Präzisions-Leiterplattenherstellung, Hochfrequenz-Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und Leiterplattenbestückung.
PCB-Blog
Routing-Technologie verbessert die Integrität der eingebetteten Leiterplatte
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Routing-Technologie verbessert die Integrität der eingebetteten Leiterplatte

2022-03-08
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Author:pcb

1 Introduction
Printed circuit boards are the basic support of circuit components and devices in electronic products, und ihre Designqualität beeinflusst oft direkt die Zuverlässigkeit und Kompatibilität von Embedded Systemen. In the past, in einigen Low-Speed-Leiterplatten, the clock frequency was generally only about 10 MHz. Die größte Herausforderung beim Leiterplatten- oder GehäuseDesign bestand darin, alle Signalleitungen auf der Doppelschichtplatte zu routen und zu montieren, ohne das Gehäuse zu zerstören.. The electrical characteristics of the interconnects are not critical since the interconnects have not affected system performance. In diesem Sinne, the interconnect lines in the signal low-speed circuit board are unobstructed and transparent. Allerdings, with the development of embedded systems, Die verwendeten Schaltkreise sind grundsätzlich Hochfrequenzschaltungen. Due to the increase of the clock frequency, die ansteigende Kante des Signals wird ebenfalls verkürzt, and the capacitive and inductive reactance of the printed circuit to the passing signal will be much greater than The resistance of the printed circuit itself seriously affects the integrity of the signal. Für eingebettete Systeme, signal integrity effects become important when clock frequencies exceed 100 MHz or rising edges are less than 1 ns. Diese Arbeit geht von den tatsächlichen elektrischen Eigenschaften von Signalleitungen in digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen aus, establishes an electrical characteristics model, findet die Hauptgründe, die die Signalintegrität beeinflussen und wie die Probleme zu lösen sind, and gives the problems that should be paid attention to in the wiring and the methods and skills to follow.

Leiterplatte

2. Signal integrity
Generally, Es kann davon ausgegangen werden, dass die Signalintegrität folgende Bedeutungen umfassen sollte: Die Wellenformverzerrung des Signals sollte innerhalb eines bestimmten Bereichs gesteuert werden, the timing diagram of the signal flow can meet the logic requirements, und der Signalerzeugungs- und Übertragungsprozess ist stabil im Berstzustand. The destruction of signal integrity is mainly due to two reasons. Erstens, durch externe Störungen, especially the interference of the conduction channel, einschließlich des Reflexionseffekts, der durch die Impedanzanpassung des Übertragungskanals verursacht wird, the original waveform is destroyed; secondly, Ein spektraler Dispersionseffekt tritt auf, changing the original waveform. Wenn die Taktfrequenz relativ hoch ist, such as when the clock reaches 10MHz or more or the edge time of the pulse reaches 1ns or less, Wir werden feststellen, dass es nicht einfach ist, das Signal dorthin zu bringen, wo es erwartet wird. There are many factors that affect signal integrity issues, einschließlich Jitter , delay, Ground Bounce, reflections, Übersprechen, switching noise, Spannungsmangel, Dämpfung, Pulsdehnung, timing confusion, etc. Signal integrity issues always involve the entire process of the signal, Die Gewährleistung der Signalintegrität erfordert daher die physikalische Umgebung, in der das gesamte Signal arbeitet. To do this, Es ist notwendig, das Signalintegritätssystem zu modellieren. The signal integrity system model should include three parts: the complete signal source, der physikalische Koordinationskanal des Signals, and the complete reception of the signal. The main contents of the three parts are as follows:
(1) Complete signal source: ensure the integrity of the generated signal. These include power supply guarantee, Rauschfilterung, Bodenpotential, common mode elimination, Garantie der Ausgangsimpedanz, etc.
(2) The physical coordination channel of the signal: Ensure that the signal does not change during transmission. These include: crosstalk, Verzögerungen, channel dips, Reflexionen und Resonanzen, bandwidth, attenuation, impedance control, Schaltungsverbindung, and more.
(3) Complete signal reception: ensure high-efficiency reception without distortion. These include: input impedance matching, Erdungsverarbeitung, multi-terminal network mutual impedance, Entkopplungskondensatoren, filter capacitors, input network signal distribution and signal protection issues

2.1 Delay: Delay means that the signal is transmitted at a limited speed on the transmission line of the Leiterplatte. Das Signal wird vom Sender zum Empfänger gesendet, and there is a transmission delay in between. Signalverzögerungen haben einen Einfluss auf das Timing des Systems; Die Ausbreitungsverzögerungen werden primär durch die Länge des Drahtes und die Dielektrizitätskonstante des den Draht umgebenden Mediums bestimmt.. In a high-speed digital system, Die Länge der Signalübertragungsleitung ist ein direkter Faktor, der die Phasendifferenz der Taktimpulse beeinflusst. The phase difference of the clock pulses refers to the asynchronous time when the two clock signals generated at the same time arrive at the receiving end. Die Taktimpulsphasendifferenz reduziert die Vorhersagbarkeit des Eintreffens der Signalkante, and if the clock pulse phase difference is too large, Es wird ein falsches Signal am Empfangsende erzeugen.

