Blogue PCB - La technologie de routage améliore l'intégrité de la carte PCB intégrée

Les cartes de circuit imprimé sont le support de base des composants de circuit et des dispositifs dans les produits électroniques, et leur qualité de conception affecte souvent directement la fiabilité et la compatibilité des systèmes embarqués. Dans le passé, dans certaines cartes à basse vitesse, la fréquence d'horloge n'était généralement que d'environ 10 MHz. Le principal défi de la conception de la carte de circuit ou de l'emballage était de savoir comment acheminer toutes les lignes de signal sur la carte à double couche et comment assembler sans détruire l'emballage. Les caractéristiques électriques des interconnexions ne sont pas critiques puisque les interconnexions n'ont pas affecté les performances du système. En ce sens, les lignes d'interconnexion de la carte de circuit à basse vitesse de signal sont libres et transparentes. Cependant, avec le développement des systèmes embarqués, les circuits utilisés sont essentiellement des circuits haute fréquence. En raison de l'augmentation de la fréquence d'horloge, le bord montant du signal est également raccourci, et la réactivité capacitive et inductive du circuit imprimé au signal passant sera beaucoup plus grande que la résistance du circuit imprimé lui-même affecte sérieusement l'intégrité du signal. Pour les systèmes embarqués, les effets d'intégrité du signal deviennent importants lorsque les fréquences d'horloge dépassent 100 MHz ou que les bords montants sont inférieurs à 1 ns. Cet article commence par les caractéristiques électriques réelles des lignes de signal dans les circuits numériques à grande vitesse, établit un modèle de caractéristiques électriques, trouve les principales raisons qui affectent l'intégrité du signal et comment résoudre les problèmes, et donne les problèmes auxquels il faut prêter attention dans le câblage et les méthodes et les compétences à suivre.

2. Intégrité du signalGénéralement, on peut considérer que l'intégrité du signal doit inclure les significations suivantes: la distorsion de la forme d'onde du signal doit être contrôlée dans une certaine plage, le schéma chronologique du flux du signal peut répondre aux exigences logiques et le processus de génération et de transmission du signal est stable dans l'état de rupture. La destruction de l'intégrité du signal est principalement due à deux raisons. Tout d'abord, en raison d'interférences externes, notamment l'interférence du canal de conduction, y compris l'effet de réflexion causé par le désaccord d'impédance du canal de transmission, la forme d'onde d'origine est détruite; Deuxièmement, le signal numérique aura naturellement un effet de dispersion spectrale se produit, changeant la forme d'onde d'origine. Lorsque la fréquence d'horloge est relativement élevée, comme lorsque l'horloge atteint 10MHz ou plus ou que le temps de bord de l'impulsion atteint 1ns ou moins, nous constaterons qu'il n'est pas facile d'obtenir le signal où il est attendu. Il existe de nombreux facteurs qui influent sur les problèmes d'intégrité du signal, y compris la jitter, le retard, le rebond au sol, les réflexions, le crosstalk, le bruit de commutation, le décalage de l'alimentation électrique, l'atténuation, l'étirement des impulsions, la confusion du temps, etc. Les problèmes d'intégrité du signal impliquent toujours l'ensemble du processus du signal, de sorte que l'assurance de l'intégrité du signal nécessite l'environnement physique dans lequel fonctionne l'ensemble du signal. Pour ce faire, il est nécessaire de modéliser le système d'intégrité du signal. Le modèle de système d'intégrité du signal devrait comprendre trois parties: la source complète du signal, le canal de coordination physique du signal et la réception complète du signal. Le contenu principal des trois parties est le suivant: (1) Source de signal complète: assurer l'intégrité du signal généré. Ceux-ci comprennent la garantie d'alimentation, le filtrage du bruit, le potentiel de masse, l'élimination du mode commun, la garantie d'impédance de sortie, etc. (2) Le canal de coordination physique du signal: Assurez-vous que le signal ne change pas pendant la transmission. Ceux-ci comprennent: crosstalk, retards, dips de canal, réflexions et résonances, bande passante, atténuation, contrôle d'impédance, liaison de circuit, et plus encore. (3) Réception complète du signal: assurez une réception à haut rendement sans distorsion. Ceux-ci comprennent: l'appariement de l'impédance d'entrée, le traitement de mise à la terre, l'impédance mutuelle du réseau multi-terminaux, les condensateurs de découplage, les condensateurs de filtre, la distribution du signal du réseau d'entrée et les problèmes de protection du signal2.1 Delay: Delay signifie que le signal est transmis à une vitesse limitée sur la ligne de transmission de la carte PCB. Le signal est envoyé de l'émetteur au récepteur, et il y a un retard de transmission entre les deux. Les retards de signal ont un impact sur le timing du système; Les retards de propagation sont principalement