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Las placas de circuito impreso son el soporte básico de componentes y dispositivos de circuito en productos electrónicos, y su calidad de diseño a menudo afecta directamente a la fiabilidad y compatibilidad de los sistemas incrustados. En el pasado, en algunas placas de circuitos de baja velocidad, la frecuencia de reloj era generalmente solo de aproximadamente 10 MHz. El principal desafío de la placa de circuito o el diseño del paquete era cómo enrutar todas las líneas de señal en la placa de doble capa y cómo montar sin destruir el paquete. Las características eléctricas de las interconexiones no son críticas ya que las interconexiones no han afectado el rendimiento del sistema. En este sentido, las líneas de interconexión en la placa de circuito de baja velocidad de señal son sin obstáculos y transparentes. Sin embargo, con el desarrollo de sistemas incrustados, los circuitos utilizados son básicamente circuitos de alta frecuencia. Debido al aumento de la frecuencia de reloj, el borde ascendente de la señal también se acorta, y la reactancia capacitiva e inductiva del circuito impreso a la señal de paso será mucho mayor que la resistencia del circuito impreso mismo afecta seriamente a la integridad de la señal. Para los sistemas integrados, los efectos de integridad de la señal se vuelven importantes cuando las frecuencias de reloj superan los 100 MHz o los bordes ascendentes son inferiores a 1 ns. Este documento parte de las características eléctricas reales de las líneas de señal en circuitos digitales de alta velocidad, establece un modelo de características eléctricas, encuentra las principales razones que afectan a la integridad de la señal y cómo resolver los problemas, y da los problemas a los que debe prestarse atención en el cableado y los métodos y habilidades a seguir.
Integridad de la señal En general, se puede considerar que la integridad de la señal debe incluir los siguientes significados: la distorsión de la forma de onda de la señal debe controlarse dentro de un cierto intervalo, el diagrama de temporización del flujo de señal puede cumplir con los requisitos lógicos, y el proceso de generación y transmisión de señal es estable en el estado de ráfaga. La destrucción de la integridad de la señal se debe principalmente a dos razones. En primer lugar, debido a la interferencia externa, especialmente la interferencia del canal de conducción, incluyendo el efecto de reflexión causado por la incompatibilidad de impedancia del canal de transmisión, se destruye la forma de onda original; En segundo lugar, la señal digital producirá naturalmente un efecto de dispersión espectral, cambiando la forma de onda original. Cuando la frecuencia de reloj es relativamente alta, como cuando el reloj alcanza 10MHz o más o el tiempo de borde del pulso alcanza 1ns o menos, descubriremos que no es fácil obtener la señal donde se espera. Hay muchos factores que afectan a los problemas de integridad de la señal, incluyendo jitter, retraso, rebote de tierra, reflejos, crosstalk, ruido de conmutación, desajuste de fuente de alimentación, atenuación, estiramiento de pulso, confusión de temporización, etc. Los problemas de integridad de la señal siempre involucran todo el proceso de la señal, por lo que la garantía de la integridad de la señal requiere el entorno físico en el que funciona toda la señal. Para ello, es necesario modelar el sistema de integridad de señal. El modelo de sistema de integridad de señal debe incluir tres partes: la fuente de señal completa, el canal de coordinación física de la señal y la recepción completa de la señal. Los contenidos principales de las tres partes son los siguientes: (1) Fuente de señal completa: asegurar la integridad de la señal generada. Estos incluyen garantía de fuente de alimentación, filtrado de ruido, potencial de tierra, eliminación del modo común, garantía de impedancia de salida, etc. (2) El canal de coordinación física de la señal: Asegúrese de que la señal no cambie durante la transmisión. Estos incluyen: crosstalk, retrasos, bajadas de canal, reflexiones y resonancias, ancho de banda, atenuación, control de impedancia, enlace de circuito y más. (3) Recepción de señal completa: garantizar la recepción de alta eficiencia sin distorsión. Estos incluyen: emparejamiento de impedancia de entrada, procesamiento de puesta a tierra, impedancia mutua de red multiterminal, condensadores de desacoplamiento, condensadores de filtro, distribución de señal de red de entrada y problemas de protección de señal2.1 Retraso: Retraso significa que la señal se transmite a una velocidad limitada en la línea de transmisión de la placa PCB. La señal se envía desde el emisor al receptor, y hay un retraso de transmisión entre ellos. Los retrasos de la señal tienen un impacto en el tiempo del sistema; Los retrasos de propagación se determinan principalmente por la longitud del alambre y la constante dieléctrica del medio que rodea el alambre. En un sistema digital de alta velocidad, la