Präzisions-Leiterplattenherstellung, Hochfrequenz-Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und Leiterplattenbestückung.
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Ursachen und Methoden von Signalintegritätsproblemen im Hochgeschwindigkeits-Leiterplattendesign
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Ursachen und Methoden von Signalintegritätsproblemen im Hochgeschwindigkeits-Leiterplattendesign

2022-08-23
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Author:pcb
p>Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie und der Tiefdruck-Mikron-Technologie, hat sich die Schaltgeschwindigkeit von IC von zehn MHZ zu Hunderten von MHz erhöht, oder sogar mehrere GHz. Bei der Gestaltung von Hochgeschwindigkeits- Leiterplatte, Ingenieure stoßen häufig auf Probleme mit der Signalintegrität wie Fehltriggerung, gedämpfte Schwingung, Überschuss, Unterschießen, und Übersprechen. Dieser Artikel wird diskutieren, warum sie gebildet werden, wie sie berechnet werden, und wie man diese Probleme mit der IBIS Simulationsmethode in Allegro löst.

1. Definition of Signal Integrity
Signal Integrity (SI) refers to the signal quality on the signal line. Schlechte Signalintegrität wird nicht durch einen einzigen Faktor verursacht, aber durch eine Kombination von Faktoren im Board-Level-Design. Ursachen für Schäden an der Signalintegrität sind Reflexionen, Klingeln, Ground Bounce, Übersprechen, und mehr. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Signalbetriebsfrequenz, Das Problem der Signalintegrität ist zum Fokus von Hochgeschwindigkeits- Leiterplatte Ingenieure.

2. Reflection
2.1 Formation and calculation of reflections
Impedance discontinuities on the transmission line can cause signal reflections, und wenn Quell- und Lastimpedanzen nicht übereinstimmen, Die Last reflektiert einen Teil der Spannung zurück zur Quelle. Differentielle Leitungsübertragung von Signalen löst viele Probleme. Was ist ein Differenzsignal?? In Laien-Begriffen, Das Antriebsende sendet zwei Signale von gleichem Wert und entgegengesetzter Phase, und das empfangende Ende beurteilt den logischen Zustand "0" oder "1" durch Vergleich der Differenz zwischen den beiden Spannungen. Das Paar Drähte, die das Differenzsignal tragen, wird Differentialdraht genannt. Wie man die Impedanz der Differenzlinie berechnet? Die Impedanz verschiedener Differenzsignale ist unterschiedlich, such as the D+ D- of USB, die Differenzleitungsimpedanz ist 90ohm, die Differenzlinie von 1394 ist 110ohm, erster Blick auf die Spezifikation oder verwandte Informationen. Es gibt bereits viele Werkzeuge zur Berechnung der Impedanz, wie polar si9000. Faktoren, die die Differenzimpedanz beeinflussen, umfassen die Linienbreite, Differenzlinienabstand, dielektrische Permittivität, and thickness of the medium (the thickness of the medium between the differential line und die reference surface). Allgemein, die Differenz wird angepasst. Linienabstand und Linienbreite zur Steuerung der Differenzimpedanz. Bei der Herstellung des Brettes, Es ist auch notwendig, dem Hersteller zu erklären, welche Leitungen zur Steuerung der Impedanz erforderlich sind. Ein Differenzsignal ist ein numerischer Wert, der die Differenz zwischen zwei physikalischen Größen darstellt. Streng genommen, alle Spannungssignale sind differentiell, weil eine Spannung nur relativ zu einer anderen sein kann. In einigen Systemen, System 'Masse' wird als Spannungsbezugspunkt verwendet. Wenn "Masse" als Referenz zur Spannungsmessung verwendet wird, Dieses Signalschema wird Single-Ended genannt. Wir verwenden diesen Begriff, weil ein Signal durch die Spannung auf einem einzelnen Leiter dargestellt wird.