2.2 Reflection: Reflection is the echo of the signal on the signal line. Wenn die Signalverzögerungszeit viel größer als die Signalübergangszeit ist, the signal line must be used as a transmission line. Wenn die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung nicht mit der Lastimpedanz übereinstimmt, a portion of the signal power (voltage or current) is transmitted to the line and reaches the load, aber ein Teil wird reflektiert. If the load impedance is smaller than the original impedance, die Reflexion negativ ist; sonst, the reflection is positive. Abweichungen in der Spurgeometrie, incorrect wire termination, Übertragung über Steckverbinder, and power plane discontinuities can all cause such reflections.

2.3 Crosstalk: Crosstalk is the coupling between two signal lines, die gegenseitige Induktivität und gegenseitige Kapazität zwischen den Signalleitungen, und das Rauschen auf der Signalleitung. Capacitive coupling induces coupling current, während induktive Kupplung Kupplungsspannung induziert. Crosstalk noise originates from electromagnetic coupling between signal lines, zwischen Signalsystemen und Stromverteilungssystemen, and between vias. Kreuzwicklung kann falsche Uhren verursachen, intermittent data errors, etc., and affect the transmission quality of adjacent signals. In Wirklichkeit, crosstalk cannot be completely eliminated, aber es kann innerhalb des Bereichs gesteuert werden, den das System tolerieren kann. The parameters of the PCB layer, der Abstand zwischen den Signalleitungen, the electrical characteristics of the driving end and the receiving end, und die Ausgangsbeendigungsmethode haben alle einen gewissen Einfluss auf das Übersprechen. When wiring high-speed Leiterplattes, if the wiring space is small or the wiring density is high, das Problem des Übersprechens ist sehr ernst, and the electromagnetic interference caused by it will seriously affect the signal of the circuit. Um Übersprechen zu reduzieren, the following measures can be taken during wiring: properly terminate the crosstalk-sensitive signal lines, und reduzieren Sie das Übersprechen durch Reduzierung der Kopplungskapazität durch Impedanzanpassung.

2.4 Überschuss und Unterschuss: Überschuss ist ein Peak- oder Talwert, der die eingestellte Spannung überschreitet. For the rising edge, es bezieht sich auf die Spannung; für die fallende Kante, it refers to the voltage. Undershot ist, wenn das nächste Tal oder Peak die eingestellte Spannung überschreitet. Excessive overshoot can cause the protection diode to operate, vorzeitiges Versagen. Excessive undershoot can cause spurious clock or data errors (misoperations).

2.5 Oszillation und Surround Oszillation: Oszillationsphänomene sind wiederholte Über- und Unterschieße. The oscillation of the signal is the oscillation caused by the inductance and capacitance of the transition on the line, der zum unterdämpften Zustand gehört, while the surrounding oscillation belongs to the over-damped state. Oszillation und Surround-Schwingungen, like reflections, werden durch viele Faktoren verursacht, and oscillations can be reduced by proper termination, kann aber nicht vollständig eliminiert werden. Ground bounce noise and return noise: When there is a large current surge in the circuit, es wird Bodenprallgeräusche verursachen. For example, wenn die Ausgänge einer großen Anzahl von Chips gleichzeitig eingeschaltet werden, there will be a large transient current between the chip and the board. Die Induktivität und der Widerstand des Chippakets und der Leistungsebene verursachen Stromversorgungsgeräusche, which will cause voltage fluctuations and changes on the true ground plane, und dieses Rauschen wird das Verhalten anderer Komponenten beeinflussen. The increase of the load capacitance, die Abnahme des Lastwiderstandes, the increase of the ground inductance, und die Zunahme der Anzahl der Schaltgeräte wird alle zur Zunahme des Bodenpralls führen.

