Leiterplatte Blog - Routing-Technologie verbessert die Integrität der eingebetteten Leiterplatte

1 EinleitungLeiterplatten sind die grundlegende Unterstützung von Schaltungskomponenten und Geräten in elektronischen Produkten, und ihre Konstruktionsqualität beeinflusst oft direkt die Zuverlässigkeit und Kompatibilität von Embedded-Systemen. In der Vergangenheit lag die Taktfrequenz bei einigen Low-Speed-Leiterplatten in der Regel nur bei 10 MHz. Die Hauptherausforderung bei der Leiterplatte oder dem Verpackungsdesign bestand darin, alle Signalleitungen auf der Doppelschichtplatte zu routieren und zu montieren, ohne das Verpackung zu zerstören. Die elektrischen Eigenschaften der Verbindungen sind nicht kritisch, da die Verbindungen die Systemleistung nicht beeinflusst haben. In diesem Sinne sind die Verbindungsleitungen in der Signalreichgeschwindigkeitsplattform ungehindert und transparent. Bei der Entwicklung von Embedded-Systemen handelt es sich jedoch grundsätzlich um Hochfrequenzschaltungen. Durch die Erhöhung der Taktfrequenz wird auch die steigende Kante des Signals verkürzt, und die kapazitive und induktive Reaktanz der gedruckten Schaltung zum passierenden Signal wird viel größer sein als der Widerstand der gedruckten Schaltung selbst beeinflusst die Integrität des Signals ernsthaft. Für Embedded-Systeme werden Signalintegritätseffekte wichtig, wenn Taktfrequenzen über 100 MHz oder steigende Kanten weniger als 1 ns liegen. Dieses Papier geht von den tatsächlichen elektrischen Eigenschaften von Signalleitungen in Hochgeschwindigkeits-digitalen Schaltungen aus, legt ein Modell der elektrischen Eigenschaften fest, findet die Hauptgründe, die die Signalintegrität beeinflussen und wie die Probleme gelöst werden können, und gibt die Probleme, die bei der Verkabelung und den Methoden und Fähigkeiten zu beachten sind.

2. SignalintegritätIm Allgemeinen kann angenommen werden, dass die Signalintegrität folgende Bedeutungen umfassen sollte: Die Wellenformverzerrung des Signals sollte innerhalb eines bestimmten Bereichs gesteuert werden, das Zeitdiagramm des Signalstroms kann den logischen Anforderungen entsprechen und der Signalgeneration- und Übertragungsprozess ist im Burstzustand stabil. Die Zerstörung der Signalintegrität entsteht hauptsächlich aus zwei Gründen. Erstens wird aufgrund äußerer Störungen, insbesondere der Störung des Leitkanals, einschließlich des Reflexionseffekts, der durch die Impedanzmisstimmung des Übertragungskanals verursacht wird, die ursprüngliche Wellenform zerstört; zweitens wird das digitale Signal natürlich ein spektraler Dispersionseffekt auftreten, der die ursprüngliche Wellenform ändert. Wenn die Taktfrequenz relativ hoch ist, wie z. B. wenn der Takt 10 MHz oder mehr erreicht oder die Randzeit des Impulses 1 ns oder weniger erreicht, werden wir feststellen, dass es nicht einfach ist, das Signal zu bekommen, wo es erwartet wird. Es gibt viele Faktoren, die Probleme mit der Signalintegrität beeinflussen, darunter Jitter, Verzögerung, Bodenbrand, Reflexionen, Crosstalk, Schaltgeräusch, Stromversorgungsmissverhältnis, Dämpfung, Pulsdrehung, Timing-Verwirrung usw. Signalintegritätsprobleme umfassen immer den gesamten Prozess des Signals, so dass die Sicherstellung der Signalintegrität die physische Umgebung erfordert, in der das gesamte Signal funktioniert. Dazu ist es notwendig, das Signalintegritätssystem zu modellieren. Das Signalintegritätssystemmodell sollte drei Teile umfassen: die vollständige Signalquelle, den physischen Koordinationskanal des Signals und den vollständigen Empfang des Signals. Die Hauptinhalte der drei Teile sind wie folgt: (1) Vollständige Signalquelle: Gewährleisten Sie die Integrität des erzeugten Signals. Dazu zählen Stromversorgungsgarantie, Rauschfilterung, Erdpotential, gemeinsame Modus-Beseitigung, Ausgangsimpedanzgarantie usw. (2) Der physische Koordinationskanal des Signals: Stellen Sie sicher, dass sich das Signal während der Übertragung nicht ändert. Dazu zählen: Crosstalk, Verzögerungen, Kanaldips, Reflexionen