Fabricación de PCB de precisión, PCB de alta frecuencia, PCB multicapa y montaje de PCB.
Es la fábrica de servicios personalizados más confiable de PCB y PCBA.
Blog de PCB
La tecnología de cableado mejora la integridad del PCB integrado
Blog de PCB
La tecnología de cableado mejora la integridad del PCB integrado

La tecnología de cableado mejora la integridad del PCB integrado

2022-03-08
View:145
Author:pcb

1 Introduction
Printed circuit boards are the basic support of circuit components and devices in electronic products, La calidad del diseño suele influir directamente en la fiabilidad y compatibilidad del sistema integrado.. In the past, En algunos circuitos de baja velocidad, the clock frequency was generally only about 10 MHz. El principal desafío para el diseño de PCB o paquetes es cómo cablear todas las líneas de señal en un tablero de doble capa y cómo ensamblar sin destruir el paquete.. The electrical characteristics of the interconnects are not critical since the interconnects have not affected system performance. En este sentido, the interconnect lines in the signal low-speed circuit board are unobstructed and transparent. Sin embargo,, with the development of embedded systems, Los circuitos utilizados son esencialmente de alta frecuencia. Due to the increase of the clock frequency, El borde ascendente de la señal también se acortará, 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. Para sistemas embebidos, signal integrity effects become important when clock frequencies exceed 100 MHz or rising edges are less than 1 ns. Sobre la base de las características eléctricas reales de la línea de señal en el circuito digital de alta velocidad, establishes an electrical characteristics model, Encontrar la razón principal que afecta la integridad de la señal y la solución, and gives the problems that should be paid attention to in the wiring and the methods and skills to follow.

Placa de circuito impreso

2. Signal integrity
Generally, Se puede concluir que la integridad de la señal debe incluir lo siguiente: la distorsión de la forma de onda de la señal debe controlarse en un cierto rango, the timing diagram of the signal flow can meet the logic requirements, En el Estado de estallido, el proceso de generación y transmisión de la señal es estable.. The destruction of signal integrity is mainly due to two reasons. Foster, Debido a la interferencia externa, Especialmente la interferencia del canal conductor, including the reflection effect caused by the impedance mismatch of the transmission channel, La forma de onda original fue destruida; Segundo, the digital signal will naturally A spectral dispersion effect occurs, Cambiar la forma de onda original. When the clock frequency is relatively high, Por ejemplo, cuando el reloj alcanza los 10 MHz o más, o el tiempo de borde del pulso alcanza los 1 ns o más, we will find that it is not easy to get the signal to where it is expected. Hay muchos factores que influyen en la integridad de la señal., including jitter , Retraso, ground bounce, Introspección, crosstalk, Ruido de conmutación, power supply mismatch, Atenuación, pulse stretching, Confusión temporal, etc. La integridad de la señal siempre implica todo el proceso de la señal, so signal integrity assurance requires the physical environment in which the entire signal works. Hacerlo, it is necessary to model the signal integrity system. El modelo de sistema de integridad de la señal debe incluir tres partes: fuente de señal completa, the physical coordination channel of the signal, Y la recepción completa de la señal. The main contents of the three parts are as follows:
(1) Complete signal source: ensure the integrity of the generated signal. Esto incluye la garantía de suministro de energía, noise filtering, Geopotencial, common mode elimination, Garantía de impedancia de salida, etc.
(2) The physical coordination channel of the signal: Ensure that the signal does not change during transmission. These include: crosstalk, Retraso, channel dips, Reflexión y resonancia, bandwidth, Atenuación, impedance control, Conexión de circuito, and more.
(3) Complete signal reception: ensure high-efficiency reception without distortion. These include: input impedance matching, Tratamiento de la puesta a tierra, multi-terminal network mutual impedance, Condensador de desacoplamiento, 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 PCB Board. La señal se envía del remitente al receptor, and there is a transmission delay in between. El retraso de la señal afectará el tiempo del sistema. El retardo de propagación se determina principalmente por la longitud del cable y la constante dieléctrica del medio circundante.. In a high-speed digital system, La longitud de la línea de transmisión de la señal es un factor directo que afecta a la diferencia de fase del pulso del reloj. 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. La diferencia de fase del pulso del reloj reduce la previsibilidad de la llegada del borde de la señal, and if the clock pulse phase difference is too large, Producirá una señal de error en el receptor.