3. Analysis of the electrical characteristics of the transmission channel
In a multi-layer Leiterplatte, most of the transmission lines are not only arranged on a single layer, aber auf mehreren Ebenen gestaffelt, and the layers are connected through vias. Daher, in a multi-layer Leiterplatte, Ein typischer Übertragungskanal besteht hauptsächlich aus drei Teilen: Übertragungsleitung, trace corner, und Durchgangsloch. Bei Niederfrequenzen, printed lines and trace vias can be regarded as ordinary electrical connections connecting pins of different devices, die keinen großen Einfluss auf die Signalqualität haben wird. However, bei hohen Frequenzen, traces, Ecken und Durchkontaktierungen sollten nicht nur ihre Konnektivität berücksichtigen, but also the influence of their electrical characteristics and parasitic parameters at high frequencies.

4. Analysis of electrical characteristics of transmission lines in high-speed Leiterplattes
In the design of high-speed Leiterplatte, it is inevitable to use a large number of signal connecting lines, und die Längen sind unterschiedlich. The delay time of the signal passing through the connecting line can not be ignored compared with the change time of the signal itself, und das Signal wird mit der Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen übertragen. For upstream transmission, Die Verbindungsleitung zu diesem Zeitpunkt ist ein komplexes Netzwerk mit Widerstand, capacitance, und Induktivität, which needs to be described by a distributed parameter system model, das ist, the transmission line model. Eine Übertragungsleitung wird verwendet, um ein Signal von einem Ende zum anderen zu übertragen und besteht aus 2-Drähten mit einer bestimmten Länge, one is called the signal path and the other is called the return path. In Niederfrequenzschaltungen, transmission lines behave as purely resistive electrical properties. Im Hochgeschwindigkeitsbereich Leiterplattes, mit zunehmender Frequenz des Sendesignals, the capacitive impedance between the wires decreases, und die induktive Impedanz auf den Drähten steigt, and the signal wire will no longer behave as a pure resistance, das ist, the signal will not only be transmitted on the wire, Es vermehrt sich auch im Medium zwischen Leitern. For a uniform wire, der Widerstand R, the parasitic inductance L and the parasitic capacitance C of the transmission line are evenly distributed (ie, L1=L2=…=Ln; C1=C2=…=Cn+1) without considering the external environment change.

5. Analyse der elektrischen Eigenschaften von Vias in Hochgeschwindigkeits Leiterplattes
Via, usually refers to a hole in a printed circuit board, ist ein wichtiger Faktor bei der Gestaltung von mehrschichtigen Leiterplattes. Vias können für die feste Installation von Steckkomponenten oder die Verbindung zwischen Schichten verwendet werden. From a process perspective, Vias werden im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt: Blinde Vias, buried vias, und durch Vias. Blind holes are located on the top and bottom surfaces of the printed circuit board, mit einer gewissen Tiefe, and are used for the connection of the surface layer circuit and the underlying inner layer circuit. Die Tiefe des Lochs und der Durchmesser des Lochs überschreiten normalerweise ein bestimmtes Verhältnis nicht. Buried vias refer to connection holes located in the inner layer of the printed circuit board, die sich nicht auf die Oberfläche der Leiterplatte erstrecken. Through-holes pass through the entire circuit board and can be used for interconnection between layers or as mounting holes for components. Weil das Durchgangsloch im Prozess einfacher zu realisieren ist und die Kosten niedriger sind, the general printed circuit board uses the through hole instead of the other two kinds of through holes. Die unten genannten Durchgangslöcher gelten als Durchgangslöcher. As a special transmission line, Durchkontaktierungen erzeugen nicht nur parasitäre Kapazität zur Masse, but also parasitic inductance in high-speed circuits. Der Einfluss der parasitären Kapazität des Durchgangs auf die Schaltung besteht hauptsächlich darin, die steigende Kante des digitalen Signals zu verlangsamen oder zu verschlechtern, reducing the speed of the circuit. Je kleiner der parasitäre Kapazitätswert des, the smaller the impact. Der Haupteffekt der über parasitäre Induktivität besteht darin, die Wirksamkeit des Stromversorgungs-Bypass-Kondensators zu verringern und den gesamten Stromversorgungs-Filtereffekt schlechter zu machen.

