Tecnología de PCB - Señales en el diseño de placas de PCB digitales de alta velocidad

Con el aumento de la velocidad de salida del interruptor de circuito integrado y el aumento de la densidad de pcb, la integridad de la señal se ha convertido en una de las preocupaciones en el diseño de PCB digitales de alta velocidad. Factores como los parámetros de los componentes y los pcb, el diseño de los componentes en los PCB y el cableado de las líneas de señal de alta velocidad pueden causar problemas de integridad de la señal.

Para el diseño de pcb, la integridad de la señal requiere proporcionar un diseño de placa de circuito que no afecte el tiempo o el voltaje de la señal, mientras que para el diseño del circuito, la integridad de la señal requiere proporcionar componentes finales, estrategias de diseño e información de enrutamiento.

La alta velocidad de la señal en el pcb, el diseño incorrecto de los componentes terminales o el cableado incorrecto de las señales de alta velocidad pueden causar problemas de integridad de la señal, lo que puede hacer que el sistema emita datos incorrectos, el circuito no funcione correctamente o incluso no funcione en absoluto. Cómo diseñar PCB teniendo plenamente en cuenta los factores de integridad de la señal y tomar medidas de control efectivas en el proceso de diseño se ha convertido en un tema candente en la industria del diseño de PCB hoy en día.

1. problemas de integridad de la señal

Una buena integridad de la señal significa que la señal puede responder cuando sea necesario con la cronología correcta y los valores de nivel de voltaje. Por el contrario, cuando la señal no puede responder normalmente, se produce un problema de integridad de la señal.

Los problemas de integridad de la señal pueden causar o directamente distorsiones de la señal, errores de tiempo, datos incorrectos, direcciones y líneas de control, fallas del sistema e incluso colapsos del sistema. El problema de la integridad de la señal no se debe a un solo factor, sino en el diseño a nivel de tablero. Causado por una variedad de factores.

La velocidad del interruptor ic, el diseño incorrecto del componente de terminación o el cableado incorrecto de la señal de alta velocidad pueden causar problemas de integridad de la señal. Los principales problemas de integridad de la señal incluyen: retraso, reflexión, ruido del interruptor simultáneo, oscilación, rebote en tierra, conversación cruzada, etc.

2. definición de integridad de la señal

La integridad de la señal se refiere a la capacidad de la señal para responder en el circuito con el tiempo y el voltaje correctos. Es un Estado en el que la señal no está dañada y representa la calidad de la señal en la línea de la señal.

2.1 retrasos

El retraso se refiere a la transmisión de la señal a una velocidad limitada en el cable del pcb, y la señal se envía desde el extremo de transmisión al extremo de recepción, durante el cual existe un retraso en la transmisión. El retraso de la señal afectará el tiempo del sistema, y el retraso de transmisión depende principalmente de la longitud del cable y la constante dieléctrica del medio alrededor del cable.

En los sistemas digitales de alta velocidad, la longitud de la línea de transmisión de señal es el factor más directo que afecta la diferencia de fase del pulso del reloj. La diferencia de fase del pulso del reloj se refiere a las dos señales del reloj generadas simultáneamente, y su tiempo de llegada al extremo receptor no está sincronizado.

La diferencia de fase del pulso del reloj reduce la previsibilidad de la llegada del borde de la señal. Si la diferencia de fase del pulso del reloj es demasiado grande, se producirá una señal de error en el extremo receptor. Como se muestra en la figura 1, el retraso de la línea de transmisión se ha convertido en una parte importante del ciclo de pulso del reloj.

2.2 reflejo

El reflejo es el eco de la línea de transmisión secundaria. Cuando el tiempo de retraso de la señal es mucho mayor que el tiempo de conversión de la señal, la línea de señal debe usarse como línea de transmisión. Cuando la resistencia característica de la línea de transmisión no coincide con la resistencia de la carga, una parte de la Potencia de la señal (voltaje o corriente) se transmite a la línea y llega a la carga, pero una parte se refleja.

Si la resistencia de la carga es menor que la resistencia original, la reflexión es negativa; De lo contrario, el reflejo es positivo. Los cambios en la geometría del cableado, las terminaciones incorrectas de los cables, la transmisión a través del conector y las discontinuidades en el plano de la fuente de alimentación pueden causar este reflejo.