2.2 Reflection: Reflection is the echo of the signal on the signal line. Cuando el tiempo de retardo de la señal es mucho mayor que el tiempo de Transición de la señal, the signal line must be used as a transmission line. Cuando la impedancia característica de la línea de transmisión no coincide con la Impedancia de carga, a portion of the signal power (voltage or current) is transmitted to the line and reaches the load, Pero también se refleja en parte. If the load impedance is smaller than the original impedance, El reflejo es negativo; De lo contrario, the reflection is positive. Variación de la geometría de la trayectoria, incorrect wire termination, Transmisión a través del conector, and power plane discontinuities can all cause such reflections.

2.3 Crosstalk: Crosstalk is the coupling between two signal lines, Inductancia mutua y Capacitancia entre líneas de señal, and the noise on the signal line. El acoplamiento capacitivo produce una corriente de acoplamiento, while inductive coupling induces coupling voltage. Ruido de conversación cruzada derivado del acoplamiento electromagnético entre líneas de señal, between signal systems and power distribution systems, Entre los orificios. Cross-winding may cause false clocks, Error de datos intermitente, etc., Y afecta la calidad de transmisión de las señales adyacentes. In reality, Crosstalk no puede ser eliminado completamente, but it can be controlled within the range that the system can tolerate. Parámetros de la capa de PCB, Distancia entre líneas de señal, the electrical characteristics of the driving end and the receiving end, La terminación de la línea de base tiene cierta influencia en la conversación cruzada. When wiring high-speed PCB Boards, if the wiring space is small or the wiring density is high, El problema del crosstalk es muy grave., and the electromagnetic interference caused by it will seriously affect the signal of the circuit. Para reducir la conversación cruzada, the following measures can be taken during wiring: properly terminate the crosstalk-sensitive signal lines, Reducir la Capacitancia de acoplamiento y la conversación cruzada mediante el emparejamiento de impedancia.

2.Sobretensión y infratensión: Sobretensión es el valor máximo o mínimo por encima del voltaje establecido. For the rising edge, Se refiere al voltaje; Para el borde descendente, it refers to the voltage. Downthrust significa que el siguiente Valle o pico supera la tensión establecida. Excessive overshoot can cause the protection diode to operate, Lo que hace que falle prematuramente. Excessive undershoot can cause spurious clock or data errors (misoperations).

2.5 Oscillation and Surround Oscillation: Oscillation phenomena are repeated overshoots and undershoots. La oscilación de la señal es causada por Inductancia y Capacitancia transitorias en la línea., which belongs to the under-damped state, Y la vibración circundante pertenece al Estado de sobreamortiguación. Oscillation and surround oscillations, Como un reflejo, are caused by many factors, Una terminación adecuada puede reducir la oscilación, but cannot be completely eliminated. Ruido de rebote en tierra y ruido de retorno, Hace que el suelo rebote.. For example, Cuando la salida de un gran número de chips se enciende simultáneamente, there will be a large transient current between the chip and the board. Inductancia y resistencia de embalaje de la fuente de alimentación del chip, which will cause voltage fluctuations and changes on the true ground plane, Este ruido afecta el comportamiento de otros componentes. The increase of the load capacitance, Reducción de la resistencia a la carga, the increase of the ground inductance, El aumento del número de dispositivos de conmutación dará lugar a un aumento del movimiento del suelo.