6. Contribution of transmission line corners to transmission channel signal integrity problems
When the printed line of the Leiterplatte passes through the corner, die Änderung der Breite der gedruckten Linie ist ja, und die charakteristische Impedanz der gedruckten Linie ändert sich auch. Since the width of the trace becomes wider when it passes the corner, die Kapazität zwischen der Spur und der Referenzschicht steigt, and the characteristic impedance of the trace decreases. Daher, there is a discontinuity of characteristic impedance at the corner of the printed line, was zur Reflexion des Signals auf der gedruckten Linie führt und die Signalintegrität beeinträchtigt. Comparison of reflection and transmission characteristics of corners of different geometric shapes: Common Leiterplatte Geometrien gedruckter Linien: Rechteckige Ecken, rounded corners, innen und außen 45-Grad abgeschrägte Ecken, and 45-degree outside beveled corners. Die Reflexions- und Transmissionseigenschaften der Ecken von Spuren unterschiedlicher Geometrien sind unterschiedlich. The order of excellent transmission characteristics is as follows: right angle < rounded corner < 45 degree bevel cut inside and outside < 45 degree outer bevel cut, und die Eckgeometrie der gedruckten Linie ist rechtwinklige Biegung und 45° äußerer Fasenschnitt. Below the frequency range of 2GH, Die Gleiseckengeometrie hat wenig Einfluss auf die Signalübertragungseigenschaften, and its effect increases significantly as the frequency increases, speziell für rechtwinklige Ecken. It is recommended that the corners of the trace be bent at a right angle with a 45-degree beveled geometry, die selbst weniger Einfluss auf die Signalintegrität hat. When the signal line width is narrow in a high-density circuit board, Die Verzögerungsansammlung, die durch die parasitäre Kapazität der Ecke verursacht wird, wird im Allgemeinen keinen großen Einfluss auf die Signalintegrität haben. But for high-frequency sensitive circuits, wie Hochfrequenz-Taktleitungen, the cumulative effect of corner parasitic capacitance should be considered.

7. Use wiring techniques to suppress signal integrity issues
When the signal is output from the drive source, Die Ströme und Spannungen, aus denen das Signal besteht, behandeln die Verbindung als Impedanznetz. As the signal propagates along the impedance network, Es erfährt ständig transiente Impedanzänderungen, die durch die Verbindung verursacht werden. Wenn die vom Signal gesehene Impedanz gleich bleibt, the signal is not distorted. Sobald sich die Impedanz ändert, the signal is reflected at the change and distorted as it travels through the rest of the interconnect. Wenn sich die Impedanz ausreichend ändert, the distortion can cause false triggering. Bei der Optimierung der Signalintegrität, an important design goal is to design all interconnect lines as uniform transmission lines, und die Länge aller ungleichmäßigen Übertragungsleitungen reduzieren, so that the impedance felt by the signals in the entire network remains unchanged. . Auf dieser Grundlage, it can be concluded that some methods of using wiring techniques to suppress signal integrity problems: the trace shape of the printed conductors should not be tangled, verzweigte oder harte Ecken, try to avoid T-shaped lines and stubs; try to keep the same network signal line. Linienbreite, reduce line width change; reduce transmission line length, Erhöhung der Drahtbreite; versuchen, den Abstand zwischen den Drähten zu erhöhen; Versuchen Sie, die Durchgänge und Ecken von Hochgeschwindigkeitssignalleitungen zu reduzieren, and reduce the inter-layer conversion of signal lines; reasonable selection of vias size; reduce signal loop area and loop current. Abschließend, any feature that changes the cross-section or network geometry will change the impedance seen by the signal. Der Schlüssel zur Verringerung von Signalintegritätsproblemen in der Verkabelung besteht darin, die plötzliche Änderung der Impedanz auf der Übertragungsleitung zu reduzieren, so that the impedance experienced by the signal in the entire network remains unchanged. Kurz gesagt, in the design of the Leiterplatte, Es ist notwendig, das Layout und die Verkabelung der Komponenten und die Lösung des Signalintegritätsproblems zu integrieren, das in jedem Fall verwendet werden sollte, so as to better solve the signal integrity problem of the Leiterplatte.

8. Conclusion
In today's wide application of embedded systems, Signalintegrität ist zu einem äußerst wichtigen Inhalt in der Leiterplatte design of embedded systems, Auswirkungen auf den Erfolg oder Misserfolg der gesamten Leiterplatte design. When the circuit is determined, die Komponenten werden ausgewählt, and the PCB layout is determined, Verdrahtungstechniken können verwendet werden, um das Auftreten von Signalintegritätsproblemen zu unterdrücken, improve the reliability of the Leiterplatte, und reduzieren Sie den Verlust, der durch Signalintegritätsprobleme verursacht wird. Aiming at the signal integrity problem caused by the high frequency environment of the embedded system Leiterplatte, Dieses Papier schlägt eine Methode vor, um es durch vernünftige Verdrahtung zu unterdrücken. Through the analysis of various signal integrity phenomena and the modeling and description of the electrical characteristics of transmission lines, Durchkontaktierungen und Ecken, Einige Methoden zur Verbesserung der Signalintegrität durch Verwendung von Verdrahtungsfähigkeiten in Leiterplatte design are concluded, die einen praktischen Referenzwert haben.