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Technologie PCB
Conception de la contrôlabilité des PCB à grande vitesse et de la compatibilité électromagnétique
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Conception de la contrôlabilité des PCB à grande vitesse et de la compatibilité électromagnétique

2021-08-24
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Author:IPCB

Défis liés à la conception des systèmes électroniques


With the large-scale increase in system design complexity and integration, electronic system designEuh... are engaged in circuit design above 100MHZ, La fréquence de fonctionnement du bus a atteint ou dépassé 5.0 MHz, and some even exceeded 100MHZ. Actuellement, about 50% of the designs have a clock frequency of more than 50MHz, Près de 20% des conceptions ont des fréquences d'horloge supérieures à 120 MHz.


When the system works at 50MHz, Il y aura des problèmes d'effet de ligne de transmission et d'intégrité du signal; Lorsque l'horloge du système atteint 120 MHz, unless Conception de circuits à grande vitesse Utilisation des connaissances, Circuits impriméss designed based on traditional methods will not work. Alors..., Conception de circuits à grande vitesse technology has become a design method that electronic system designers must adopt. La contrôlabilité du processus de conception ne peut être obtenue qu'en utilisant Conception de circuits à grande vitesseers.


(2) What is a high-speed circuit


On considère généralement que les circuits logiques numériques sont appelés circuits à grande vitesse s'ils ont une fréquence comprise entre 45 MHz et 50 MHz ou plus et si les circuits fonctionnant au - dessus de cette fréquence représentent une partie (par exemple, un tiers) de l'ensemble du système électronique.


En fait, la fréquence harmonique du bord du signal est supérieure à la fréquence du signal lui - même. Le bord ascendant et le bord descendant du signal (ou le saut du signal) peuvent entraîner des résultats inattendus dans la transmission du signal. Par conséquent, il est généralement admis que ces signaux sont considérés comme des signaux à grande vitesse et produisent un effet de ligne de transmission si le retard de propagation de la ligne est supérieur à 1 / 2 du temps de montée de l'extrémité d'entraînement du signal numérique.


La transmission du signal se produit au moment où l'état du signal change, comme le temps de montée ou de descente. Le signal passe par un temps fixe de l'extrémité d'entraînement à l'extrémité de réception. Si le temps de transmission est inférieur à 1 / 2 du temps de montée ou de descente, le signal réfléchi du récepteur atteindra l'extrémité d'entraînement avant que le signal ne change d'état. Inversement, lorsque le signal change d'état, le signal réfléchi atteint l'extrémité d'entraînement. Si le signal réfléchi est fort, la forme d'onde superposée peut changer l'état logique.


Mesure du signal à grande vitesse


Nous définissons ci - dessus les conditions préalables à l'effet de ligne de transmission, but how do we know whether the line delay is greater than 1/2 temps de montée du signal à l'extrémité d'entraînement? Generally, Une valeur typique du temps de montée du signal peut être donnée dans le manuel de l'équipement., Le temps de propagation du signal est déterminé par la longueur réelle du câblage dans le circuit. Circuits imprimés design. The following figure shows the corresponding relationship between the signal rise time and the allowable wiring length (delay).


Retard par pouce sur le réseau Circuits imprimés is 0.167ns. Cependant,, S'il y a beaucoup de trous, many device pins, Et de nombreuses restrictions sur les câbles réseau, Les retards augmenteront. Generally, Le temps de montée du signal du dispositif logique à grande vitesse est d'environ 0.2ns. S'il y a une puce GaAs sur la carte de circuit, the maximum wiring length is 7.62 mm.


Let Tr be the signal rise time and Tpd be the signal line propagation delay. Si 4tpd, the signal falls in a safe area. Si 2tpd – tr – 4tpd, Le signal tombe dans une zone incertaine. Si tr - 2tpd, the signal falls in the problem area. Pour les signaux tombant dans des zones incertaines et problématiques, high-speed wiring methods should be used.


Qu'est - ce qu'une ligne de transmission


Traces sur le murCircuits imprimés boardcan be equivalent to the series and parallel capacitance, La structure de la résistance et de l'inductance est illustrée dans la figure ci - dessous.. La valeur typique de la résistance en série est 0.25-0.55 ohms/Pieds. Because of the insulating layer, La résistance de la résistance parallèle est généralement très élevée. After adding parasitic resistance, Valeur réelle de la capacité et de l'inductance Circuits imprimés wiring, L'impédance finale sur la ligne est appelée impédance caractéristique zo. Plus le diamètre du fil est large, the closer to the power/Au sol, or the higher the dielectric constant of the isolation layer, Plus l'impédance caractéristique est faible. If the impedance of the transmission line and the receiving end do not match, Le signal de courant de sortie et l'état d'équilibre final du signal seront différents, which causes the signal to be reflected at the receiving end, Le signal réfléchi est transmis à l'extrémité de transmission du signal et réfléchi à nouveau. Avec moins d'énergie, the amplitude of the reflected signal will decrease until the voltage and current of the signal stabilize. Cet effet est appelé oscillation, and the oscillation of a signal can often be seen on the rising and falling edges of the signal.


