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Technologie PCB
Quatre aspects de la conception des circuits imprimés à grande vitesse
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Quatre aspects de la conception des circuits imprimés à grande vitesse

Quatre aspects de la conception des circuits imprimés à grande vitesse

2021-08-18
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Author:IPCB

Cet article explique comment les changements dans le processus provoquent des changements dans l'impédance réelle, and how to use accurate field solvers to predict this phenomenon. Même sans changement de processus, other factors will cause the actual impedance to be very different. When designinghigh-speed circuit Conseil d'administration, automated design tools sometimes fail to find this unobvious but very important problem. Cependant,, as long as some measures are taken in the early steps of the design, Ce problème peut être évité. This technique is called "defensive design".


Nombre de couches


Une bonne structure en couches est la meilleure précaution pour résoudre la plupart des problèmes d'intégrité des signaux et de CEM, et c'est la mesure la plus mal comprise. Plusieurs facteurs entrent en jeu et une bonne façon de résoudre un problème peut aggraver d'autres. De nombreux fournisseurs de conception de systèmes recommandent d'avoir au moins un plan continu dans la carte pour contrôler l'impédance caractéristique et la qualité du signal. C'est une bonne suggestion, à condition que les coûts soient abordables. Les conseillers en CEM recommandent généralement de placer un remblai ou une couche de sol à l'extérieur pour contrôler le rayonnement électromagnétique et la sensibilité aux interférences électromagnétiques. Dans certains cas, c'est aussi une bonne suggestion.

ATL

Figure 1: Analyze the signal problem in the laminated structure with the capacitance model


However, En raison du courant transitoire, this method may be troublesome in some common Conception. Forster., let's look at the simple case of a pair of power plane/Plan au sol: il peut être considéré comme un condensateur. On peut considérer que la couche d'alimentation et la couche de mise à la terre sont les deux plaques du condensateur.. Pour obtenir une plus grande capacité, it is necessary to move the two plates closer (distance D) and increase the dielectric constant (ε▼r▼). Plus la capacité est grande, Plus l'impédance est faible, C'est ce que nous voulons parce qu'il supprime le bruit. No matter how the other layers are arranged, La couche principale d'alimentation électrique et la couche de sol doivent être adjacentes et situées au milieu de la pile.. If the distance between the power layer and the ground layer is large, Cela provoquera une boucle de courant élevée et un bruit important. For an 8-layer board, placing the power layer on one side and the ground layer on the other side will cause the following problems:


1. Max Crosstalk. Due to the increase in the mutual capacitance, Le Crosstalk entre les couches de signal est plus grand que le crosstalk entre les couches de signal elles - mêmes.


2. Le plus grand tirage. Le courant circule autour de chaque plan d'alimentation et est parallèle au signal, et une grande quantité de courant entre dans le plan d'alimentation principal et retourne à travers le sol. Les caractéristiques du Cem se détérioreront en raison de l'augmentation du courant de circulation.


3. Perte de contrôle de l'impédance. Plus le signal est éloigné de la couche de commande, plus la précision de la commande d'impédance est faible en raison de la présence d'autres conducteurs autour.


4. Le court - circuit de la soudure peut augmenter le coût du produit.


Nous devons faire un compromis entre la performance et le coût, alors comment organiser les circuits imprimés numériques pour obtenir les meilleures caractéristiques si et EMC?


The distribution of each layer of the Circuits imprimés Généralement symétrique. More than two signal layers should not be placed next to each other; otherwise, Le contrôle de si sera largement perdu. It is best to place the internal signal layers symmetrically in pairs. Sauf si certains signaux doivent être connectés à un dispositif SMT, On devrait réduire au minimum les signaux extérieurs..

ATL

Figure 2: la première étape d'une bonne solution de conception est de concevoir correctement la structure stratifiée


For circuit Conseil d'administration Il y a plus de niveaux, we can repeat this placement method many times. Des couches supplémentaires d'alimentation électrique et de mise à la terre peuvent également être ajoutées; Assurez - vous qu'il n'y a pas de longues paires d'alimentation entre les couches..


Le câblage des signaux à grande vitesse doit être disposé dans la même paire de couches de signaux; Sauf si cette règle doit être violée en raison de la connexion d'un appareil SMT. Toutes les traces d'un signal doivent avoir un chemin de retour commun (c. - à - D. Plan au sol). Il y a deux idées et méthodes pour déterminer quels deux niveaux peuvent être considérés comme un couple:


1. Assurez - vous que le signal de retour à distance égale est identique. This means that the signals should be routed symmetrically on both sides of the internal ground plane. Son avantage est qu'il est facile de contrôler l'impédance et le courant de circulation; L'inconvénient est qu'il y a beaucoup de trous dans le sol, Il y a des couches inutiles..


2. Deux couches de signal pour le câblage adjacent. L'avantage est qu'il est possible de réduire au minimum les trous de travers dans la couche de sol (en utilisant des trous de travers encastrés); L'inconvénient est que cette méthode est moins efficace pour certains signaux critiques.


In the second method, Les connexions au sol pour l'entraînement et la réception des signaux doivent de préférence être directement connectées à la couche adjacente à la couche de câblage du signal.. Comme principe de câblage simple, the surface wiring width in inches should be less than one-third of the drive rise time in nanoseconds (for example, the wiring width of high-speed TTL is 1 inch).


Si l'alimentation est fournie par plusieurs sources d'alimentation, une couche de terre doit être placée entre les lignes d'alimentation pour les isoler. Les condensateurs ne doivent pas être formés pour éviter le couplage AC entre les sources d'énergie.


Toutes ces mesures visent à réduire la circulation et les échanges et à améliorer la capacité de contrôle de l'impédance. Le sol formera également une « boîte de blindage » EMC valide. Les surfaces inutilisées peuvent être mises à la terre en tenant compte de l'influence sur l'impédance caractéristique.