déterminés par la longueur du fil et la constante diélectrique du milieu entourant le fil. Dans un système numérique à grande vitesse, la longueur de la ligne de transmission du signal est un facteur direct qui affecte la différence de phase des impulsions d'horloge. La différence de phase des impulsions d'horloge se réfère au temps asynchrone lorsque les deux signaux d'horloge générés en même temps arrivent à l'extrémité de réception. La différence de phase d'impulsion d'horloge réduit la prévisibilité de l'arrivée du bord du signal, et si la différence de phase d'impulsion d'horloge est trop grande, elle produira un signal erroné à l'extrémité de réception. Lorsque le temps de retard du signal est bien supérieur au temps de transition du signal, la ligne de signal doit être utilisée comme ligne de transmission. Lorsque l'impédance caractéristique de la ligne de transmission ne correspond pas à l'impédance de charge, une partie de la puissance du signal (tension ou courant) est transmise à la ligne et atteint la charge, mais une partie est réfléchie. Si l'impédance de charge est inférieure à l'impédance d'origine, la réflexion est négative; Sinon, la réflexion est positive. Les variations dans la géométrie des traces, la terminaison incorrecte du fil, la transmission par des connecteurs et les discontinuités du plan d'alimentation peuvent tous provoquer de tels réflexions.2.3 Crosstalk: Crosstalk est le couplage entre deux lignes de signal, l'inductance mutuelle et la capacité mutuelle entre les lignes de signal et le bruit sur la ligne de signal. Le couplage capacitif induit le courant de couplage, tandis que le couplage inductif induit la tension de couplage. Le bruit de croisement provient du couplage électromagnétique entre les lignes de signal, entre les systèmes de signal et les systèmes de distribution d'énergie et entre les vias. L'enroulement transversal peut provoquer de fausses horloges, des erreurs de données intermittentes, etc., et affecter la qualité de transmission des signaux adjacents. En réalité, le crosstalk ne peut pas être complètement éliminé, mais il peut être contrôlé dans la plage que le système peut tolérer. Les paramètres de la couche de PCB, la distance entre les lignes de signal, les caractéristiques électriques de l'extrémité d'entraînement et de réception, et le procédé de terminaison de ligne de base ont toutes une certaine influence sur le crosstalk. Lors du câblage de cartes PCB à grande vitesse, si l'espace de câblage est petit ou la densité de câblage est élevée, le problème de la falance croisée est très grave et l'interférence électromagnétique provoquée par elle affectera sérieusement le signal du circuit. Afin de réduire le crosstalk, les mesures suivantes peuvent être prises pendant le câblage: terminer correctement les lignes de signal sensibles au crosstalk et réduire le crosstalk en réduisant la capacité de couplage par correspondance d'impédance. Pour le bord montant, il se réfère à la tension; pour le bord de chute, il se réfère à la tension. Le sous-tir est lorsque la vallée ou le pic suivant dépasse la tension réglée. Un dépassement excessif peut provoquer le fonctionnement de la diode de protection, provoquant une défaillance prématurée. Un dépassement excessif peut provoquer des erreurs d'horloge ou de données fausses (mauvaises opérations).2.5 Oscillation et oscillation environnante : les phénomènes d'oscillation sont des dépassements et des dépassements répétés. L'oscillation du signal est l'oscillation provoquée par l'inductance et la capacité de la transition sur la ligne, qui appartient à l'état sous-amorti, tandis que l'oscillation environnante appartient à l'état trop amorti. Les oscillations et les oscillations environnantes, comme les réflexions, sont causées par de nombreux facteurs, et les oscillations peuvent être réduites par une terminaison appropriée, mais ne peuvent pas être complètement éliminées. Bruit de rebond au sol et bruit de retour: lorsqu'il y a une forte hausse de courant dans le circuit, il provoquera du bruit de rebond au sol. Par exemple, lorsque les sorties d'un grand nombre de puces sont allumées en même temps, il y aura un grand courant transitoire entre la puce et la carte. L'inductance et la résistance du paquet de puce et du plan d'alimentation causeront du bruit d'alimentation, ce qui provoquera des fluctuations de tension et des changements sur le vrai plan de masse, et ce bruit affectera le comportement d'autres composants. L'augmentation de la capacité de charge, la diminution de la résistance à la charge, l'augmentation de l'inductance de masse et l'augmentation du nombre de dispositifs de commutation conduiront tous à l'augmentation du rebond de masse.3. Analyse des caractéristiques électriques du canal de transmission Dans une carte PCB multicouche, la plupart des lignes de transmission ne sont pas disposées sur une seule couche, mais en échelons sur plusieurs couches, et les couches sont reliées par des vias. Par conséquent, dans une carte PCB multicouche, un canal de transmission typique comprend principalement