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Come è fatta una buona scheda PCB
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Come è fatta una buona scheda PCB

2022-01-18
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Author:pcb

Tutti sanno che fare un Scheda PCB È quello di trasformare uno schema progettato in un vero e proprio circuito stampato. Per favore, non sottovalutare questo processo. Ci sono molte cose che funzionano in linea di principio ma sono difficili da raggiungere in ingegneria, o Ciò che altri possono ottenere, altri non possono, quindi non è difficile fare un Scheda PCB, ma non è facile fare un buon lavoro di una Scheda PCB. Le due principali difficoltà nel campo della microelettronica sono l'elaborazione di segnali ad alta frequenza e segnali deboli. A questo proposito, il livello di produzione di Scheda PCB è particolarmente importante. Lo stesso principio di progettazione, gli stessi componenti, e i PCB Scheda prodotti da persone diverse hanno caratteristiche diverse. Quindi come possiamo fare un buon PCB Scheda? Sulla base della nostra esperienza passata, vorrei parlare delle mie opinioni sui seguenti aspetti:

Scheda PCB

1. To clarify the design goals
When receiving a design task, first of all, è necessario chiarire l'obiettivo progettuale, whether it is an ordinary Scheda PCB, a high-frequency Scheda PCB, a small-signal processing Scheda PCB, or a Scheda PCB with both high-frequency and small-signal processing. Se è un comune Scheda PCB, As long as the layout and wiring are reasonable and tidy, e le dimensioni meccaniche sono accurate, if there are medium-load lines and long lines, certain methods must be used to reduce the load. Quando ci sono più di 40 MHz linee di segnale sulla scheda, Si dovrebbe prestare particolare attenzione a queste linee di segnale, such as crosstalk between lines. If the frequency is higher, there will be stricter restrictions on the length of the wiring. Secondo la teoria della rete dei parametri distribuiti, the interaction between high-speed circuits and their wiring is a decisive factor, which cannot be ignored in system design. With the increase of the gate transmission speed, the opposition on the signal line will increase accordingly, e il crosstalk tra linee di segnale adiacenti aumenterà proporzionalmente. Usually, the power consumption and heat dissipation of high-speed circuits are also large. Quando si realizza PCB ad alta velocità Si dovrebbe prestare sufficiente attenzione alla scheda. When there are weak signals of millivolt level or even microvolt level on the board, special care is needed for these signal lines. Because the small signal is too weak, è molto facile essere interferiti da altri segnali forti, and shielding measures are often necessary. Riduce notevolmente il rapporto segnale/rumore. As a result, il segnale utile è sopraffatto dal rumore e non può essere estratto efficacemente. The commissioning of the board should also be considered in the design stage. Fattori quali la posizione fisica del punto di prova e l'isolamento del punto di prova non possono essere ignorati, because some small signals and high-frequency signals cannot be directly added to the probe for measurement. Inoltre, other related factors should be considered, come il numero di strati della scheda, the package shape of the components used, e la resistenza meccanica della tavola. Before making a Scheda PCB, è necessario conoscere gli obiettivi progettuali del progetto.

2. Understand the function of the components used for the layout and wiring requirements
We know that some special components have special requirements for layout and wiring, such as the analog signal amplifiers used in loti and aph. Gli amplificatori di segnale analogici richiedono alimentazione stabile e piccola ondulazione. The analog small signal part should be kept away from the power device as much as possible. Sul consiglio OTI, the small signal amplifying part is also specially equipped with a shielding cover to shield the stray electromagnetic interference. Il chip glink utilizzato sulla scheda NTOI adotta il processo ECL, che consuma molta energia e genera calore. Special consideration must be given to the heat dissipation problem during the layout. Se si utilizza la dissipazione naturale del calore, the GLINK chip must be placed in a place where the air circulation is relatively smooth. , e il calore dissipato non può avere un grande impatto su altri chip. If the board is equipped with altoparlanti or other high-power devices, può causare un grave inquinamento all'alimentazione elettrica, which should also be paid enough attention.

3. Consideration of component layout
One of the first factors to be considered in the layout of components is the electrical performance. I componenti che sono strettamente correlati al cablaggio dovrebbero essere posizionati insieme il più possibile. Especially for some high-speed lines, il layout deve essere il più breve possibile. Power signal and small signal devices to separate. Sulla premessa di soddisfare le prestazioni del circuito, it is also necessary to consider that the components are placed neatly and beautifully, che è conveniente per la prova. The mechanical size of the board and the location of the socket also need to be carefully considered. I tempi di messa a terra e di propagazione delle interconnessioni nei sistemi ad alta velocità sono anche le prime considerazioni nella progettazione del sistema. The transmission time on the signal line has a great influence on the overall system speed, specialmente per circuiti ECL ad alta velocità. Although the speed of the integrated circuit block itself is very high, due to the use of ordinary interconnecting lines on the backplane (about 30 cm in length). 2ns delay) increases the delay time, che può ridurre notevolmente la velocità del sistema. Synchronous working components such as shift registers and synchronous counters are placed on the same board, Il tempo di ritardo della trasmissione non è uguale, which may make the shift register master error. Se non può essere posizionato su una tavola, the length of the clock lines from the common clock source to each plug-in board must be equal in places where synchronization is critical.