Characteristic impedance


Une bonne structure stratifiée peut contrôler efficacement l'impédance et son câblage peut former une structure de ligne de transmission facile à comprendre et à prévoir. Les outils de résolution sur le terrain peuvent bien traiter de tels problèmes et obtenir des résultats assez précis, à condition que le nombre de variables soit réduit au minimum.


Cependant, lorsque trois signaux ou plus sont superposés, ce n'est pas nécessairement le cas pour des raisons subtiles. La valeur d'impédance cible dépend de la technologie de traitement de l'équipement. La technologie CMOS à grande vitesse peut atteindre environ 70 . Les appareils TTL à grande vitesse peuvent généralement atteindre environ 80 à 100. Étant donné que les valeurs d'impédance ont généralement une grande influence sur la tolérance au bruit et la commutation du signal, il faut être très prudent dans le choix de l'impédance; Le Manuel du produit doit fournir des directives à cet égard.


Les résultats initiaux des outils de résolution sur le terrain peuvent rencontrer deux types de problèmes. Le premier est le problème de la Vision limitée. L'outil de solution de champ n'analyse que l'influence des traces voisines et ne tient pas compte des traces non parallèles sur d'autres couches qui affectent l'impédance. L'outil de solution de terrain ne peut pas connaître les détails avant le routage, c'est - à - dire lors de l'attribution de la largeur de trace, mais la méthode d'alignement ci - dessus minimise ce problème.


Il convient de mentionner l'influence du plan de puissance partielle. Après le câblage, la carte de circuit externe est souvent remplie de cuivre de mise à la terre, ce qui facilite la suppression de l'EMI et l'équilibrage du placage. Si de telles mesures ne sont prises qu'à l'extérieur, la structure stratifiée recommandée ici aura très peu d'effet sur l'impédance caractéristique.


L'effet de l'utilisation d'un grand nombre de couches de signaux adjacentes est remarquable. Certains outils de solution sur le terrain n'ont pas pu trouver la présence de la Feuille de cuivre parce qu'elle ne pouvait vérifier que la ligne d'impression et la couche entière, de sorte que les résultats de l'analyse d'impédance étaient incorrects. Lorsqu'il y a du métal sur la couche adjacente, c'est comme un sol moins fiable. Si l'impédance est trop faible, le courant instantané peut être très élevé, ce qui est un problème EMI pratique et sensible.


Une autre cause de défaillance de l'outil d'analyse d'impédance est le condensateur distribué. Ces outils d'analyse ne reflètent généralement pas l'impact des broches et des trous (qui sont habituellement analysés par un simulateur). Cet effet peut être très important, en particulier sur le plan arrière. La raison en est simple: l'impédance caractéristique peut généralement être calculée par la formule suivante: L / C


Où l et C sont respectivement l'inductance et la capacité par Unit é de longueur.


Si les broches sont disposées uniformément, the additional capacitance will greatly affect the calculation result. La formule devient: l/(C+C')


C 'est la capacité de broche par Unit é de longueur.


Si les connecteurs sont connectés en ligne droite sur la plaque de base, the total line capacitance and the total pin capacitance except the first and last pins can be used. Voilà., the effective impedance will be reduced, Peut même passer de 80 à 8. In order to find the effective value, the original impedance value needs to be divided by: √(1+C'/C)


Ce calcul est important pour la sélection des sous - ensembles.


Retard


Temps de simulation, the capacitance of the component and package (and sometimes inductance should also be included) should be considered. Deux questions méritent d'être examinées.. Tout d'abord,, Le simulateur peut ne pas simuler correctement les condensateurs distribués; Deuxièmement,, it is necessary to pay attention to the impact of different production conditions on incomplete layers and non-parallel traces. De nombreux outils de solution de terrain ne peuvent pas analyser la distribution de la pile sans alimentation électrique complète ou sol. However, S'il y a un sol près de la couche de signal, then the calculated Retard Ça va être terrible., such as a capacitor, Il y aura le plus grand Retard; if a double-sided board has a lot of ground wires and VCC copper foil on both layers, C'est encore plus grave.. If the process is not automated, La mise en place de ces choses dans un système Cao peut être très difficile.


EMC


Il y a beaucoup de facteurs EMC, many of which are usually not analyzed. Même s'ils ont été analysés, it is often too late after the design is completed. Voici quelques effets EMC:


1. Les fentes dans le plan d'alimentation électrique forment une antenne d'un quart de longueur d'onde. Si des rainures doivent être installées sur des conteneurs métalliques, la méthode de forage doit être utilisée.


2. Inductive components. J'a i rencontré un designer qui suivait toutes les règles de conception et faisait des simulations., but his circuit board still has a lot of radiation signals. La raison en est qu'il y a deux inducteurs placés parallèlement l'un à l'autre au niveau supérieur pour former un transformateur..


3. En raison de l'influence d'une couche de mise à la terre incomplète, la faible impédance de la couche intérieure provoque un courant transitoire important dans la couche extérieure.


Most of these problems can be avoided by adopting a defensive design. First of all, the correct stack structure and wiring strategy should be made, Pour un bon départ.


Certains problèmes fondamentaux, tels que la topologie du réseau, les causes de distorsion du signal et la méthode de calcul de la parole croisée, ne sont pas introduits dans cet article. Seules quelques questions sensibles sont analysées pour aider le lecteur à appliquer les résultats obtenus à partir du système EDA. Toute analyse dépend du modèle utilisé et les facteurs non analysés influent également sur les résultats. Trop compliqué, c'est trop inexact. L'évitement d'un trop grand nombre de changements de paramètres (p. ex., poids de ligne imprimé, etc.) aidera à une conception propre et cohérente.