3. Analysis of the electrical characteristics of the transmission channel
In a multi-layer PCB Board, most of the transmission lines are not only arranged on a single layer, Pero se entrelazan en varios niveles, and the layers are connected through vias. Así que..., in a multi-layer PCB Board, Un canal de transmisión típico consiste principalmente en tres partes: línea de transmisión, trace corner, Y a través del agujero. In the case of low frequency, Las líneas impresas y los orificios de seguimiento pueden considerarse conexiones eléctricas comunes a diferentes pines de equipo, which will not have much impact on signal quality. Sin embargo,, at high frequencies, Trace, corners and vias should not only consider their connectivity, También se consideran las características eléctricas y los parámetros parasitarios a alta frecuencia..

4. Análisis de las características eléctricas de las líneas de transmisión de alta velocidad PCB Boards
In the Diseño of high-speed PCB Board, it is inevitable to use a large number of signal connecting lines, Y diferente longitud. The delay time of the signal passing through the connecting line can not be ignored compared with the change time of the signal itself, La señal se transmite a velocidad de onda electromagnética. For upstream transmission, El cable de conexión es una red compleja con resistencia., capacitance, Inductancia, which needs to be described by a distributed parameter system model, O () o, the transmission line model. Una línea de transmisión utilizada para transmitir señales de un extremo al otro, compuesta por dos cables de cierta longitud., one is called the signal path and the other is called the return path. En circuitos de baja frecuencia, transmission lines behave as purely resistive electrical properties. Alta velocidad PCB Boards, Con el aumento de la frecuencia de la señal transmitida, the capacitive impedance between the wires decreases, Aumento de la impedancia inducida en los cables, and the signal wire will no longer behave as a pure resistance, O () o, the signal will not only be transmitted on the wire, Pero también se propaga en medio entre conductores. For a uniform wire, Resistencia 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. Análisis de las características eléctricas del orificio en el circuito de alta velocidad PCB Boards
Via, usually refers to a hole in a printed circuit board, Es un factor importante en el diseño de edificios de varios pisos PCB Boards. A través del agujero se puede utilizar para el montaje fijo o la interconexión entre capas de los componentes plug - in. From a process perspective, Los orificios a través se clasifican generalmente en tres categorías: orificios ciegos a través, buried vias, A través del orificio. Blind holes are located on the top and bottom surfaces of the printed circuit board, Tener cierta profundidad, and are used for the connection of the surface layer circuit and the underlying inner layer circuit. La profundidad y el diámetro del agujero no suelen exceder de una determinada proporción. Buried vias refer to connection holes located in the inner layer of the printed circuit board, No se extenderá a la superficie de la placa de circuito. Through-holes pass through the entire circuit board and can be used for interconnection between layers or as mounting holes for components. Debido a que el orificio es más fácil de realizar en el proceso, el costo es menor, the general printed circuit board uses the through hole instead of the other two kinds of through holes. Los orificios mencionados a continuación se consideran orificios. As a special transmission line, A través del agujero no sólo se producirá la Capacitancia parasitaria a la tierra, but also parasitic inductance in high-speed circuits. El efecto de la Capacitancia parasitaria a través del agujero en el circuito es reducir o empeorar el borde ascendente de la señal digital., reducing the speed of the circuit. Menor valor de Capacitancia parasitaria a través del agujero, the smaller the impact. La función principal de la Inductancia parasitaria a través del agujero es reducir la eficacia del condensador de derivación de la fuente de alimentación y hacer que el efecto de filtrado de toda la fuente de alimentación sea peor..