longitud de la línea de transmisión de señal es un factor directo que afecta a la diferencia de fase de los pulsos de reloj. La diferencia de fase de los pulsos de reloj se refiere al tiempo asíncrono cuando las dos señales de reloj generadas al mismo tiempo llegan al extremo receptor. La diferencia de fase del pulso de reloj reduce la previsibilidad de la llegada del borde de la señal, y si la diferencia de fase del pulso de reloj es demasiado grande, producirá una señal errónea en el extremo receptor. Cuando el tiempo de retardo de la señal es mucho mayor que el tiempo de transición de la señal, la línea de señal debe usarse como una línea de transmisión. Cuando la impedancia característica de la línea de transmisión no coincide con la impedancia de carga, una porción de la potencia de señal (voltaje o corriente) se transmite a la línea y alcanza la carga, pero una porción se refleja. Si la impedancia de carga es menor que la impedancia original, la reflexión es negativa; De lo contrario, la reflexión es positiva. Variaciones en la geometría de traza, terminación de cable incorrecta, transmisión a través de conectores y discontinuidades en el plano de potencia pueden causar tales reflejos.2.3 Crosstalk: Crosstalk es el acoplamiento entre dos líneas de señal, la inductancia mutua y la capacitancia mutua entre las líneas de señal y el ruido en la línea de señal. El acoplamiento capacitivo induce la corriente de acoplamiento, mientras que el acoplamiento inductivo induce la tensión de acoplamiento. El ruido de conversación cruzada se origina en el acoplamiento electromagnético entre líneas de señal, entre sistemas de señal y sistemas de distribución de energía, y entre vías. El enrollamiento transversal puede causar relojes falsos, errores de datos intermitentes, etc., y afectar a la calidad de transmisión de señales adyacentes. En realidad, el crosstalk no puede eliminarse completamente, pero puede controlarse dentro del rango que el sistema puede tolerar. Los parámetros de la capa de PCB, la distancia entre las líneas de señal, las características eléctricas del extremo de accionamiento y del extremo de recepción, y el método de terminación de la línea de base, todos tienen una cierta influencia en la conversación transversal. Al cablear placas PCB de alta velocidad, si el espacio de cableado es pequeño o la densidad de cableado es alta, el problema de la conversación cruzada es muy grave y la interferencia electromagnética causada por ella afectará seriamente a la señal del circuito. Para reducir la interferencia, se pueden tomar las siguientes medidas durante el cableado: terminar adecuadamente las líneas de señal sensibles a la interferencia y reducir la interferencia reduciendo la capacitancia de acoplamiento mediante la coincidencia de impedancia. Para el borde ascendente, se refiere a la tensión; para el borde de caída, se refiere a la tensión. El subdisparo es cuando el siguiente valle o pico excede el voltaje establecido. El exceso excesivo puede hacer que el diodo de protección funcione, haciendo que falle prematuramente. El excesivo exceso puede causar errores de reloj o datos (operaciones erróneas).2.5 Oscilación y oscilación circundante: Los fenómenos de oscilación son excesos y excesos repetidos. La oscilación de la señal es la oscilación causada por la inductancia y la capacitancia de la transición en la línea, que pertenece al estado subamortiguado, mientras que la oscilación circundante pertenece al estado sobreamortiguado. La oscilación y las oscilaciones circundantes, como las reflexiones, son causadas por muchos factores, y las oscilaciones pueden reducirse mediante una terminación adecuada, pero no pueden eliminarse completamente. Ruido de rebote de tierra y ruido de retorno: Cuando hay una gran oleada de corriente en el circuito, causará ruido de rebote de tierra. Por ejemplo, cuando las salidas de un gran número de chips se encenden al mismo tiempo, habrá una gran corriente transitoria entre el chip y la placa. La inductancia y la resistencia del paquete del chip y el plano de alimentación causarán ruido de fuente de alimentación, lo que causará fluctuaciones de voltaje y cambios en el verdadero plano de tierra, y este ruido afectará el comportamiento de otros componentes. El aumento de la capacitancia de carga, la disminución de la resistencia de carga, el aumento de la inductancia de tierra y el aumento del número de dispositivos de conmutación conducirán al aumento del rebote de tierra.3. Análisis de las características eléctricas del canal de transmisión En una placa de PCB de múltiples capas, la mayoría de las líneas de transmisión no solo están dispuestas en una sola capa, sino escalonadas en múltiples capas, y las capas están conectadas a través de vías. Por lo tanto, en una placa de PCB de múltiples capas, un canal de transmisión típico incluye principalmente tres partes: línea de transmisión, esquina de traza y vía orificio. En el caso de baja frecuencia, las líneas impresas y las vías de traza pueden considerarse conexiones