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La technologie de câblage améliore l'intégrité des PCB embarqués
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La technologie de câblage améliore l'intégrité des PCB embarqués

2022-03-08
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Author:pcb

1 Introduction
Printed circuit boards are the basic support of circuit components and devices in electronic products, La qualité de la conception affecte souvent directement la fiabilité et la compatibilité des systèmes embarqués.. In the past, Dans certains circuits imprimés à basse vitesse, La fréquence de l'horloge est généralement d'environ 10 MHz. The main challenge of circuit board or package Conception was how to route all signal lines on the double-layer board and how to assemble without destroying the package. Les caractéristiques électriques des interconnexions ne sont pas importantes car elles n'affectent pas les performances du système.. In this sense, Les interconnexions dans la carte de circuit à basse vitesse du signal sont lisses et transparentes. However, Avec le développement du système embarqué, the circuits used are basically high-frequency circuits. En raison de l'augmentation de la fréquence de l'horloge, the rising edge of the signal is also shortened, La capacité et l'inductance du circuit imprimé à travers le signal seront beaucoup plus grandes que la résistance du circuit imprimé lui - même, ce qui affectera gravement l'intégrité du signal.. Pour les systèmes embarqués, L'effet d'intégrité du signal devient important lorsque la fréquence de l'horloge dépasse 100 MHz ou que le bord de montée est inférieur à 1 ns.. Cet article commence par les caractéristiques électriques réelles de la ligne de signalisation dans le circuit numérique à grande vitesse, establishes an electrical characteristics model, Trouver les principales causes et les solutions qui affectent l'intégrité du signal, and gives the problems that should be paid attention to in the wiring and the methods and skills to follow.

Circuits imprimés

2. Signal integrity
Generally, On peut considérer que l'intégrité du signal doit comprendre la signification suivante: la distorsion de la forme d'onde du signal doit être contrôlée dans une certaine plage., Le diagramme de séquence du flux de signal peut satisfaire aux exigences logiques, and the signal generation and transmission process is stable in the burst state. Il y a deux raisons principales à la destruction de l'intégrité du signal. First, Due to external Interference, especially the interference of the conduction channel, Y compris les effets de réflexion dus à l'inadéquation de l'impédance du canal de transmission, the original waveform is destroyed; secondly, Les signaux numériques produisent naturellement un effet de dispersion spectrale, Modifier la forme d'onde originale. When the clock frequency is relatively high, Par exemple, lorsque l'horloge atteint 10 MHz ou plus, ou lorsque le temps de bordure de l'impulsion atteint 1 ns ou moins, Nous découvrirons qu'il n'est pas facile de transmettre le signal à l'endroit prévu. There are many factors that affect signal integrity issues, Y compris Jitter , delay, Rebond au sol, reflections, Crosstalk, switching noise, Inadéquation de l'alimentation électrique, Atténuation, Tension d'impulsion, timing confusion, Attendez.. Signal integrity issues always involve the entire process of the signal, Par conséquent, la garantie de l'intégrité du signal exige un environnement physique dans lequel l'ensemble du signal fonctionne.. To do this, Il est nécessaire de modéliser le système d'intégrité du signal. Le modèle de système d'intégrité du signal doit comprendre trois parties: une source de signal complète., the physical coordination channel of the signal, Et la réception complète du signal. The main contents of the three parts are as follows:
(1) Complete signal source: ensure the integrity of the generated signal. Y compris la garantie d'alimentation électrique, noise filtering, Potentiel terrestre, common mode elimination, Assurance de l'impédance de sortie, etc.
(2) The physical coordination channel of the signal: Ensure that the signal does not change during transmission. These include: crosstalk, Retards, channel dips, Réflexion et résonance, bandwidth, attenuation, impedance control, Connexions de circuits, and more.
(3) Complete signal reception: ensure high-efficiency reception without distortion. These include: input impedance matching, Traitement de la mise à la terre, multi-terminal network mutual impedance, Capacité de découplage, 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. Signal envoyé de l'expéditeur au récepteur, and there is a transmission delay in between. Le retard du signal affectera le timing du système; Le retard de propagation est principalement déterminé par la longueur du conducteur et la constante diélectrique du milieu autour du conducteur.. Dans les systèmes numériques à grande vitesse, the length of the signal transmission line is a direct factor that affects the phase difference of the clock pulses. La différence de phase d'une impulsion d'horloge est le temps asynchrone pendant lequel les deux signaux d'horloge générés simultanément atteignent le récepteur.. La différence de phase de l'impulsion de l'horloge réduit la prévisibilité de l'arrivée du bord du signal, Si la différence de phase d'impulsion de l'horloge est trop grande, it will produce an erroneous signal at the receiving end.