trois parties: ligne de transmission, coin de trace et trou. Dans le cas de basse fréquence, les lignes imprimées et les vias de trace peuvent être considérées comme des connexions électriques ordinaires reliant des broches de différents dispositifs, ce qui n'aura pas beaucoup d'impact sur la qualité du signal. Cependant, à des fréquences élevées, les traces, les coins et les vias doivent tenir compte non seulement de leur connectivité, mais aussi de l'influence de leurs caractéristiques électriques et de leurs paramètres parasitaires à des fréquences élevées. Analyse des caractéristiques électriques des lignes de transmission dans les cartes PCB à grande vitesseDans la conception de cartes PCB à grande vitesse, il est inévitable d'utiliser un grand nombre de lignes de connexion de signal, et les longueurs sont différentes. Le temps de retard du signal traversant la ligne de connexion ne peut être ignoré par rapport au temps de changement du signal lui-même, et le signal est transmis à la vitesse des ondes électromagnétiques. Pour la transmission en amont, la ligne de connexion est actuellement un réseau complexe à résistance, capacité et inductance, qui doit être décrit par un modèle de système de paramètres distribués, c'est-à-dire le modèle de ligne de transmission. Une ligne de transmission est utilisée pour transmettre un signal d'une extrémité à l'autre et se compose de 2 fils d'une certaine longueur, l'un est appelé le chemin du signal et l'autre est appelé le chemin de retour. Dans les circuits à basse fréquence, les lignes de transmission se comportent comme des propriétés électriques purement résistives. Dans les cartes PCB à grande vitesse, à mesure que la fréquence du signal de transmission augmente, l'impédance capacitive entre les fils diminue, et l'impédance inductive sur les fils augmente, et le fil de signal ne se comportera plus comme une résistance pure, c'est-à-dire que le signal ne sera pas seulement transmis sur le fil, mais aussi Il se propage également dans le milieu entre les conducteurs. Pour un fil uniforme, la résistance R, l'inductance parasite L et la capacité parasite C de la ligne de transmission sont réparties de manière uniforme (c'est-à-dire L1=L2=â...=Ln; C1=C2=â...=Cn+1) sans tenir compte du changement de l'environnement extérieur. Analyse des caractéristiques électriques des vias dans les cartes PCB à grande vitesseVia, se réfère généralement à un trou dans une carte de circuit imprimé, est un facteur important dans la conception de cartes PCB multi-couches. Les vias peuvent être utilisés pour l'installation fixe de composants plug-in ou l'interconnexion entre couches. Du point de vue du processus, les vias sont généralement divisés en trois catégories: les vias aveugles, les vias enterrés et les vias à travers. Des trous aveugles sont situés sur les surfaces supérieure et inférieure de la carte de circuit imprimé, avec une certaine profondeur, et sont utilisés pour la connexion du circuit de couche superficielle et du circuit de couche interne sous-jacent. La profondeur du trou et le diamètre du trou ne dépassent généralement pas un certain rapport. Les vias enterrés sont des trous de connexion situés dans la couche interne de la carte de circuit imprimé, qui ne s'étendent pas à la surface de la carte de circuit imprimé. Les trous traversants traversent l'ensemble de la carte de circuit et peuvent être utilisés pour l'interconnexion entre couches ou comme trous de montage de composants. Parce que le trou traversant est plus facile à réaliser dans le processus et le coût est plus bas, la carte de circuit imprimé générale utilise le trou traversant au lieu des deux autres types de trous traversants. Les trous traversants mentionnés ci-dessous sont considérés comme des trous traversants. En tant que ligne de transmission spéciale, les vias génèrent non seulement une capacité parasite à la masse, mais également une inductance parasite dans les circuits à grande vitesse. L'impact de la capacité parasite du via sur le circuit est principalement de ralentir ou de détériorer le bord montant du signal numérique, réduisant la vitesse du circuit. Plus la valeur de capacité parasitaire du via est petite, plus l'impact est faible. L'effet principal de l'inductance parasite via est de réduire l'efficacité du condensateur de contournement de l'alimentation et de rendre l'effet de filtrage de l'alimentation entière pire.6. Contribution des coins de ligne de transmission aux problèmes d'intégrité du signal du canal de transmissionLorsque la ligne imprimée de la carte PCB passe à travers le coin, le changement de la largeur de la ligne imprimée est oui, et l'impédance caractéristique de la ligne imprimée change également. Comme la largeur de la trace devient plus large lorsqu'elle passe le coin, la capacité entre la trace et la couche de référence augmente et l'impédance caractéristique de la trace diminue. Par conséquent, il y a une discontinuité d'impédance caractéristique au coin de la ligne imprimée, ce qui conduit à la réflexion du signal sur la ligne imprimée et affecte