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Analizzare e controllare crosstalk nella progettazione di schede PCB ad alta velocità
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Analizzare e controllare crosstalk nella progettazione di schede PCB ad alta velocità

Analizzare e controllare crosstalk nella progettazione di schede PCB ad alta velocità

2022-03-03
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Author:pcb

Questo articolo introdurrà metodi per sopprimere e migliorare il segnale, nonché strategie di progettazione per Scheda PCB tecnologia di layout. Con il miglioramento su larga scala della complessità e dell'integrazione del sistema, I progettisti di sistemi elettronici sono impegnati nella progettazione del circuito sopra 100MHZ, e la frequenza di funzionamento del bus ha raggiunto o superato 50MHZ, e alcuni addirittura hanno superato 100MHZ. Attualmente, circa il 50% del design La frequenza di clock supera i 50MHz, e quasi il 20% dei progetti hanno una frequenza principale di oltre 120 MHz. Quando il sistema funziona a 50MHz, si verificheranno effetti sulla linea di trasmissione e problemi di integrità del segnale; quando l'orologio di sistema raggiunge 120MHz, a meno che non siano utilizzate conoscenze di progettazione di circuiti ad alta velocità, altrimenti Scheda PCBs progettati sulla base di metodi tradizionali non funzionerà. Pertanto, La tecnologia di progettazione di circuiti ad alta velocità è diventata un metodo di progettazione che i progettisti di sistemi elettronici devono prendere. La controllabilità del processo di progettazione può essere raggiunta solo utilizzando le tecniche di progettazione dei progettisti di circuiti ad alta velocità.

Scheda PCB

Attualmente, la sempre più sofisticata tecnologia a semiconduttore rende le dimensioni del transistor sempre più piccole, così il bordo di transizione del segnale del dispositivo sta diventando sempre più veloce, che porta ai problemi sempre più gravi di integrità del segnale e compatibilità elettromagnetica nel campo della progettazione di sistemi di circuiti digitali ad alta velocità. . I problemi di integrità del segnale comprendono principalmente gli effetti della linea di trasmissione, come la riflessione, ritardo temporale, squillo, eccesso e sottoshoot del segnale, e crosstalk tra segnali. La conversazione incrociata del segnale è complessa, che coinvolge molti fattori, calcoli complessi e difficili da controllare. Pertanto, La progettazione elettronica di oggi ha urgente bisogno di nuove idee, processi, metodi e tecnologie diversi dagli ambienti di progettazione tradizionali, processi di progettazione e metodi di progettazione. La tecnologia EDA è quella di utilizzare il computer come strumento. Il progettista utilizza il linguaggio di descrizione hardware VHDL per completare il file di progettazione sulla piattaforma software EDA, e poi il computer completa automaticamente la compilazione logica, semplificazione, segmentazione, sintesi, ottimizzazione, layout, cablaggio e simulazione, fino alla compilazione adattata, mappatura logica e programmazione per un chip target specifico. L'emergere della tecnologia EDA ha notevolmente migliorato l'efficienza e l'operatività della progettazione del circuito e ridotto l'intensità di lavoro dei progettisti. Utilizzo degli strumenti EDA, I progettisti elettronici possono progettare sistemi elettronici partendo da concetti, algoritmi, protocolli, ecc., e una grande quantità di lavoro può essere fatto dal computer, e l'intero processo di prodotti elettronici dalla progettazione del circuito, L'analisi delle prestazioni al layout IC o al layout PCB può essere progettata. viene elaborato automaticamente sul computer. Il concetto o la categoria di EDA è ora ampiamente utilizzato. Compresi nelle macchine, elettronica, comunicazioni, aerospaziale, industria chimica, minerali, biologia, medicina, militari e altri settori, ci sono applicazioni di EDA. Attualmente, La tecnologia EDA è stata ampiamente utilizzata nelle principali aziende, imprese e istituzioni, e dipartimenti di ricerca scientifica e didattica. Per esempio, nel processo di fabbricazione degli aeromobili, dalla progettazione, prova delle prestazioni e analisi delle caratteristiche alla simulazione di volo, La tecnologia EDA può essere coinvolta.