Ein Vorteil der Differenzsignalisierung ist, dass kleine Signale leicht identifiziert werden können, da Sie die "Referenzspannung" steuern. In einem System mit einem Boden referenziert, Single-End Signalschema, Der Wert des gemessenen Signals hängt von der Konsistenz der Masse im System ab. Je weiter die Signalquelle und der Signalempfänger sind, Je wahrscheinlicher es ist, dass es Unterschiede zwischen ihren lokalen Massespannungswerten gibt. Der aus dem Differenzsignal zurückgewonnene Signalwert ist weitgehend unabhängig vom Wert der Masse, aber innerhalb eines bestimmten Bereichs. A second benefit of differential signaling is that it is highly immune to external electromagnetic interference (EMI). Ein Aggressor beeinflusst jedes Ende eines differenziellen Signalpaares fast gleich. Da die Differenz der PADSLOGIC Spannung im PADS den Signalwert bestimmt, Alle identischen Störungen, die auf den beiden Leitern auftreten, werden ignoriert. Zusätzlich zu der geringeren Störempfindlichkeit, Differentialsignale erzeugen weniger EMI als Single-End-Signale. Der dritte Vorteil von Differenzsignalen ist die Timing-Positionierung. Da die Schaltänderungen von Differenzsignalen am Schnittpunkt zweier Signale liegen, Im Gegensatz zu gewöhnlichen einseitigen Signalen, die für die Beurteilung auf hohen und niedrigen Schwellenspannungen beruhen, Sie sind weniger durch Prozess und Temperatur beeinflusst. Es kann Timing-Fehler reduzieren und eignet sich besser für Schaltungen mit Signalen mit geringer Amplitude. The currently popular LVDS (low voltage differential signaling) refers to this small-amplitude differential signaling technology. Differential kann Übersprechen nicht berücksichtigen, weil ihre Übersprechergebnisse beim Empfang abgebrochen werden. Darüber hinaus, die Differenz sollte ausgeglichen werden, und die Parallele ist nur ein Teil der Balance. Ich denke, die Kopplung des Differentialpaars sollte noch benötigt werden, für einzeilige Abgleich, Obwohl es in der Theorie sehr reif ist, but the actual PCB circuit still has an error of about 5% (a material, I have not done it myself). Andererseits, Eine Differenzlinie kann als Selbstschleifensystem betrachtet werden, oder die Signale auf seinen beiden Signalleitungen korrelieren. Wenn die Kupplung zu locker ist, Es kann andere Störungen von anderen Orten verursachen. Für einige Schnittstellenschaltungen, Die gleiche Länge des Allegro Trainingsdifferenzialpaares ist ein wichtiger Faktor bei der Steuerung der Linienverzögerung. Also, Ich denke, die Differenzlinie sollte eng gekoppelt sein. Für die meisten der aktuellen Hochgeschwindigkeits- Leiterplattes, es ist vorteilhaft, gute Kopplung beizubehalten, Aber ich hoffe, Sie denken nicht irrtümlich, dass Kopplung eine notwendige Bedingung für Differentialpaare ist, was manchmal die Gestaltungsideen einschränkt. Bei Hochgeschwindigkeitsdesign oder -analyse, Es ist nicht nur notwendig zu wissen, wie die meisten Menschen es tun, aber auch warum andere es tun, und dann auf der Grundlage der Erfahrungen anderer Menschen verstehen und verbessern, und ständig ihre kreative Denkfähigkeit ausüben. Abstimmung ist erforderlich, aber der Grund für das Matching ist nicht Reflexion, aber um den Grad der Querwicklung Interferenz zu reduzieren. Wenn die Reduktion mit der Matching-Methode zusammenhängt, wenn der Serienwiderstand verwendet wird, es würde keine Auswirkung haben, aber wenn das Erdungs- oder Stromanschlußverfahren verwendet wird, Durch Kreuzwicklung wird die Leitungsimedanz der beiden Drähte reduziert...