4. The consideration of wiring
With the completion of the design of OTNI and star fiber network, Ci saranno più schede con linee di segnale ad alta velocità superiori a 100MHz da progettare in futuro. Some basic concepts of high-speed lines will be introduced here.
Linea di trasmissione: Qualsiasi percorso del segnale "lungo" su un circuito stampato può essere considerato una linea di trasmissione. If the propagation delay time of the line is much shorter than the signal rise time, eventuali riflessi prodotti durante l'aumento del segnale saranno annegati. Overshoot, kickback e squillo non sono più presenti. For most of the current MOS circuits, poiché il rapporto tra tempo di salita e tempo di ritardo di trasmissione in linea è molto più grande, traces can be measured in meters without signal distortion. Per circuiti logici più veloci, especially ultra-high-speed ECL. Per circuiti integrati, due to the increase in edge speed, se non sono adottate altre misure, the length of traces must be greatly shortened to maintain signal integrity. Ci sono due modi per far funzionare i circuiti ad alta velocità su linee relativamente lunghe senza gravi distorsioni della forma d'onda. TTL utilizza il bloccaggio a diodi Schottky per bordi a caduta rapida, so that the overshoot is clamped to one diode drop below ground potential. Ciò riduce l'entità del successivo kickback, the slower rising edge allows overshoot, but it is attenuated by the relatively high output impedance (50-80Ω) of the circuit in the level "H" state . Inoltre, due to the high immunity of the level "H" state, il problema del rinculo non è molto evidente. For HCT series devices, se si utilizzano i metodi di chiusura a diodi Schottky e resistenza di serie, the improvement will be improved. l'effetto sarà più evidente. At higher bit rates and faster edge rates, i metodi di formatura TTL descritti sopra sono alquanto inadeguati quando c'è fan-out lungo la linea del segnale. Because of the reflected waves in the line, tenderanno a combinare ad alte velocità di bit, causing severe signal distortion and reduced immunity to interference. Pertanto, per risolvere il problema della riflessione, another method is usually used in the ECL system: the line impedance matching method. In questo modo è possibile controllare i riflessi e garantire l'integrità del segnale. Strictly speaking, per dispositivi TTL e CMOS convenzionali con velocità di bordo più lente, le linee di trasmissione non sono molto necessarie. For high-speed ECL devices with faster edge speeds, le linee di trasmissione non sono sempre necessarie. But when using transmission lines, Hanno il vantaggio di poter prevedere ritardi del filo e controllare riflessi e oscillazioni attraverso l'abbinamento di impedenza.

4.1 There are five basic factors for deciding whether to use a transmission line:
They are: (1) Edge rate of system signal, (2) Wiring distance (3) Capacitive load (how much fan-out), (4) Resistive load (line termination method); (5) Allowable Percent kickback and overshoot (reduction in AC immunity).

4.2. Several types of transmission lines
(1) Coaxial cable and twisted pair: They are often used in the connection between systems. L'impedenza caratteristica del cavo coassiale è solitamente 50Ω e 75Ω, and twisted pair is usually 110Ω.
(2) Microstrip line on the printed circuit board: The microstrip line is a strip conductor (signal line) separated from the ground plane by a dielectric. Se lo spessore, width, e la distanza dal piano di terra della linea sono controllabili, its characteristic impedance is also controllable.
(3) Stripline in the printed board: The stripline is a copper stripline placed in the middle of the dielectric between two layers of conductive planes. If the thickness and width of the line, la costante dielettrica del mezzo, and the distance between the two conductive planes are controllable, poi è controllabile anche l'impedenza caratteristica della linea.

4.3 Terminate the transmission line
When the receiving end of a line is terminated with a resistance equal to the characteristic impedance of the line, the transmission line is called a parallel termination line. Pricipalmente è usato per ottenere prestazioni elettriche, including driving distributed loads. A volte per risparmiare energia, a 104 capacitor is connected in series with the terminating resistor to form an AC termination circuit, che può efficacemente ridurre la perdita di CC. Un resistore è collegato in serie tra il conducente e la linea di trasmissione, and the end of the line is no longer connected to the terminating resistor. Questo metodo di terminazione è chiamato terminazione di serie. Overshoot and ringing on longer lines can be controlled with series damping or series termination techniques. Series damping is achieved using a small resistor (usually 10 to 75 Ω) in series with the output of the drive gate. This damping method is suitable for Used in conjunction with lines whose characteristic impedance is controlled (such as backplane wiring, circuit boards without ground planes, e la maggior parte degli involucri metallici, ecc.). The value of the series resistance and the output impedance of the circuit (drive gate) when terminated in series is equal to the transmission line. Characteristic Impedance. Il cablaggio in serie ha gli svantaggi di utilizzare solo carichi grumi alla terminazione e lunghi tempi di ritardo di propagazione. However, Ciò può essere superato utilizzando linee di trasmissione ridondanti terminate in serie.