Effet de la ligne de transmission


Modèle de ligne de transmission basé sur les définitions ci - dessus, En résumé, the transmission line will bring the following effects to the entire circuit design.


Signal réfléchi

• Delay & Timing errors

Erreur de dépassement répétée du seuil de la couche logique erreur de commutation

• Overshoot/Tentative

Bruit induit (ou Crosstalk)

• EMI radiation


5.1 signaux réfléchis


If a trace is not properly terminated (terminal matching), then the signal pulse from the driving end is reflected at the receiving end, Provoque des effets inattendus et déforme le contour du signal. When the distortion is very significant, Il peut causer des erreurs et des défaillances de conception. En même temps, the susceptibility of the distorted signal to noise increases, Cela peut également entraîner une défaillance de la conception.. If the above situation is not considered enough, L'IME augmentera considérablement, which will not only affect the results of its own design, Mais il peut aussi causer des problèmes dans l'ensemble du système.


La principale raison du signal réfléchi est que la trace est trop longue; Lignes de transmission qui ne se terminent pas par une correspondance, une capacité ou une inductance excessive et un décalage d'impédance.


5.2 erreurs de retard et de synchronisation


Les erreurs de retard et de synchronisation du signal se manifestent comme suit: lorsque le signal change entre les seuils élevés et faibles du niveau logique, le signal ne saute pas pendant une certaine période. Un retard excessif du signal peut entraîner des erreurs de synchronisation et un mauvais fonctionnement de l'équipement.


Lorsqu'il y a plusieurs récepteurs, des problèmes surviennent souvent. Le concepteur de circuit doit déterminer le délai le plus défavorable pour assurer l'exactitude de la conception. Cause du retard du signal: le conducteur est surchargé et le câblage est trop long.


5.3 Multiple times of crossing the logic level threshold error


Au cours de la conversion, le signal peut dépasser le seuil de niveau logique plusieurs fois, ce qui entraîne de telles erreurs. L'erreur de dépassement multiple du seuil de niveau logique est une forme particulière d'oscillation du signal, c'est - à - dire que l'oscillation du signal se produit près du seuil de niveau logique et que le dépassement multiple du seuil de niveau logique entraîne un dysfonctionnement logique. Causes des signaux réfléchis: longues traces, lignes de transmission non raccordées, capacité ou inductance excessive et inadéquation de l'impédance.


5.4 dépassement et sous - dépassement


Le dépassement et le Sous - réglage sont dus à deux raisons: la trajectoire est trop longue ou le signal change trop rapidement. Bien que la plupart des récepteurs d'éléments soient protégés par des diodes de protection d'entrée, ces niveaux de dépassement peuvent parfois dépasser de loin la plage de tension d'alimentation de l'élément et endommager l'élément.


5.5 Crosstalk


Le Crosstalk se présente comme un signal passant par une ligne de signal, Le signal associé sera détecté sur la ligne de signal à proximité Circuits imprimés. On appelle ça le crosstalk..


Plus la ligne de signal est proche du sol, plus l'espacement entre les lignes est grand et plus le signal de crosstalk est petit. Les signaux d'horloge et les conversations croisées plus asynchrones sont plus susceptibles de se produire. Par conséquent, la méthode de crosstalk consiste à éliminer le signal de crosstalk ou à protéger le signal d'interférence grave.

ATL

5.6 rayonnement électromagnétique


EMI (Electro-Magnetic Interference) refers to electromagnetic interference. Parmi les problèmes qui en résultent figurent les rayonnements électromagnétiques excessifs et la sensibilité aux rayonnements électromagnétiques.. EMI is manifested in that when a digital system is powered on, Il émet des ondes électromagnétiques dans son environnement., thereby interfering with the normal operation of electronic equipment in the surrounding environment. La raison principale est que la fréquence de fonctionnement du circuit est trop élevée et que la disposition est déraisonnable.. Outils logiciels disponibles pour la simulation EMI, but EMI simulators are very expensive, Et il est difficile de définir les paramètres de simulation et les conditions limites, which will directly affect the accuracy and practicability of the simulation results. L'approche la plus courante consiste à appliquer diverses règles de conception à tous les aspects de la conception pour contrôler l'IME., so as to realize the rule-driven and control in every aspect of the design.