und Resonanzen, Bandbreite, Dämpfung, Impedanzsteuerung, Schaltungsverbindung und vieles mehr. (3) Vollständiger Signalempfang: gewährleisten Sie einen hocheffizienten Empfang ohne Verzerrung. Dazu gehören: Eingangsimpedanz-Übereinstimmung, Erdungsverarbeitung, Multi-Terminal-Netzwerk-gegenseitige Impedanz, Entkopplungskondensatoren, Filterkondensatoren, Eingangsnetz-Signalverteilung und Signalschutz2.1 Verzögerung: Verzögerung bedeutet, dass das Signal mit einer begrenzten Geschwindigkeit auf der Übertragungsleitung der Leiterplatte übertragen wird. Das Signal wird vom Sender zum Empfänger gesendet und dazwischen besteht eine Übertragungsverzögerung. Signalverzögerungen haben Auswirkungen auf das Timing des Systems; Ausbreitungsverzögerungen werden in erster Linie durch die Länge des Drahts und die Dielektrikkonstante des den Draht umgebenden Mediums bestimmt. In einem digitalen Hochgeschwindigkeitssystem ist die Länge der Signalübertragungsleitung ein direkter Faktor, der die Phasendifferenz der Taktimpulse beeinflusst. Die Phasendifferenz der Taktimpulse bezieht sich auf die asynchrone Zeit, wenn die beiden gleichzeitig erzeugten Taktsignale am Empfangsende ankommen. Die Taktimpulsphasenindifferenz verringert die Vorhersägbarkeit der Ankunft der Signalkante, und wenn die Taktimpulsphasenindifferenz zu groß ist, wird es am Empfangsende ein falsches Signal erzeugen.2.2 Reflexion: Reflexion ist das Echo des Signals auf der Signalleitung. Wenn die Signalverzögerungszeit viel größer ist als die Signalübertragungszeit, muss die Signalleitung als Übertragungsleitung verwendet werden. Wenn die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung nicht mit der Lastimpedanz übereinstimmt, wird ein Teil der Signalleistung (Spannung oder Strom) an die Leitung übertragen und die Last erreicht, aber ein Teil wird reflektiert. Ist die Lastimpedanz kleiner als die ursprüngliche Impedanz, ist die Reflexion negativ; Ansonsten ist die Reflexion positiv. Variationen in der Spurgeometrie, falsche Leitungsabschluss, Übertragung durch Steckverbinder und Leistungsebenendiskontinuitäten können alle solche Reflexionen verursachen.2.3 Crosstalk: Crosstalk ist die Kopplung zwischen zwei Signalleitungen, die gegenseitige Induktivität und die gegenseitige Kapazität zwischen den Signalleitungen und das Rauschen auf der Signalleitung. Kapazitive Kupplung induziert Kopplungsstrom, während induktive Kupplung induziert Kopplungsspannung. Crosstalk-Geräusch entsteht durch elektromagnetische Kopplung zwischen Signalleitungen, zwischen Signalsystemen und Stromverteilungssystemen und zwischen Vias. Die Querwicklung kann falsche Uhren, intermittierende Datenfehler usw. verursachen und die Übertragungsqualität benachbarter Signale beeinflussen. In Wirklichkeit kann Crosstalk nicht vollständig beseitigt werden, aber es kann innerhalb des Bereichs gesteuert werden, den das System tolerieren kann. Die Parameter der Leiterplattenschicht, der Abstand zwischen den Signalleitungen, die elektrischen Eigenschaften des Antriebsendes und des Empfangsendes sowie das Basislinienabschlussverfahren haben alle einen gewissen Einfluss auf die Quersprache. Bei der Verkabelung von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten, wenn der Verkabelungsraum klein ist oder die Verkabelungsdichte hoch ist, ist das Problem des Quersprechens sehr ernst, und die elektromagnetische Störung, die dadurch verursacht wird, wird das Signal der Schaltung ernsthaft beeinflussen. Zur Verringerung des Gesprächs können während der Verkabelung folgende Maßnahmen ergriffen werden: Die Gesprächsempfindlichen Signalleitungen ordnungsgemäß beenden und die Gesprächskapazität durch Reduzierung der Kopplungskapazität durch Impedanzanpassung reduzieren.2.4 Überschuß und Unterschuß: Überschuß ist ein Spitzenwert oder ein Talwert, der die eingestellte Spannung übersteigt. Für den steigenden Rand bezieht es sich auf die Spannung; für den fallenden Rand bezieht es sich auf die Spannung. Undershoot ist, wenn das nächste Tal