2.2 Reflection: Reflection is the echo of the signal on the signal line. Lorsque le temps de retard du signal est beaucoup plus long que le temps de transition du signal, the signal line must be used as a transmission line. Lorsque l'impédance caractéristique de la ligne de transmission ne correspond pas à l'impédance de charge, a portion of the signal power (voltage or current) is transmitted to the line and reaches the load, Mais il y a aussi une partie qui se reflète. If the load impedance is smaller than the original impedance, Les réactions sont négatives; Sinon, Les réactions sont positives. Variations in trace geometry, Erreur de terminaison du câblage, transmission through connectors, Et les discontinuités dans le plan de puissance conduisent à cette réflexion.

2.3 Crosstalk: crosstalk est le couplage entre deux lignes de signal, the mutual inductance and mutual capacitance between the signal lines, Et le bruit de la ligne de signalisation. Capacitive coupling induces coupling current, Et le couplage inductif produit une tension de couplage. Crosstalk noise originates from electromagnetic coupling between signal lines, Entre le système de signalisation et le système de distribution, and between vias. Les enroulements croisés peuvent causer des erreurs d'horloge, Erreur intermittente de données, etc., Et affecte la qualité de transmission des signaux adjacents. In reality, Le Crosstalk ne peut pas être complètement éliminé, but it can be controlled within the range that the system can tolerate. Paramètres de la couche PCB, Distance entre les lignes de signalisation, the electrical characteristics of the driving end and the receiving end, Le mode de terminaison de base a une certaine influence sur le crosstalk. When wiring high-speed PCB boards, if the wiring space is small or the wiring density is high, Le problème de crosstalk est très grave., and the electromagnetic interference caused by it will seriously affect the signal of the circuit. Pour réduire les échanges, Les mesures suivantes peuvent être prises lors du câblage: terminaison correcte du fil de signalisation sensible au Crosstalk, and reduce the crosstalk by reducing the coupling capacitance through impedance matching.

2.4 Overshoot and undershoot: Overshoot is a peak or valley value exceeding the set voltage. Pour le bord ascendant, C'est la tension.; for the falling edge, it refers to the voltage. Undershoot is when the next valley or peak exceeds the set voltage. Un dépassement excessif peut entraîner le fonctionnement de la diode de protection, causing it to fail prematurely. Excessive undershoot can cause spurious clock or data errors (misoperations).

2.5 Oscillation and Surround Oscillation: Oscillation phenomena are repeated overshoots and undershoots. L'oscillation du signal est causée par l'inductance et la capacité de transition sur la ligne, Appartient à l'état sous - humide, while the surrounding oscillation belongs to the over-damped state. Oscillations et oscillations circulaires, like reflections, Est due à de nombreux facteurs, and oscillations can be reduced by proper termination, Mais pas complètement.. Ground bounce noise and return noise: When there is a large current surge in the circuit, Il provoque un bruit de rebond au sol. For example, Lorsque la sortie d'un grand nombre de puces est activée en même temps, there will be a large transient current between the chip and the board. Inductance et résistance à l'encapsulation de l'alimentation électrique à puce, which will cause voltage fluctuations and changes on the true ground plane, Ce bruit affecte le comportement des autres composants. The increase of the load capacitance, Réduction de la résistance à la charge, the increase of the ground inductance, L'augmentation du nombre de dispositifs de commutation entraînera une augmentation du mouvement du sol..