Soluzioni di conversazione incrociata

Crosstalk: È l'accoppiamento tra due linee di segnale, l'induttanza reciproca e la capacità reciproca tra le linee di segnale che causano il rumore sulla linea. L'accoppiamento capacitivo induce la corrente di accoppiamento, mentre l'accoppiamento induttivo induce la tensione di accoppiamento. I parametri dello strato PCB, la distanza tra le linee di segnale, le caratteristiche elettriche dell'estremità motrice e dell'estremità ricevente, e il metodo di terminazione del cavo hanno tutti una certa influenza sul crosstalk. Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, il prezzo dei computer sta diventando sempre più basso, le prestazioni sono sempre migliori, la velocità di trasmissione della rete locale è sempre più veloce, e il mezzo di trasmissione della rete locale si è anche spostato dal cavo coassiale a coppia intrecciata e fibra ottica. Il CAT1 originale, CAT3, CAT5 si sono sviluppati all'attuale CAT5E, CAT6, CAT6A, CAT7. Anche se le prestazioni della coppia attorcigliata sono state continuamente migliorate, c'è un parametro che è stato accompagnato da coppia attorcigliata come un fantasma, ed è accompagnato da coppia attorcigliata. Sviluppo, questo parametro sta diventando sempre più importante. I segnali indesiderati di tensione acustica dovuti all'accoppiamento reciproco dei campi elettromagnetici tra i segnali sono chiamati segnale crosstalk. Se il crosstalk supera un certo valore, il circuito potrebbe malfunzionare e il sistema non funzionerà correttamente. Solving the problem of crosstalk can be considered from the following aspects:

1) Ridurre il tasso di conversione del bordo del segnale se possibile. Di solito, quando si seleziona il dispositivo, provare a selezionare un dispositivo lento rispettando le specifiche di progettazione, ed evitare di mescolare diversi tipi di segnali, I segnali che cambiano lentamente hanno un potenziale rischio di crosstalk.

2) Adottare misure di schermatura: È un modo efficace per risolvere il problema del crosstalk per fornire messa a terra per i segnali ad alta velocità. Tuttavia, rivestimento porta ad un aumento della quantità di cablaggio, rendendo l'area di cablaggio altrimenti limitata più affollata. Inoltre, al fine di raggiungere lo scopo previsto della schermatura del filo di terra, la distanza tra i punti di terra sul filo di terra è molto critica, generalmente meno del doppio della lunghezza del cambio di segnale. Allo stesso tempo, Il cavo di massa aumenterà anche la capacità distribuita del segnale, che aumenta l'impedenza della linea di trasmissione e rallenta il bordo del segnale.
3) Impostazione ragionevole di strati e cablaggio: impostazione ragionevole degli strati di cablaggio e spaziatura del cablaggio, riduzione della lunghezza dei segnali paralleli, accorciare la distanza tra lo strato del segnale e lo strato piano, aumentare la spaziatura delle linee di segnale, e ridurre la lunghezza delle linee di segnale parallele (all'interno dell'intervallo di lunghezza chiave) , queste misure possono ridurre efficacemente la conversazione incrociata.
4) Impostazione di diversi strati di cablaggio: Impostare diversi strati di cablaggio per i segnali di velocità differenti e impostare ragionevolmente lo strato piano è anche un buon modo per risolvere il crosstalk.
5) Corrispondenza dell'impedenza: Se l'impedenza terminale vicina o lontana della linea di trasmissione corrisponde all'impedenza del modello di trasmissione, l'ampiezza del crosstalk può anche essere notevolmente ridotta. Lo scopo dell'analisi crosstalk è quello di trovare rapidamente, individuare e risolvere i problemi di crosstalk nell'implementazione del PCB. In generale strumenti e ambienti di simulazione, l'analisi di simulazione e l'ambiente di layout PCB sono indipendenti l'uno dall'altro. Dopo il completamento del cablaggio, L'analisi crosstalk viene eseguita per ottenere l'analisi crosstalk, e nuove regole di cablaggio sono dedotte e ri-cablate, e poi analizzato e rivisto. Dall'analisi di simulazione si può vedere che i risultati effettivi del crosstalk non sono gli stessi, e il divario è molto grande. Pertanto, un buon strumento non dovrebbe solo essere in grado di analizzare crosstalk, ma anche essere in grado di applicare regole crosstalk per il routing. Inoltre, Gli strumenti di routing generali sono guidati solo da regole fisiche, e il routing per il controllo della conversazione incrociata può essere limitato solo da regole fisiche come l'impostazione della larghezza e della spaziatura linea, e la lunghezza delle linee parallele. Utilizzando il set di strumenti di analisi e progettazione dell'integrità del segnale ICX può supportare un vero routing elettrico guidato da regole. L'analisi della simulazione e il routing sono completati in un unico ambiente. Regole elettriche e regole fisiche possono essere impostate durante la simulazione, e il calcolo automatico viene eseguito durante il routing. Fattori di integrità del segnale come overshoot e crosstalk vengono corretti automaticamente in base ai risultati calcolati. Questo cablaggio è veloce e soddisfa veramente i requisiti di prestazione elettrica effettivi.