Moyens d'éviter les effets de la ligne de transmission


Compte tenu de l'impact des problèmes de lignes de transport susmentionnés,, let's talk about the methods to control these influences from the following aspects.


6.1 contrôler strictement la longueur des câbles du réseau critique


S'il y a des bords de transition à grande vitesse dans la conception, the problem of the transmission line effect on the Circuits imprimés Il faut y réfléchir.. Fast integrated circuit chips with very high clock frequencies that are commonly used nowadays have such Questions. Voici quelques principes de base pour résoudre ce problème: Si vous utilisez un circuit CMOS ou TTL pour la conception, Fréquence de fonctionnement inférieure à 10 MHz, and the wiring length should not be greater than 7 inches. La longueur du câblage ne doit pas dépasser 1.5 inches at 50MHz. Si la fréquence de fonctionnement atteint ou dépasse 75 MHz, La longueur du câblage doit être de 1 pouce. La longueur maximale du câblage de la puce GaAs doit être de 0.3 pouces. If this standard is exceeded, La ligne de transmission sera défectueuse.


6.2 planification rationnelle de la topologie du câblage


Another way to solve the transmission line effect is to select the correct wiring path and terminal topology. La topologie du câblage fait référence à la séquence et à la structure du câblage des câbles du réseau.. When using high-speed logic devices, Sauf si la longueur de la branche de suivi reste plus courte, signals with rapidly changing edges will be distorted by the branch traces on the signal trunk trace. Dans des conditions normales, Circuits imprimés routing uses two basic topologies, C'est - à - dire le routage de la chaîne chrysanthème et la distribution des étoiles.


Pour le câblage de la chaîne Daisy, le câblage commence à l'extrémité d'entraînement et se termine successivement à chaque extrémité de réception. Si une résistance en série est utilisée pour modifier les caractéristiques du signal, la résistance en série doit être située près de l'extrémité d'entraînement. Dans le contrôle de l'interférence harmonique de haut ordre du câblage, le câblage à chaîne Daisy est le meilleur. Cependant, ce mode de câblage a le taux de distribution le plus faible et n'est pas facile à distribuer à 100%. Dans la conception réelle, nous avons réduit au minimum la longueur des branches dans le câblage de la chaîne Daisy. La valeur de longueur de sécurité doit être: délai Stub < = TRT * 0,1.


Par exemple, la longueur de l'extrémité de la branche dans un circuit TTL à grande vitesse devrait être inférieure à 1,5 pouce. Cette topologie prend moins d'espace de câblage et peut être terminée avec une résistance. Cependant, cette structure de câblage permet la réception asynchrone de signaux provenant de différents récepteurs de signaux.


The star topology structure can effectively avoid the asynchronous problem of the clock signal, Mais il est très difficile de terminer manuellement le câblage à haute densité Circuits imprimés board. L'utilisation d'un routeur automatique est la meilleure façon d'effectuer le routage des étoiles. Terminating resistors are required on each branch. La résistance de la résistance terminale doit correspondre à l'impédance caractéristique de la connexion.. This can be calculated manually or by CAD tools to calculate the characteristic impedance value and the terminal matching resistance value.


Dans les deux exemples ci - dessus, des résistances terminales simples sont utilisées. En fait, vous pouvez choisir des terminaux appariés plus complexes. La première option est RC Matching terminal. Le terminal de correspondance RC peut réduire la consommation d'énergie, mais il ne peut être utilisé que lorsque le signal est relativement stable. Cette méthode est la meilleure pour correspondre au signal de la ligne d'horloge. L'inconvénient est que la capacité dans le terminal apparié RC peut affecter la forme et la vitesse du signal.


Les bornes d'appariement de résistance en série ne consomment pas d'énergie supplémentaire, mais réduisent la vitesse de transmission du signal. Cette méthode s'applique au circuit d'entraînement du bus avec peu d'effet de retard. L'avantage du terminal d'appariement de résistance en série est qu'il peut réduire le nombre d'équipements embarqués et la densité de câblage.


La dernière méthode consiste à séparer les terminaux appariés. In this way, Les composants correspondants doivent être placés près du récepteur. L'avantage est qu'il ne tire pas le signal, and noise can be avoided very well. Typically used for TTL input signals (ACT, HCT, FAST).