4.4 Unterminated transmission line
Transmission lines can be used without series or parallel termination if the line delay time is much shorter than the signal rise time, if the round-trip delay (the time the signal takes to travel back and forth on the transmission line) for an unterminated line is longer than for a pulsed signal If the rise time is short, Il kickback dovuto alla non terminazione è di circa il 15% dello swing logico.

4.5 Comparison of several termination methods
Both parallel terminal wiring and series terminal wiring have their own advantages. Quale usare, or both, dipende dalle preferenze del progettista e dai requisiti di sistema. The main advantage of parallel termination wiring is the high speed of the system and the complete and distortion-free transmission of the signal on the wire. Il carico sulla lunga linea non influenzerà il tempo di ritardo di propagazione del cancello di azionamento che guida la lunga linea né la velocità del bordo del segnale, but will increase the propagation delay time of the signal along the long line. Quando si guida una grande ventola, the load can be distributed along the line through the branch stub instead of the terminal where the load must be lumped together as in the series termination. Il metodo di terminazione in serie consente al circuito di guidare diverse linee di carico parallele. The delay time increment caused by the capacitive load in the series termination line is approximately twice that of the corresponding parallel termination line, mentre la linea corta ha il bordo a causa del carico capacitivo. The speed is slowed down and the drive gate delay time is increased, tuttavia, the crosstalk of the series-terminated wire is less than that of the parallel-terminated wire, principalmente perché l'ampiezza del segnale trasmesso lungo il filo di serie è solo metà dell'oscillazione logica, so The switch current is also only half of the parallel terminated switch current, and the signal energy is small and the crosstalk is small. Whether to choose a double-sided or a multi-layered board when making a Scheda PCB depends on the operating frequency, the complexity of the circuit system and the requirements for assembly density. Scegliere una scheda multistrato quando la frequenza dell'orologio supera 200MHZ. If the operating frequency exceeds 350MHz, il circuito stampato con PTFE come lo strato dielettrico è selezionato, because its high frequency attenuation is smaller, the parasitic capacitance is smaller, and the transmission speed is faster. To save power consumption, the following principles are required for the wiring of the printed circuit board:

(1) Ci dovrebbe essere più spazio possibile tra tutte le linee di segnale parallele per ridurre il crosstalk. Se ci sono due linee di segnale vicine l'una all'altra, eseguire un filo di terra tra le due linee, che può fungere da scudo.

(2) Quando si progetta la linea di trasmissione del segnale, è necessario evitare brusche curve per evitare il riflesso causato dall'miglioramento dell'impedenza caratteristica della linea di trasmissione.

(3) La larghezza della linea stampata può essere calcolata secondo la formula di calcolo dell'impedenza caratteristica della linea microstrip e della striscia. L'impedenza caratteristica della linea microstrip sul circuito stampato è generalmente compresa tra 50 e 120Ω. Per ottenere una grande impedenza caratteristica, la larghezza della linea deve essere resa molto stretta. Ma le linee molto sottili non sono facili da realizzare. Considerando vari fattori, è generalmente opportuno scegliere un valore di impedenza di circa 68Ω, perché scegliendo un'impedenza caratteristica di 68Ω si ottiene un equilibrio tra tempo di ritardo e consumo energetico. Una linea di trasmissione 50Ω consumo più energia; una maggiore impedenza può certamente ridurre il consumo energetico, ma aumenterà il tempo di ritardo della trasmissione. Il tempo di ritardo di propagazione aumenta e l'impedenza caratteristica diminuisce a causa della capacità negativa della linea. Tuttavia, la capacità intrinseca per unità di lunghezza del segmento di linea con bassa impedenza caratteristica è relativamente grande, quindi il tempo di ritardo della trasmissione e l'impedenza caratteristica sono meno influenzati dalla capacità di carico. Una caratteristica importante di una linea di trasmissione correttamente terminata è che i tronchi di ramo dovrebbero avere un effetto limitato sul tempo di ritardo della linea. Quando Z0 è 50Ω. La lunghezza della linea corta del ramo deve essere limitata all'interno di 2,5 cm. Per evitare grandi squilli.

(4) Per tavole bifacciali (o linee a quattro strati in schede a sei strati). Le linee su entrambi i lati del circuito devono essere perpendicolari l'una all'altra per evitare l'induzione reciproca e il crosstalk.

(5) Se ci sono dispositivi ad alta corrente sulla scheda stampata, quali relè, luci di segnalazione, altoparlanti, ecc., i loro fili di terra dovrebbero essere separati e funzionare separatamente per ridurre il rumore sul cavo di terra. I cavi di terra di questi dispositivi ad alta corrente dovrebbero essere collegati a un bus di terra separato sulla scheda plug-in e sul backplane, e questi cavi di terra separati devono anche essere collegati al punto di terra dell'intero sistema.

(6) Se c'è un piccolo amplificatore di segnale sulla scheda, la linea di segnale deve essere tenuta lontana dalla linea di segnale forte, e la traccia deve essere il più breve possibile, e

Scheda PCB dovrebbe essere schermato con un filo di terra se possibile.