2.3 ruido del interruptor de sincronización (ssn)

Cuando muchas señales digitales en el PCB se cambian simultáneamente (como el bus de datos de la cpu, el bus de dirección, etc.), debido a la resistencia del cable de alimentación y el cable de tierra, se produce un ruido de cambio simultáneo, y también aparece un ruido de rebote del plano de tierra (bomba de tierra) en el cable de tierra.

La intensidad del SSN y del rebote en tierra también depende de las características de E / S del circuito integrado, la resistencia de la capa de alimentación y la capa plana del pcb, así como del diseño y cableado de los dispositivos de alta velocidad en el pcb.

2.4 crosstalk

La conversación cruzada se refiere al acoplamiento entre dos líneas de señal, y la inducción mutua y la capacidad mutua entre las líneas de señal producirán ruido en la línea. Corriente de acoplamiento por inducción acoplada capacitivamente y voltaje de acoplamiento por inducción acoplada inductivamente. El ruido de conversación cruzada se debe al acoplamiento electromagnético entre redes de líneas de señal, entre sistemas de señal y sistemas de distribución y entre agujeros.

El enredo cruzado puede causar falsos relojes, errores de datos intermitentes, etc., afectando así la calidad de transmisión de las señales adyacentes. De hecho, no necesitamos eliminar completamente las conversaciones cruzadas, solo controlándolas dentro de lo que el sistema puede soportar para lograr el objetivo.

Los parámetros de la capa de pcb, la distancia entre las líneas de señal, las características eléctricas del extremo de conducción y el extremo receptor y el método de terminación de la línea de base tienen un cierto impacto en la conversación cruzada.

2.5 sobreconciliación y falta de ajuste

El exceso de impulso significa que el primer pico o Valle supera el voltaje establecido. El borde ascendente se refiere al voltaje más alto, y el borde descendente se refiere al voltaje más bajo. El siguiente Valle o pico supera el voltaje establecido.

Un exceso de impulso excesivo puede hacer que el electrodo de protección funcione, lo que hará que falle prematuramente. Una descarga excesiva puede causar un reloj incorrecto o un error de datos (operación incorrecta).

2.6 sonar y redondear

Los fenómenos oscilantes son excesos y descensos repetidos. La oscilación de la señal es una oscilación causada por la inducción y el capacitor de la transición de la línea, que pertenece al Estado de subamortiguación, y la oscilación circundante pertenece al Estado de sobreamortiguación.

Las oscilaciones y las oscilaciones orbitales también son causadas por muchos factores, como la reflexión. Las oscilaciones pueden reducirse mediante una terminación adecuada, pero no pueden eliminarse por completo.

2.7 ruido de rebote y retorno en tierra

Cuando hay una gran corriente vagando en el circuito, causará ruido de rebote en el plano de tierra. Por ejemplo, cuando una gran cantidad de salidas de chips se conducen simultáneamente, una gran corriente instantánea fluirá a través del plano de potencia del CHIP y la placa. Los inductores y resistencias del encapsulamiento del CHIP y el plano de la fuente de alimentación causan ruido de potencia, lo que genera fluctuaciones y cambios de voltaje en el plano real de tierra (ov). Este ruido afectará el funcionamiento de otros componentes.

El aumento de la capacidad de carga, la disminución de la resistencia a la carga, el aumento de la inducción a tierra y el aumento del número de dispositivos de conmutación provocarán un aumento del rebote a tierra.

Debido a la División del plano de puesta a tierra (incluyendo la fuente de alimentación y la puesta a tierra), por ejemplo, el plano de puesta a tierra se divide en puesta a tierra digital, puesta a tierra analógica, puesta a tierra blindada, etc., cuando la señal digital llega a la zona de puesta a tierra analógica, se produce un ruido de retorno del plano de puesta a tierra.

Del mismo modo, el plano de alimentación también se puede dividir en 2,5v, 3,3v, 5v, etc. por lo tanto, en el diseño de PCB multitensión, se debe prestar especial atención al ruido de rebote y retorno del plano de tierra.