Progettazione di integrità del segnale per il controllo della conversazione incrociata

Alta velocità Scheda PCB Le regole di progettazione sono solitamente divise in due tipi: regole fisiche e regole elettriche. Le cosiddette regole fisiche si riferiscono a determinate regole progettuali specificate dal progettista in base alle dimensioni fisiche, come la larghezza della linea è 4Mil, la distanza tra le linee è 4Mil, e la lunghezza delle tracce parallele è 4Mil. Le regole elettriche si riferiscono alle regole progettuali relative alle caratteristiche elettriche o alle prestazioni elettriche, come il ritardo del cablaggio è controllato tra 1ns e 2ns, la quantità totale di crosstalk su un determinato Scheda PCB la linea è inferiore a 70mV, e così via. Una volta definite chiaramente le regole fisiche ed elettriche, I router ad alta velocità possono essere esplorati ulteriormente. Attualmente, the high-speed routers based on physical rules (physical rule-driven) on the market include AutoActive RE router, Router CCT, Router BlazeRouter e router Editor Router. Infatti, Questi router sono tutti router automatici guidati da regole fisiche. Questo è, Questi router possono soddisfare automaticamente solo i requisiti di dimensione fisica specificati dal progettista, e non può essere guidato direttamente da norme elettriche ad alta velocità. I router ad alta velocità che sono guidati direttamente da regole elettriche sono molto importanti per garantire l'integrità del segnale nei progetti ad alta velocità. Gli ingegneri di progettazione hanno sempre regole elettriche e le specifiche di progettazione sono anche regole elettriche. In altre parole, i nostri disegni devono soddisfare le regole elettriche e non le regole fisiche. È essenziale che l'implementazione fisica finale del progetto soddisfi i requisiti elettrici del progetto. Le regole fisiche sono solo una conversione delle regole elettriche da parte dei produttori di componenti o degli stessi ingegneri di progettazione. Ci aspettiamo sempre che questa conversione sia equivalente e uno a uno. In realtà non è così. prendendo ad esempio l'uso di chip LVDS per completare la trasmissione di dati ad alta velocità (fino a 777,76 Mbps) e a lunga distanza (fino a 100M), poiché l'oscillazione del segnale della tecnologia LVDS è 350mV, Le consuete specifiche di progettazione richiedono sempre che la linea totale sulla linea del segnale sia Il valore crosstalk dovrebbe essere inferiore o uguale al 20% dell'oscillazione del segnale, che è, la quantità totale di crosstalk è 350mV20%=70mV, questa è la regola elettrica, e la percentuale del 20% dipende dalla tolleranza al rumore LVDS, che può essere ottenuto dal manuale di riferimento . Per IS_Sintetizzatore, purché il progettista specifichi il valore crosstalk sulla linea di segnale LVDS, il cablaggio può essere regolato e perfezionato automaticamente per garantire che i requisiti di prestazione elettrica siano soddisfatti, e tutte le linee di segnale circostanti saranno considerate automaticamente durante il processo di cablaggio. effetti dei segnali LVDS. Per router guidati da regole fisiche, alcune analisi ipotetiche e considerazioni sono necessarie prima. I