6. Contribution of transmission line corners to transmission channel signal integrity problems
When the printed line of the PCB Board A través de la esquina, the change of the width of the printed line is yes, La impedancia característica del circuito impreso también cambia. Since the width of the trace becomes wider when it passes the corner, Aumento de la Capacitancia entre trazas y capas de referencia, and the characteristic impedance of the trace decreases. Así que..., there is a discontinuity of characteristic impedance at the corner of the printed line, Esto hace que la señal se refleje en la línea de impresión y afecta a la integridad de la señal. Comparison of reflection and transmission characteristics of corners of different geometric shapes: Common PCB Board Geometría del ángulo de línea impresa: ángulo recto, rounded corners, Inclinación interna y externa de 45 grados, and 45-degree outside beveled corners. Las características de reflexión y transmisión de los ángulos de trayectoria de diferentes figuras geométricas son diferentes. 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, Las formas geométricas de las esquinas de las líneas impresas son la flexión en ángulo recto y la cizalla externa de 45 grados.. Below the frequency range of 2GH, La geometría del ángulo de giro de la vía tiene poca influencia en las características de transmisión de la señal., and its effect increases significantly as the frequency increases, Especialmente en ángulo recto. It is recommended that the corners of the trace be bent at a right angle with a 45-degree beveled geometry, Tiene poca influencia en la integridad de la señal.. When the signal line width is narrow in a high-density circuit board, Es poco probable que la acumulación de retardo causada por la Capacitancia parasitaria de la esquina tenga un efecto significativo en la integridad de la señal.. But for high-frequency sensitive circuits, Como una línea de reloj de alta frecuencia, 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, La corriente y la tensión que componen la señal tratan la interconexión como una red de impedancia. As the signal propagates along the impedance network, Experimenta continuamente cambios transitorios de impedancia causados por interconexiones. Si la Impedancia de la señal permanece constante, the signal is not distorted. Una vez cambiada la Impedancia, the signal is reflected at the change and distorted as it travels through the rest of the interconnect. Si el cambio de impedancia es lo suficientemente grande, the distortion can cause false triggering. En el proceso de diseño óptimo de la integridad de la señal, an important design goal is to design all interconnect lines as uniform transmission lines, Reducir la longitud de todas las líneas de transmisión inhomogéneas, so that the impedance felt by the signals in the entire network remains unchanged. . Basado en esto, 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, Un ángulo bifurcado o duro., try to avoid T-shaped lines and stubs; try to keep the same network signal line. Ancho de línea, reduce line width change; reduce transmission line length, Aumentar la anchura del alambre; Trate de aumentar la distancia entre los cables; Minimizar los agujeros y esquinas de las líneas de señal de alta velocidad, and reduce the inter-layer conversion of signal lines; reasonable selection of vias size; reduce signal loop area and loop current. En resumen, any feature that changes the cross-section or network geometry will change the impedance seen by the signal. La clave para reducir la integridad de la señal en el cableado es reducir el cambio repentino de la Impedancia de la línea de transmisión, so that the impedance experienced by the signal in the entire network remains unchanged. En resumen, in the design of the PCB Board, Es necesario integrar la disposición y el cableado de los componentes y las soluciones a los problemas de integridad de la señal que deben utilizarse en cada caso, so as to better solve the signal integrity problem of the PCB Board.

8. Conclusion
In today's wide application of embedded systems, La integridad de la señal se ha convertido en una parte muy importante de la tecnología moderna de la comunicación. PCB Board design of embedded systems, Influir en el éxito o el fracaso de toda la sociedad PCB Board design. When the circuit is determined, Componente seleccionado, and the PCB layout is determined, La tecnología de enrutamiento se puede utilizar para suprimir la ocurrencia de problemas de integridad de la señal, improve the reliability of the PCB Board, Y reducir la pérdida causada por la integridad de la señal. Aiming at the signal integrity problem caused by the high frequency environment of the embedded system PCB Board, En este trabajo se presenta un método para controlarlo mediante un cableado razonable.. Through the analysis of various signal integrity phenomena and the modeling and description of the electrical characteristics of transmission lines, A través de agujeros y esquinas, some methods for improving signal integrity by using wiring skills in PCB Board Por último, se resume el diseño., which have practical reference value.