oder Spitze die eingestellte Spannung überschreitet. Übermäßige Überschreitung kann dazu führen, dass die Schutzdiode funktioniert, wodurch sie vorzeitig ausfällt. Übermäßige Unterschuss kann falsche Uhr- oder Datenfehler (Fehlverfahren) verursachen.2.5 Oszillation und Surround Oszillation: Oszillationsphänomene sind wiederholte Überschusse und Unterschusse. Die Schwingung des Signals ist die Schwingung, die durch die Induktivität und Kapazität des Übergangs auf der Leitung verursacht wird, die zum untergedämpften Zustand gehört, während die umliegende Schwingung zum übergedämpften Zustand gehört. Schwingungen und Umgebungsschwängungen, wie Reflexionen, werden durch viele Faktoren verursacht, und Schwingungen können durch eine richtige Beendigung reduziert werden, können aber nicht vollständig eliminiert werden. Boden-Sprung-Geräusch und Rückkehr-Geräusch: Wenn es eine große Stromschwankung in der Schaltung gibt, verursacht es Boden-Sprung-Geräusch. Wenn beispielsweise die Ausgänge einer großen Anzahl von Chips gleichzeitig eingeschaltet werden, wird zwischen dem Chip und dem Board ein großer Übergangsstrom auftreten. Die Induktivität und der Widerstand des Chibpakets und der Leistungsebene verursachen Stromversorgungsgeräusche, die Spannungsschwankungen und Änderungen auf der wahren Erdebene verursachen, und dieses Geräusche beeinflusst das Verhalten anderer Komponenten. Die Erhöhung der Lastkapazität, die Verringerung des Lastwiderstands, die Erhöhung der Erdinduktivität und die Erhöhung der Anzahl der Schaltgeräte führen alle zu einer Erhöhung des Erdrebounds.3. Analyse der elektrischen Eigenschaften des ÜbertragungskanalsIn einer mehrschichtigen Leiterplatte sind die meisten Übertragungsleitungen nicht nur auf einer einzigen Schicht angeordnet, sondern auf mehreren Schichten abgestuft, und die Schichten sind über Vias verbunden. Daher umfasst ein typischer Übertragungskanal in einer mehrlagigen Leiterplatte hauptsächlich drei Teile: Übertragungsleitung, Spurenecke und Überloch. Bei niedriger Frequenz können gedruckte Leitungen und Spurwege als gewöhnliche elektrische Verbindungen angesehen werden, die Stifte verschiedener Geräte verbinden, die sich nicht sehr auf die Signalqualität auswirken. Bei hohen Frequenzen sollten Spuren, Ecken und Vias jedoch nicht nur ihre Konnektivität berücksichtigen, sondern auch den Einfluss ihrer elektrischen Eigenschaften und parasitären Parameter bei hohen Frequenzen. Analyse der elektrischen Eigenschaften von Übertragungsleitungen in Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten Bei der Konstruktion von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten ist es unvermeidlich, eine große Anzahl von Signalverbindungsleitungen zu verwenden, und die Längen sind unterschiedlich. Die Verzögerungszeit des durch die Verbindungsleitung laufenden Signals kann im Vergleich zur Wechselzeit des Signals selbst nicht ignoriert werden, und das Signal wird mit der Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen übertragen. Für die Upstream-Übertragung ist die Anschlussleitung zu diesem Zeitpunkt ein komplexes Netzwerk mit Widerstand, Kapazität und Induktivität, das durch ein verteiltes Parametersystemmodell, das heißt das Übertragungsleitungsmodell, beschrieben werden muss. Eine Übertragungsleitung wird verwendet, um ein Signal von einem Ende zum anderen zu übertragen und besteht aus 2 Drähten mit einer bestimmten Länge, die eine als Signalweg und die andere als Rückkehrweg bezeichnet wird. In niederfrequenten Schaltungen verhalten sich Übertragungsleitungen als rein resistive elektrische Eigenschaften. Bei Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten nimmt die kapazitive Impedanz zwischen den Drähten ab, wenn die Frequenz des Übertragungssignals steigt, und die induktive Impedanz auf den Drähten steigt, und der Signaldraht wird sich nicht mehr als reiner Widerstand verhalten, das heißt, das Signal wird nicht nur auf dem Draht übertragen, sondern auch Es verbreitet sich auch im Medium zwischen Leitern. Bei