eléctricas ordinarias que conectan pasadores de diferentes dispositivos, lo que no tendrá mucho impacto en la calidad de la señal. Sin embargo, a altas frecuencias, las trazas, esquinas y vías no solo deben considerarse su conectividad, sino también la influencia de sus características eléctricas y parámetros parasitarios a altas frecuencias. Análisis de las características eléctricas de las líneas de transmisión en las placas de PCB de alta velocidad En el diseño de la placa de PCB de alta velocidad, es inevitable usar un gran número de líneas de conexión de señal, y las longitudes son diferentes. El tiempo de retardo de la señal que pasa a través de la línea de conexión no puede ignorarse en comparación con el tiempo de cambio de la propia señal, y la señal se transmite a la velocidad de las ondas electromagnéticas. Para la transmisión aguas arriba, la línea de conexión en este memento es una red compleja con resistencia, capacitancia e inductancia, que necesita describirse mediante un modelo de sistema de parámetros distribuidos, es decir, el modelo de línea de transmisión. Una línea de transmisión se utiliza para transmitir una señal de un extremo al otro y consiste en 2 cables con una cierta longitud, uno se llama la trayectoria de señal y el otro se llama la trayectoria de retorno. En los circuitos de baja frecuencia, las líneas de transmisión se comportan como propiedades eléctricas puramente resistivas. En las placas de PCB de alta velocidad, a medida que aumenta la frecuencia de la señal de transmisión, disminuye la impedancia capacitiva entre los alambres, y aumenta la impedancia inductiva en los alambres, y el alambre de señal ya no se comportará como una resistencia pura, es decir, la señal no solo se transmitirá en el alambre, sino que también se propagará en el medio entre conductores. Para un cable uniforme, la resistencia R, la inductancia parásita L y la capacitancia parásita C de la línea de transmisión se distribuyen uniformemente (es decir, L1 = L2 = Ln; C1 = C2 = Cn + 1) sin considerar el cambio del entorno externo. El análisis de las características eléctricas de los vias en las placas de PCB de alta velocidad, generalmente se refiere a un agujero en una placa de circuito impreso, es un factor importante en el diseño de placas de PCB de múltiples capas. Los vias se pueden utilizar para la instalación fija de componentes enchufables o la interconexión entre capas. Desde una perspectiva de proceso, los vias generalmente se dividen en tres categorías: vias ciegas, vias enterradas y vias a través. Los agujeros ciegos están situados en las superficies superior e inferior de la placa de circuito impreso, con una cierta profundidad, y se utilizan para la conexión del circuito de capa superficial y el circuito de capa interna subyacente. La profundidad del orificio y el diámetro del orificio generalmente no exceden una cierta relación. Las vías enterradas se refieren a orificios de conexión situados en la capa interna de la placa de circuito impreso, que no se extienden a la superficie de la placa de circuito impreso. Los orificios pasantes pasan a través de toda la placa de circuito y se pueden usar para la interconexión entre capas o como orificios de montaje para componentes. Debido a que el orificio pasante es más fácil de realizar en el proceso y el costo es menor, la placa de circuito impreso general utiliza el orificio pasante en lugar de los otros dos tipos de orificios pasantes. Los orificios a través mencionados a continuación se consideran orificios a través. Como una línea de transmisión especial, los vias no solo generan capacitancia parasitaria a tierra, sino también inductancia parasitaria en circuitos de alta velocidad. El impacto de la capacitancia parasitaria del vía en el circuito es principalmente para ralentizar o deteriorar el borde ascendente de la señal digital, reduciendo la velocidad del circuito. Cuanto menor sea el valor de capacitancia parasitaria de la vía, menor será el impacto. El efecto principal de la inductancia parasitaria vía es reducir la eficacia del condensador de bypass de la fuente de alimentación y empeorar el efecto de filtrado de toda la fuente de alimentación. Contribución de las esquinas de la línea de transmisión a los problemas de integridad de la señal del canal de transmisión Cuando la línea impresa de la placa de PCB pasa a través de la esquina, el cambio de la anchura de la línea impresa es sí, y la impedancia característica de la línea impresa también cambia. Puesto que la anchura de la traza se hace más ancha cuando pasa la esquina, la capacitancia entre la traza y la capa de referencia aumenta, y la impedancia característica de la traza disminuye. Por lo tanto, hay una discontinuidad de impedancia característica en la esquina de la línea impresa, lo que conduce a la reflexión de la señal en la línea impresa y afecta a la integridad de la señal. Comparación de las características de reflexión y transmisión de esquinas de diferentes formas geométricas: Geometrías de esquinas de línea impresas