l'intégrité du signal. Comparaison des caractéristiques de réflexion et de transmission des coins de différentes formes géométriques: Géométries communes de coins de lignes imprimées sur panneaux PCB: Coins en angle droit, coins arrondis, coins biseaux intérieurs et extérieurs de 45 degrés et coins biseaux extérieurs de 45 degrés. Les caractéristiques de réflexion et de transmission des coins de traces de différentes géométries sont différentes. L'ordre des excellentes caractéristiques de transmission est le suivant: angle droit < angle arrondi < 45 degrés de découpe à l'intérieur et à l'extérieur < 45 degrés de découpe à l'extérieur, et la géométrie d'angle de la ligne imprimée est courbe à angle droit et 45 degrés de découpe à l'extérieur. En dessous de la plage de fréquences de 2GH, la géométrie du coin de voie a peu d'effet sur les caractéristiques de transmission du signal, et son effet augmente considérablement à mesure que la fréquence augmente, en particulier pour les coins à angle droit. Il est recommandé que les coins de la trace soient pliés à un angle droit avec une géométrie basculée de 45 degrés, ce qui a lui-même moins d'impact sur l'intégrité du signal. Lorsque la largeur de la ligne de signal est étroite dans une carte de circuit haute densité, l'accumulation de retard provoquée par la capacité parasitaire de l'angle est généralement peu susceptible d'avoir un impact important sur l'intégrité du signal. Mais pour les circuits sensibles à haute fréquence, tels que les lignes d'horloge à haute fréquence, l'effet cumulatif de la capacité parasitaire d'angle devrait être pris en compte.7. Utilisez des techniques de câblage pour supprimer les problèmes d'intégrité du signalLorsque le signal est sorti de la source d'entraînement, les courants et les tensions qui composent le signal traitent l'interconnexion comme un réseau d'impédance. Si l'impédance vue par le signal reste la même, le signal n'est pas déformé. Une fois que l'impédance change, le signal est réfléchi au changement et déformé alors qu'il traverse le reste de l'interconnexion. Dans le processus de conception d'optimisation de l'intégrité du signal, un objectif important de conception est de concevoir toutes les lignes d'interconnexion comme des lignes de transmission uniformes et de réduire la longueur de toutes les lignes de transmission non uniformes, de sorte que l'impédance ressentie par les signaux dans l'ensemble du réseau reste inchangée. . Sur la base de cela, on peut conclure que certaines méthodes d'utilisation de techniques de câblage pour supprimer les problèmes d'intégrité du signal: la forme de trace des conducteurs imprimés ne devrait pas être enchevêtrée, ramifiée ou coins durs, essayez d'éviter les lignes en forme de T et les tronçons; Essayez de maintenir la même ligne de signal réseau. Largeur de ligne, réduire le changement de largeur de ligne; réduire la longueur de la ligne de transmission, augmenter la largeur du fil; essayer d'augmenter la distance entre les fils; essayer de réduire les vias et les coins des lignes de signal à grande vitesse et de réduire la conversion entre couches des lignes de signal; sélection raisonnable de la taille des vias; réduire la zone de boucle de signal et le courant de boucle. En conclusion, toute caractéristique qui modifie la section transversale ou la géométrie du réseau modifiera l'impédance vue par le signal. La clé pour réduire les problèmes d'intégrité du signal dans le câblage est de réduire le changement soudain d'impédance sur la ligne de transmission, de sorte que l'impédance subie par le signal dans l'ensemble du réseau reste inchangée. En bref, dans la conception de la carte PCB, il est nécessaire d'intégrer la mise en page et le câblage des composants et la solution au problème d'intégrité du signal qui devrait être utilisée dans chaque cas, afin de mieux résoudre le problème d'intégrité du signal de la carte PCB.8. ConclusionDans la large application actuelle des systèmes embarqués, l'intégrité du signal est devenue un contenu extrêmement important dans la conception de la carte PCB des systèmes embarqués, affectant le succès ou l'échec de la conception de la carte PCB entière. Lorsque le circuit est déterminé, les composants sont sélectionnés et la mise en page des PCB est déterminée, des techniques de câblage peuvent être utilisées pour supprimer l'apparition de problèmes d'intégrité du signal, améliorer la fiabilité de la carte PCB et réduire la perte causée par des problèmes d'intégrité du signal. Visant le problème d'intégrité du signal causé par l'environnement à haute fréquence de la carte PCB du système embarqué, ce document propose une méthode pour la supprimer par un câblage raisonnable. Grâce à l'analyse de divers phénomènes d'intégrité du signal et à la modélisation et à la description des caractéristiques électriques des lignes de transmission, des vias et des coins, certaines méthodes pour améliorer l'intégrité du signal en utilisant des compétences de câblage dans la conception de la carte PCB sont conclues, qui ont une valeur de référence pratique.