einem einheitlichen Draht sind der Widerstand R, die parasitäre Induktivität L und die parasitäre Kapazität C der Übertragungsleitung gleichmäßig verteilt (d.h. L1 = L2 = … = Ln; C1 = C2 = … = Cn + 1) ohne Berücksichtigung der äußeren Umgebungsänderung. Analyse der elektrischen Eigenschaften von Vias in Hochgeschwindigkeits-LeiterplattenVia, in der Regel bezieht sich auf ein Loch in einer Leiterplatte, ist ein wichtiger Faktor bei der Konstruktion von mehrschichtigen Leiterplatten. Vias können für die feste Installation von Steckbauteilen oder die Vernetzung zwischen Schichten verwendet werden. Aus prozessperspektive werden vias in der regel in drei kategorien unterteilt: blinde vias, begraben vias und durch vias. Blindlöcher befinden sich auf den oberen und unteren Flächen der Leiterplatte mit einer gewissen Tiefe und dienen zur Verbindung der Oberflächenschichtschaltung und der zugrundeliegenden Innenschichtschaltung. Die Tiefe des Loches und der Durchmesser des Loches überschreiten in der Regel kein bestimmtes Verhältnis. Begrabene Vias beziehen sich auf in der Innenschicht der Leiterplatte befindliche Anschlusslöcher, die sich nicht bis zur Oberfläche der Leiterplatte erstrecken. Durchgangslöcher durchlaufen die gesamte Leiterplatte und können zur Verbindung zwischen Schichten oder als Montagelöcher für Bauteile verwendet werden. Da das Durchgangsloch im Prozess leichter zu realisieren ist und die Kosten niedriger sind, verwendet die allgemeine Leiterplatte das Durchgangsloch anstelle der anderen beiden Arten von Durchgangslochen. Die unten genannten Durchgangslöcher werden als Durchgangslöcher angesehen. Als spezielle Übertragungsleitung erzeugen Vias nicht nur parasitäre Kapazität zur Erdung, sondern auch parasitäre Induktivität in Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Der Einfluss der parasitären Kapazität der Via auf die Schaltung besteht hauptsächlich darin, die steigende Kante des digitalen Signals zu verlangsamen oder zu verschlechtern, wodurch die Geschwindigkeit der Schaltung verringert wird. Je kleiner der parasitäre Kapazitätswert der Via ist, desto kleiner ist der Aufprall. Die Hauptwirkung der über parasitären Induktivität ist, die Wirksamkeit des Stromversorgungsbypass-Kondensators zu verringern und den gesamten Stromversorgungsfiltereffekt zu verschlechtern.6. Beitrag von Übertragungsleitungsecken zu ÜbertragungskanalsignalintegritätsproblemenWenn die gedruckte Leitung der Leiterplatte durch die Ecke geht, ist die Änderung der Breite der gedruckten Leitung ja, und die charakteristische Impedanz der gedruckten Leitung ändert sich auch. Da die Breite der Spur breiter wird, wenn sie die Ecke passiert, erhöht sich die Kapazität zwischen der Spur und der Referenzschicht und die charakteristische Impedanz der Spur verringert. Daher besteht an der Ecke der gedruckten Leitung eine Diskontinuität der charakteristischen Impedanz, die zur Reflexion des Signals auf der gedruckten Leitung führt und die Signalintegrität beeinflusst. Vergleich der Reflexions- und Übertragungseigenschaften von Ecken unterschiedlicher geometrischer Formen: Allgemeine Leiterplatten gedruckte Linieneckengeometrien: Rechtwinkelte Ecken, abgerundete Ecken, innen- und außen 45-Grad-Schrägwinkel und 45-Grad-außen-Schrägwinkel. Die Reflexions- und Übertragungseigenschaften der Ecken von Spuren unterschiedlicher Geometrien sind unterschiedlich. Die Reihenfolge der ausgezeichneten Übertragungseigenschaften ist wie folgt: rechter Winkel < abgerundete Ecke < 45 Grad Schrägschnitt innen und außen < 45 Grad äußerer Schrägschnitt, und die Eckegeometrie der gedruckten Linie ist rechter Winkel Biege und 45 Grad äußerer Schrägschnitt. Unterhalb des Frequenzbereichs von 2GH hat die Gleisenkelgeometrie wenig Einfluss auf die Signalübertragungseigenschaften, und ihre Wirkung erhöht sich deutlich, wenn die Frequenz steigt, insbesondere bei rechten Ecken. Es wird empfohlen, dass die Ecken der Spur in einem rechten Winkel mit einer 45 Grad abgeschrägten Geometrie gebogen werden, die