatoren als Energiespeicherkondensatoren zum Aufladen von Schaltkreisen. Weil die verteilte Induktivität von Elektrolytkondensatoren groß ist, es ist unwirksam für hohe Frequenzen. Bei Verwendung von Elektrolytkondensatoren, Verwenden Sie sie paarweise mit Entkopplungskondensatoren mit guten Hochfrequenzeigenschaften.

5. Other high-speed circuit design technologies
Impedance matching refers to a working state in which the load impedance and the internal impedance of the excitation source are matched to each other to obtain the power output. Bei der Verdrahtung von Hochgeschwindigkeiten Leiterplattes, um Signalreflexion zu verhindern, die Impedanz der Leitung muss 50 Ωbetragen. Dies ist eine ungefähre Zahl. Generally, das Basisband des Koaxialkabels ist 50 Ω, das Frequenzband ist 75 Ω, und das verdrehte Paar ist 100 Ω. Es ist nur eine ganze Zahl, für die Bequemlichkeit des Abgleichs. Entsprechend der spezifischen Schaltungsanalyse, Parallele AC-Beendigung wird angenommen, und das Widerstand- und Kondensatorennetzwerk wird als Abschlussimpedanz verwendet. Der Abschlusswiderstand R sollte kleiner oder gleich der Übertragungsleitungsimpedanz Z0 sein, und der Kondensator C muss größer als 100 pF sein. Es wird empfohlen, eine 0.1UF Mehrschichtkondensator aus Keramik. Der Kondensator hat die Funktion, Niederfrequenz zu blockieren und Hochfrequenz zu übergeben, also ist der Widerstand R nicht die Gleichspannung der Antriebsquelle, so dass diese Beendigungsmethode keinen Gleichstromverbrauch hat. Übersprechen bezieht sich auf unerwünschte Spannungsrauschenstörungen an benachbarten Übertragungsleitungen aufgrund elektromagnetischer Kopplung, wenn sich ein Signal auf einer Übertragungsleitung ausbreitet. Kupplung wird in kapazitive Kupplung und induktive Kupplung unterteilt. Übermäßiges Übersprechen kann zu einer falschen Auslösung der Schaltung führen, was dazu führt, dass das System nicht ordnungsgemäß funktioniert. Nach einigen Merkmalen des Übersprechens, several main methods to reduce crosstalk can be summarized:
(1) Increase the line spacing, die Parallellänge reduzieren, und bei Bedarf Jog-Verdrahtung verwenden.
(2) When high-speed signal lines meet the conditions, Hinzufügen von Termination Matching kann Reflexionen reduzieren oder beseitigen, wodurch Übersprechen reduziert wird.
(3) For microstrip transmission lines and strip transmission lines, Das Übersprechen kann erheblich reduziert werden, indem die Höhe der Leiterbahnen höher als der Bereich der Bodenebene begrenzt wird.
(4) Under the condition that the wiring space allows, Einfügen eines Massedrahts zwischen die beiden Leitungen mit ernsthaftem Übersprechen, die die Rolle der Isolation spielen und das Übersprechen reduzieren können.
Aufgrund des Mangels an Hochgeschwindigkeitsanalyse und Simulationsführung in traditionellen Leiterplatte design, die Qualität des Signals kann nicht garantiert werden, und die meisten Probleme können erst nach dem Plattenherstellungstest gefunden werden. Dies reduziert die Entwurfseffizienz erheblich und erhöht die Kosten, was im harten Marktwettbewerb offensichtlich nachteilig ist. Daher, für die Auslegung von Hochgeschwindigkeits- Leiterplattes, Menschen in der Branche haben eine neue Designidee vorgeschlagen, die sich zu einer "top-down" Designmethode entwickelt hat. Nach verschiedenen Politikanalysen und Optimierungen, Die meisten möglichen Probleme wurden vermieden und viel Zeit gespart, Gewährleistung der Einhaltung der Projektbudgets, Herstellung hochwertiger Druckplatten, Vermeidung langwieriger und kostspieliger Prüffehler, etc. Die Verwendung von Differenzleitungen zur Übertragung digitaler Signale ist eine effektive Maßnahme zur Steuerung der Faktoren, die die Signalintegrität in digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen zerstören. Die Differenzialleitung auf der Leiterplatte entspricht dem differenziellen integrierten Übertragungsleitungspaar der Mikrowelle, das im Quasi-TEM-Modus arbeitet, wobei die Differenzlinie auf der oberen oder unteren Schicht der Leiterplatte entspricht der gekoppelten Mikrostreifenlinie, die sich auf der Mehrschicht befindet Leiterplatte. Eine Differenzlinie auf der inneren Schicht, äquivalent einer breitseitig gekoppelten Stripline. Wenn das digitale Signal auf der Differenzialleitung übertragen wird, Es handelt sich um ein ungerades Übertragungsverfahren, das ist, Die Phasendifferenz zwischen den positiven und negativen Signalen beträgt 180°, und das Rauschen wird auf ein Paar von Differenzlinien in Gleichtakt-Weise gekoppelt. Die Spannung oder der Strom der Schaltung wird subtrahiert, so dass das Signal erhalten werden kann, um Gleichtaktrauschen zu beseitigen. Die Niederspannungs-Amplitude oder stromgetriebene Ausgabe des Differenzleitungspaars realisiert die Anforderungen der Hochgeschwindigkeitsintegration und des niedrigen Stromverbrauchs.

6. Conclusion
With the continuous development of electronic technology, Es ist unerlässlich, die Theorie der Signalintegrität zu verstehen, und dann führen und überprüfen Sie das Design der Hochgeschwindigkeit Leiterplattes. Einige in diesem Artikel zusammengefasste Erfahrungen können High-Speed-Schaltung helfen Leiterplatte Designer verkürzen den Entwicklungszyklus, unnötige Umwege vermeiden, und Arbeitskräfte und materielle Ressourcen sparen. Designer müssen weiter forschen und erforschen in der tatsächlichen Arbeit, Erfahrungen sammeln, und neue Technologien kombinieren, um Hochgeschwindigkeits- Leiterplatte mit ausgezeichneter Leistung.