De plus, il faut tenir compte du type d'emballage et du type d'installation des résistances d'appariement des bornes. En général, l'inductance des résistances SMD montées en surface est inférieure à celle des éléments à travers les trous, de sorte que les éléments SMD encapsulés sont préférés. Si vous sélectionnez une résistance en ligne normale, il y a également deux options d'installation: verticale et horizontale.


En mode montage vertical, l'une des broches de montage de la résistance est très courte, ce qui réduit la résistance thermique entre la résistance et la carte de circuit, ce qui facilite l'émission de chaleur de la résistance dans l'air. Mais une installation verticale plus longue augmente l'inductance de la résistance. L'installation horizontale a une faible inductance en raison de la faible installation. Cependant, la résistance à la surchauffe dérive. Dans le pire des cas, la résistance deviendra un circuit ouvert, ce qui entraînera une défaillance de l'appariement des terminaux de suivi des BPC et deviendra un facteur de défaillance potentiel.


6.3 méthodes de suppression des interférences électromagnétiques


A good solution to the signal integrity problem will improve the electromagnetic compatibility (EMC) of the Circuits imprimés board. One of the very important is to ensure that the Circuits imprimés Le Conseil d'administration a une bonne base. It is very effective to use a signal layer with a ground layer for complex designs. En outre, minimizing the signal density of the outermost layer of the circuit board is also a good way to reduce electromagnetic radiation. Cette approche peut être réalisée en "construisant" la conception et la fabrication à l'aide de la technologie des "couches de surface". Circuits imprimés. The surface area layer is realized by adding a combination of a thin insulating layer and micro-holes used to penetrate these layers on a common process Circuits imprimés. La résistance et la capacité peuvent être enfouies sous la surface, La densité du traceur par Unit é de surface sera presque doublée. Reduce the size of the Circuits imprimés. Diminution Circuits imprimés area has a huge impact on the topological structure of the trace, Cela signifie que la boucle actuelle est réduite, the length of the branch trace is reduced, Le rayonnement électromagnétique est approximativement proportionnel à la surface de l'anneau de courant; En même temps, the small size feature means high-density lead Foot-packaged devices can be used, Cela réduit à son tour la longueur du fil, thereby reducing the current loop and improving the electromagnetic compatibility characteristics.


6.4 autres technologies applicables


Afin de réduire le dépassement instantané de la tension d'alimentation de la puce IC, une capacité de découplage doit être ajoutée à la puce IC. Cela peut efficacement éliminer l'influence de Burr sur l'alimentation électrique et réduire le rayonnement du circuit d'alimentation sur la carte imprimée.


Lorsque le condensateur de découplage est directement connecté à la broche de puissance du circuit intégré au lieu de la couche de puissance, the effect of smoothing the burr is best. C'est pourquoi certaines prises d'équipement ont des condensateurs de découplage, Certains équipements nécessitent une distance suffisante entre le condensateur de découplage et l'équipement.


Tout équipement à grande vitesse et à haute puissance doit être assemblé dans la mesure du possible pour réduire la surtension transitoire de la tension d'alimentation.


If there is no power layer, Une longue connexion électrique formera une boucle entre le signal et la boucle, Devenir une source de rayonnement et un circuit sensible.


Le cas où ces traces forment une boucle qui ne traverse pas le même câble réseau ou d'autres traces est appelé boucle ouverte. Si la boucle passe par d'autres fils du même câble réseau, elle constitue une boucle fermée. Dans les deux cas, un effet d'antenne (antenne linéaire et antenne annulaire) se forme. L'antenne émet un rayonnement EMI à l'extérieur et est elle - même un circuit sensible. La boucle fermée est un problème à prendre en considération, car elle produit un rayonnement approximativement proportionnel à la surface de la boucle fermée.


Observations finales


High-speed circuit design is a very complicated design process. ZUKEN's high-speed circuit routing algorithm (Route Editor) and EMC/EMI analysis software (INCASES, Hot-Stage) are used to analyze and find problems. The method described in this article is specifically aimed at solving these Conception de circuits à grande vitesse problems. In addition, Plusieurs facteurs doivent être pris en considération lors de la conception des circuits à grande vitesse., and these factors are sometimes opposed to each other. Par exemple:, when high-speed devices are placed close to each other, Bien que les retards puissent être réduits, crosstalk and significant thermal effects may occur. Alors..., in the design, Il faut peser les facteurs et parvenir à un compromis global; Non seulement répondre aux exigences de conception, but also reduce the design complexity. Utilisation des trains à grande vitesse Conception des Circuits imprimés methods constitutes the controllability of the design process, Seul le contrôle est fiable..