selbst weniger Auswirkungen auf die Signalintegrität hat. Wenn die Signalleitungsbreite in einer hochdichten Leiterplatte eng ist, ist es allgemein unwahrscheinlich, dass die durch die parasitäre Kapazität der Ecke verursachte Verzögerungsansammlung einen großen Einfluss auf die Signalintegrität hat. Aber für hochfrequenz-empfindliche Schaltungen, wie z. B. Hochfrequenz-Taktlinien, sollte der kumulative Effekt der Eckparasiten-Kapazität berücksichtigt werden.7. Verwenden Sie Verdrahtungstechniken, um Probleme mit der Signalintegrität zu unterdrückenWenn das Signal von der Antriebsquelle ausgegeben wird, behandeln die Ströme und Spannungen, die das Signal ausmachen, die Verbindung als ein Impedanznetz. Bleibt die vom Signal gesehene Impedanz gleich, wird das Signal nicht verzerrt. Sobald sich die Impedanz ändert, wird das Signal bei der Änderung reflektiert und verzerrt, während es durch den Rest der Interconnection fährt. Wenn sich die Impedanz ausreichend ändert, kann die Verzerrung eine falsche Auslösung verursachen. Im Entwurfsprozess der Signalintegritätsoptimierung besteht ein wichtiges Entwurfsziel darin, alle Verbindungsleitungen als einheitliche Übertragungsleitungen zu gestalten und die Länge aller nicht einheitlichen Übertragungsleitungen zu reduzieren, so dass die Impedanz, die von den Signalen im gesamten Netzwerk empfunden wird, unverändert bleibt. . Auf dieser Grundlage kann man schließen, dass einige Methoden der Verwendung von Verdrahtungstechniken, um Signalintegritätsprobleme zu unterdrücken: die Spurform der gedruckten Leiter sollte nicht verwickelt, verzweigt oder harte Ecken, versuchen, T-förmige Linien und Stubs zu vermeiden; Versuchen Sie, die gleiche Netzwerksignalleitung zu halten. Linienbreite, reduzieren Linienbreite Änderung; Reduzieren Sie die Länge der Übertragungsleitung, erhöhen Sie die Drahtbreite; versuchen, den Abstand zwischen den Drähten zu erhöhen; Versuchen Sie, die Durchgänge und Ecken von Hochgeschwindigkeitssignalleitungen zu reduzieren und die Schichtwechslung von Signalleitungen zu reduzieren; angemessene Auswahl der Viasgröße; Reduzieren Sie den Signalschleifenbereich und den Schleifenstrom. Schließlich ändert jedes Merkmal, das den Querschnitt oder die Netzgeometrie ändert, die vom Signal gesehene Impedanz. Der Schlüssel zur Verringerung von Signalintegritätsproblemen bei der Verkabelung besteht darin, die plötzliche Impedanzänderung auf der Übertragungsleitung zu reduzieren, so dass die Impedanz, die das Signal im gesamten Netzwerk erlebt, unverändert bleibt. Kurz gesagt, bei der Konstruktion der Leiterplatte ist es notwendig, das Layout und die Verkabelung der Komponenten und die Lösung des Signalintegritätsproblems zu integrieren, das in jedem Fall verwendet werden sollte, um das Signalintegritätsproblem der Leiterplatte besser zu lösen.8. Schlussfolgerung In der heutigen breiten Anwendung von Embedded-Systemen ist die Signalintegrität zu einem äußerst wichtigen Inhalt im PCB-Board-Design von Embedded-Systemen geworden, der den Erfolg oder den Fehler des gesamten PCB-Board-Designs beeinflusst. Wenn die Schaltung bestimmt wird, die Komponenten ausgewählt werden und das Leiterplattenlayout bestimmt wird, können Verdrahtungstechniken verwendet werden, um das Auftreten von Signalintegritätsproblemen zu unterdrücken, die Zuverlässigkeit der Leiterplatte zu verbessern und den Verlust zu reduzieren, der durch Signalintegritätsprobleme verursacht wird. Im Hinblick auf das Problem der Signalintegrität, das durch die hohe Frequenz-Umgebung der Embedded-System-Leiterplatte verursacht wird, schlägt dieses Papier eine Methode vor, es durch vernünftige Verdrahtung zu unterdrücken. Durch die Analyse verschiedener Signalintegritätspänomene und die Modellierung und Beschreibung der elektrischen Eigenschaften von Übertragungsleitungen, Vias und Ecken werden einige Methoden zur Verbesserung der Signalintegrität durch die Verwendung von Verdrahtungsfähigkeiten im Leiterplattentwerb abgeschlossen, die praktischen Referenzwert haben.