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, Mais à plusieurs niveaux, and the layers are connected through vias. Alors..., in a multi-layer PCB board, Un canal de transmission typique se compose principalement de trois parties: la ligne de transmission, trace corner, Et à travers les trous. In the case of low frequency, Les lignes imprimées et les passages de piste peuvent être considérés comme des connexions électriques normales reliant différentes broches d'équipement., Cela n'a pas beaucoup d'impact sur la qualité du signal. However, Haute fréquence, traces, Les coins et les trous ne doivent pas être considérés uniquement pour leur connectivité, but also the influence of their electrical characteristics and parasitic parameters at high frequencies.

4. Analysis of electrical characteristics of transmission lines in high-speed PCB boards
In the design of high-speed PCB board, it is inevitable to use a large number of signal connecting lines, Et la longueur est différente. The delay time of the signal passing through the connecting line can not be ignored compared with the change time of the signal itself, Le signal est transmis à la vitesse des ondes électromagnétiques. For upstream transmission, La ligne de connexion est maintenant un réseau complexe avec une résistance, capacitance, Et inductance, which needs to be described by a distributed parameter system model, Oui., the transmission line model. Une ligne de transmission est utilisée pour transmettre un signal d'une extrémité à l'autre et se compose de deux fils d'une certaine longueur., one is called the signal path and the other is called the return path. Dans les circuits à basse fréquence, transmission lines behave as purely resistive electrical properties. Haute vitesse PCB boards, Avec l'augmentation de la fréquence du signal de transmission, the capacitive impedance between the wires decreases, Augmentation de l'impédance induite sur le fil, and the signal wire will no longer behave as a pure resistance, Oui., the signal will not only be transmitted on the wire, Mais il se propage aussi dans le milieu entre les conducteurs. For a uniform wire, R ésistance 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. Analyse des caractéristiques électriques des trous dans les circuits à grande vitesse PCB boards
Via, usually refers to a hole in a printed circuit board, Est un facteur important dans la conception architecturale à plusieurs étages PCB boards. Les trous de travers peuvent être utilisés pour l'installation fixe ou l'interconnexion entre couches de l'ensemble plug - in. Du point de vue du processus, vias are generally divided into three categories: blind vias, Sous - perforation, Par trou. Blind holes are located on the top and bottom surfaces of the printed circuit board, Il y a une certaine profondeur., and are used for the connection of the surface layer circuit and the underlying inner layer circuit. La profondeur et le diamètre des trous ne dépassent généralement pas une certaine proportion. Par trou de raccordement enfoui, on entend un trou de raccordement situé à l'intérieur d'une carte de circuit imprimé., which do not extend to the surface of the circuit board. Les trous de travers traversent toute la carte de circuit et peuvent être utilisés pour l'interconnexion entre couches ou comme trous de montage pour les composants.. Parce que les trous de travers sont plus faciles à réaliser sur le plan technologique et moins coûteux, the general printed circuit board uses the through hole instead of the other two kinds of through holes. Les trous de travers mentionnés ci - dessous sont considérés comme des trous de travers. As a special transmission line, Les trous de travers ne produisent pas seulement une capacité parasitaire au sol, but also parasitic inductance in high-speed circuits. L'effet de la capacité parasitaire à travers le trou sur le circuit est principalement de ralentir ou de détériorer le bord ascendant du signal numérique., Réduire la vitesse du circuit. The smaller the parasitic capacitance value of the via, Moins d'impact. The main effect of the via parasitic inductance is to reduce the effectiveness of the power supply bypass capacitor and make the entire power supply filtering effect worse.