de placas PCB comunes: esquinas rectangulares, esquinas redondeadas, esquinas biseladas de 45 grados dentro y fuera y esquinas biseladas de 45 grados fuera. Las características de reflexión y transmisión de las esquinas de trazas de diferentes geometrías son diferentes. El orden de excelentes características de transmisión es el siguiente: ángulo recto < esquina redondeada < corte biselado de 45 grados dentro y fuera < corte biselado externo de 45 grados, y la geometría de la esquina de la línea impresa es doblada en ángulo recto y corte biselado externo de 45 grados. Por debajo del rango de frecuencia de 2GH, la geometría de la esquina de pista tiene poco efecto en las características de transmisión de señal, y su efecto aumenta significativamente a medida que aumenta la frecuencia, especialmente para esquinas en ángulo recto. Se recomienda que las esquinas de la pista se doblen en ángulo recto con una geometría biselada de 45 grados, lo que en sí mismo tiene menos impacto en la integridad de la señal. Cuando la anchura de la línea de señal es estrecha en una placa de circuito de alta densidad, es generalmente improbable que la acumulación de retardo causada por la capacitancia parasitaria de la esquina tenga un gran impacto en la integridad de la señal. Pero para los circuitos sensibles de alta frecuencia, como las líneas de reloj de alta frecuencia, se debe considerar el efecto acumulativo de la capacitancia parasitaria de esquina. Utilizar técnicas de cableado para suprimir problemas de integridad de la señalCuando la señal es emitida desde la fuente de accionamiento, las corrientes y voltajes que componen la señal tratan la interconexión como una red de impedancia.A medida que la señal se propaga a lo largo de la red de impedancia, experimenta constantemente cambios de impedancia transitorios causados por la interconexión. Si la impedancia vista por la señal permanece la misma, la señal no se distorsiona. Una vez que la impedancia cambia, la señal se refleja en el cambio y se distorsiona a medida que viaja a través del resto de la interconexión. En el proceso de diseño de optimización de la integridad de la señal, un objetivo de diseño importante es diseñar todas las líneas de interconexión como líneas de transmisión uniformes y reducir la longitud de todas las líneas de transmisión no uniformes, de modo que la impedancia sentida por las señales en toda la red permanezca inalterada. . Sobre la base de esto, se puede concluir que algunos métodos de uso de técnicas de cableado para suprimir problemas de integridad de la señal: la forma de traza de los conductores impresos no debe estar enredada, ramificada o esquinas duras, tratar de evitar líneas y tallones en forma de T; Intenta mantener la misma línea de señal de red. Ancho de línea, reducir el cambio de ancho de línea; reducir la longitud de la línea de transmisión, aumentar el ancho del alambre; tratar de aumentar la distancia entre los alambres; tratar de reducir los vias y esquinas de las líneas de señal de alta velocidad, y reducir la conversión entre capas de las líneas de señal; selección razonable del tamaño de vias; reducir el área del bucle de señal y la corriente del bucle. En conclusión, cualquier característica que cambie la sección transversal o la geometría de la red cambiará la impedancia vista por la señal. La clave para reducir los problemas de integridad de la señal en el cableado es reducir el cambio repentino de impedancia en la línea de transmisión, de modo que la impedancia experimentada por la señal en toda la red permanezca inalterada. En resumen, en el diseño de la placa de PCB, es necesario integrar el diseño y el cableado de los componentes y la solución al problema de integridad de la señal que debe utilizarse en cada caso, para resolver mejor el problema de integridad de la señal de la placa de PCB.8. Conclusión En la amplia aplicación actual de sistemas incrustados, la integridad de la señal se ha convertido en un contenido extremadamente importante en el diseño de la placa de PCB de los sistemas incrustados, afectando el éxito o el fracaso de todo el diseño de la placa de PCB. Cuando se determina el circuito, se seleccionan los componentes y se determina la disposición de la PCB, se pueden usar técnicas de cableado para suprimir la aparición de problemas de integridad de la señal, mejorar la fiabilidad de la placa de PCB y reducir la pérdida causada por problemas de integridad de la señal. Con el objetivo de abordar el problema de integridad de la señal causado por el entorno de alta frecuencia de la placa de PCB del sistema incrustado, este documento propone un método para suprimirlo mediante cableado razonable. A través del análisis de varios fenómenos de integridad de la señal y el modelado y la descripción de las características eléctricas de las líneas de transmisión, vías y esquinas, se concluyen algunos métodos para mejorar la integridad de la señal mediante el uso de habilidades de cableado en el diseño de placas de PCB, que tienen valor de referencia práctico.