Für PCB LAYOUT Ingenieure, Die Frage ist, wie sichergestellt werden kann, dass diese Vorteile des Differentialgroutings in der tatsächlichen Routing voll genutzt werden können. Vielleicht versteht jeder, der mit Layout in Kontakt war, die allgemeinen Anforderungen an Differential Routing, and the Leiterplatte Design ist "gleich lang, gleiche Entfernung". Gleiche Länge soll sicherstellen, dass die beiden Differenzsignale jederzeit entgegengesetzte Polaritäten beibehalten und Gleichtaktkomponenten reduzieren; Gleicher Abstand ist hauptsächlich sicherzustellen, dass die Differenzimpedanz der beiden konsistent ist und Reflexion reduziert. Das "so nahe wie möglich Prinzip" ist manchmal eine der Anforderungen an die Differentialführung. Differentialspuren können auch in verschiedenen Signalschichten ausgeführt werden, aber diese Methode wird im Allgemeinen nicht empfohlen, weil die Unterschiede in Impedanz und Durchkontaktierungen, die durch verschiedene Schichten erzeugt werden, den Effekt der Differentialmodusübertragung zerstören und Gleichtaktrauschen einführen. Darüber hinaus, wenn die beiden benachbarten Schichten nicht fest miteinander verbunden sind, Es verringert die Fähigkeit der Differenzspur, Rauschen zu widerstehen, aber wenn der richtige Abstand zu den umliegenden Spuren beibehalten werden kann, Übersprechen ist kein Problem. At general frequencies (below GHz), Das EWI wird kein ernstes Problem sein. Experimente zeigen, dass die abgestrahlte Energiedämpfung in einem Abstand von 500Mils von einer Differentialspur 3 Meter entfernt 60dB erreicht hat, die ausreicht, um die elektromagnetischen Strahlungsstandards der FCC zu erfüllen, So muss sich der Konstrukteur nicht zu sehr um die elektromagnetische Inkompatibilität kümmern, die durch unzureichende Differentialkopplung verursacht wird. Aber all diese Regeln sollen nicht rhetorisch sein, und viele Ingenieure scheinen die Natur der Hochgeschwindigkeits-Differenzsignalisierung nicht zu verstehen. Im Folgenden werden einige häufige Missverständnisse im PCB-Differentialsignaldesign diskutiert.. Es wird angenommen, dass die differentiellen Spuren sehr nah sein müssen. Die Differentialspuren nahe zu halten ist nichts anderes als ihre Kopplung zu verbessern, die nicht nur die Störfestigkeit verbessern kann, aber auch die entgegengesetzte Polarität des Magnetfeldes nutzen, um elektromagnetische Störungen nach außen auszugleichen. Obwohl dieser Ansatz in den meisten Fällen sehr vorteilhaft ist, es wird nicht. Wenn wir sicherstellen können, dass sie vollständig vor äußeren Störungen abgeschirmt sind, dann müssen wir Antiinterferenz und Antiinterferenz nicht durch starke Kopplung miteinander erreichen. Zweck der Unterdrückung des EWI. Wie können wir sicherstellen, dass die Differentialspuren eine gute Isolierung und Abschirmung haben? Das Vergrößern des Abstandes mit anderen Signalspuren ist eine der grundlegenden Möglichkeiten. Die Energie des elektromagnetischen Feldes nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Allgemein, Der Zeilenabstand übersteigt das Vierfache der Zeilenbreite. , Die Interferenz zwischen ihnen ist extrem schwach und kann grundsätzlich ignoriert werden. Darüber hinaus, Die Isolation der Bodenebene kann auch eine gute Abschirmrolle spielen. This structure is often used in the design of high-frequency (above 10G) IC package Leiterplattes. Es wird die CPW-Struktur genannt, which can ensure strict differential Impedance Control (2Z0). Denken Sie, dass Differentialsignale keine Erdungsebene als Rückweg benötigen, oder denken, dass differentielle Leiterbahnen sich gegenseitig zurückgeben. Dieses Missverständnis wird durch Verwirrung durch oberflächliche Phänomene verursacht, oder das Verständnis des Mechanismus der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung ist nicht tief genug. Differentialschaltungen sind unempfindlich gegenüber ähnlichen Bounces und anderen Rauschsignalen, die auf der Leistungs- und Erdungsebene vorhanden sein können. Die partielle Rücklaufaufhebung der Masseebene bedeutet nicht, dass der Differenzkreis die Referenzebene nicht als Signalrücklaufweg verwendet. In der Tat, bei der Analyse der Signalrückgabe, Der Mechanismus der Differentialgrouting und der gewöhnlichen single-ended routing ist der gleiche, das ist, Hochfrequenzsignale kehren immer entlang der Schleife der Induktivität zurück, der Unterschied ist, dass zusätzlich zur Kupplung an den Boden, hat die Differenzlinie auch gegenseitige Kopplung. Welche Kupplung auch immer stark ist, dass man der Hauptrückweg wird. Auf der Leiterplatte Im Schaltungsdesign, Die Kopplung zwischen Differenzspuren ist im Allgemeinen gering, oft nur 10~20% des Kopplungsgrades, und mehr ist die Kupplung zum Boden, So existiert der Hauptrücklauf der Differentialspur noch in der Grundebene. Wenn die Bodenebene diskontinuierlich ist, im Bereich ohne Bezugsebene, Die Kopplung zwischen den Differentialspuren liefert den Hauptrücklauf, Obwohl die Diskontinuität der Bezugsebene keinen Einfluss auf die Differentialspuren hat. Es ist ernst, aber es wird immer noch die Qualität der Differenzsignale verringern und EMI erhöhen, die möglichst vermieden werden sollten. Einige Konstrukteure denken auch, dass die Referenzebene unter den Differentialspuren entfernt werden kann, um einen Teil des Gleichtaktsignals in der Differenzübertragung zu unterdrücken, aber dieser Ansatz ist in der Theorie nicht wünschenswert. Wie man die Impedanz steuert? Geben Sie das Gleichtaktsignal nicht an. Die Erdimpedanzschleife verursacht EMI-Strahlung, das mehr schadet als nützt. Gleiche Abstände zu halten ist wichtiger als Linienlängen aufeinander abzustimmen. In der Leiterplatte Layout, die Anforderungen an die Differentialdesign oft nicht gleichzeitig erfüllt werden. Aufgrund von Faktoren wie Pinverteilung, Durchkontaktierungen, und Routing Space, Der Zweck der Anpassung der Linienlänge muss durch geeignete Routing erreicht werden, Aber das Ergebnis muss sein, dass einige Bereiche des Differentialpaars nicht parallel sein können. Leiterplatte Die wichtigste Regel in der Konstruktion ist die Anpassung der Linienlänge, und andere Regeln können entsprechend den Konstruktionsanforderungen und praktischen Anwendungen flexibel verarbeitet werden.