progettisti pensano sempre che il crosstalk tra segnali dipenda solo dalla lunghezza delle linee parallele tra segnali paralleli, in modo da poter essere utilizzato in circuiti ad alta velocità. Fare qualche analisi ipotetica nell'ambiente front-end del progetto. Per esempio, si può presumere che la lunghezza del cablaggio parallelo è 2.5 milioni, e poi analizzare la conversazione incrociata tra di loro. Questo valore potrebbe non essere 70mV, ma è possibile regolare ulteriormente il cablaggio parallelo in base alle conclusioni ottenute. Se il valore crosstalk tra i segnali è fondamentalmente 70mV quando la lunghezza della linea parallela è un certo valore come 7mil,allora il progettista pensa che finché la lunghezza della linea parallela della linea differenziale è controllata nell'intervallo di 7mil Tali requisiti di caratteristiche elettriche possono essere soddisfatti all'interno dell'intervallo (il valore crosstalk del segnale è controllato entro 70mV), così l'ingegnere di progettazione ottiene una tale regola fisica per l'alta velocità Scheda PCB progettazione durante la fase fisica effettiva Scheda PCB layout e cablaggio. I router ad alta velocità convenzionali sono tutti Questo requisito di dimensione fisica può essere garantito. Ci sono due problemi qui: Primo, le conversioni regolari non sono equivalenti. Primo, Il crosstalk tra i segnali non è determinato dalla lunghezza delle tracce tra i segnali paralleli, ma dipende anche dalla direzione di flusso dei segnali, la posizione dei segmenti di linea parallela, e Ci sono vari fattori come la presenza o l'assenza di corrispondenza, che possono essere difficili da prevedere o addirittura pienamente conto prima dell'effettiva attuazione fisica. Pertanto, dopo tale conversione, non si può garantire che le norme elettriche originali possano essere rispettate contemporaneamente a queste norme fisiche. Questo è anche un motivo molto importante per cui i router ad alta velocità sopra menzionati non possono ancora funzionare normalmente quando i router ad alta velocità sopra menzionati soddisfano le regole. In secondo luogo, è quasi impossibile considerare molteplici influenze allo stesso tempo quando queste regole vengono convertite. Per esempio, quando si considera il crosstalk del segnale, è difficile considerare l'influenza di tutte le linee di segnale correlate circostanti allo stesso tempo. Queste due situazioni determinano che il router ad alta velocità basato su regole fisiche avrà grandi problemi nella progettazione di alta velocità e alta complessità Scheda PCB sistemi, e l'alta velocità Scheda PCB router basato su regole elettriche è meglio. Risolto questo problema. High-speed Scheda PCBLa progettazione a livello e a livello di sistema è un processo complesso. Problemi di integrità del segnale, tra cui il crosstalk del segnale, portano cambiamenti nei concetti di progettazione, idee di design, processi di progettazione e metodi di progettazione. Garantire una rapida individuazione dei problemi, risolto, e guidato in nuovi progetti per prevenire problemi nella progettazione di sistemi ad alta velocità è diventato mainstream nel sistema ad alta velocità Scheda PCB design today.