6. Contribution of transmission line corners to transmission channel signal integrity problems
When the printed line of the PCB board Au coin., the change of the width of the printed line is yes, L'impédance caractéristique de la ligne imprimée peut également changer. Since the width of the trace becomes wider when it passes the corner, Augmentation de la capacité entre la trace et la couche de référence, and the characteristic impedance of the trace decreases. Alors..., there is a discontinuity of characteristic impedance at the corner of the printed line, Cela provoque la réflexion du signal sur la ligne d'impression et affecte l'intégrité du signal.. Comparison of reflection and transmission characteristics of corners of different geometric shapes: Common PCB board Géométrie des angles de ligne tracés: angles droits, rounded corners, Angle de 45 degrés à l'intérieur et à l'extérieur, and 45-degree outside beveled corners. Les caractéristiques de réflexion et de transmission de l'angle de trajectoire de différentes géométries sont différentes. 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, La géométrie des coins de la ligne imprimée est courbée à angle droit et biseautée à 45 degrés.. Gamme de fréquences inférieure à 2gh, the track corner geometry has little effect on the signal transmission characteristics, L'effet augmente considérablement avec la fréquence, especially for right-angled corners. Il est recommandé d'utiliser une géométrie inclinée de 45 degrés pour plier l'angle de la trace à un angle droit, which itself has less impact on signal integrity. Lorsque la largeur de la ligne de signal dans la carte de circuit haute densité est étroite, Il est généralement peu probable que l'accumulation de retard causée par la capacité parasitaire angulaire ait un effet significatif sur l'intégrité du signal.. But for high-frequency sensitive circuits, Comme la ligne d'horloge haute fréquence, 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, Les courants et les tensions qui composent le signal traitent l'interconnexion comme un réseau d'impédance. As the signal propagates along the impedance network, Il subit constamment des changements transitoires d'impédance dus à l'interconnexion. Si l'impédance observée par le signal reste constante, the signal is not distorted. Une fois l'impédance changée, Le signal est réfléchi à la variation et déformé à travers les interconnexions restantes. If the impedance changes sufficiently, La distorsion provoque un déclenchement d'erreur. In the signal integrity optimization design process, Un objectif de conception important est de concevoir toutes les interconnexions comme des lignes de transmission unifiées., and reduce the length of all non-uniform transmission lines, Par conséquent, l'impédance perçue par le signal dans l'ensemble du réseau reste inchangée.. . Based on this, On peut conclure que certaines méthodes d'utilisation de la technologie de câblage pour supprimer les problèmes d'intégrité du signal sont les suivantes: la forme de la trace du conducteur imprimé ne doit pas être enroulée, Bifurcation ou angle dur, Évitez autant que possible les lignes en T et les pieux courts; Essayez de maintenir la même ligne de signal réseau. Line width, Réduire le changement de largeur de ligne; Réduire la longueur de la ligne de transmission, Augmenter la largeur du fil d'acier; Maximiser la distance entre les fils; Réduire au minimum les trous et les coins des lignes de signalisation à grande vitesse, Réduire la conversion entre couches des lignes de signalisation; Choisir raisonnablement la taille du trou de travers; Réduire la surface et le courant de la boucle de signal. In conclusion, Toute caractéristique qui modifie la section transversale ou la géométrie du réseau modifie l'impédance perçue par le signal.. The key to reducing signal integrity problems in cabling is to reduce the sudden change of impedance on the transmission line, Par conséquent, l'impédance du signal dans l'ensemble du réseau reste inchangée.. In short, En cours de conception PCB board, it is necessary to integrate the layout and wiring of the components and the solution to the signal integrity problem that should be used in each case, Afin de mieux résoudre le problème de l'intégrité du signal du système PCB board.

8. Conclusion
In today's wide application of embedded systems, L'intégrité des signaux est devenue un élément très important des technologies modernes de communication. PCB board Conception du système embarqué, affecting the success or failure of the entire PCB board design. When the circuit is determined, Composant sélectionné, and the PCB layout is determined, La technologie de câblage peut être utilisée pour supprimer les problèmes d'intégrité du signal, improve the reliability of the PCB board, Et réduire les pertes causées par les problèmes d'intégrité du signal. Aiming at the signal integrity problem caused by the high frequency environment of the embedded system PCB board, Cet article présente une méthode de suppression du câblage raisonnable.. Through the analysis of various signal integrity phenomena and the modeling and description of the electrical characteristics of transmission lines, Trous et coins, some methods for improving signal integrity by using wiring skills in PCB board Enfin, la conception est résumée., Valeur de référence réelle.