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La tecnologia di routing migliora l'integrità della scheda PCB incorporata
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La tecnologia di routing migliora l'integrità della scheda PCB incorporata

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, e la sua qualità progettuale spesso influisce direttamente sull'affidabilità e sulla compatibilità dei sistemi embedded. In the past, in alcuni circuiti a bassa velocità, the clock frequency was generally only about 10 MHz. La sfida principale della progettazione di circuiti stampati o pacchetti era come instradare tutte le linee di segnale sulla scheda a doppio strato e come assemblare senza distruggere il pacchetto. The electrical characteristics of the interconnects are not critical since the interconnects have not affected system performance. In questo senso, the interconnect lines in the signal low-speed circuit board are unobstructed and transparent. Tuttavia, with the development of embedded systems, i circuiti utilizzati sono fondamentalmente circuiti ad alta frequenza. Due to the increase of the clock frequency, anche il bordo ascendente del segnale è accorciato, and the capacitive and inductive reactance of the printed circuit to the passing signal will be much greater than The resistance of the printed circuit itself seriously affects the integrity of the signal. Per sistemi incorporati, signal integrity effects become important when clock frequencies exceed 100 MHz or rising edges are less than 1 ns. Questo articolo parte dalle reali caratteristiche elettriche delle linee di segnale nei circuiti digitali ad alta velocità, establishes an electrical characteristics model, trova le ragioni principali che influenzano l'integrità del segnale e come risolvere i problemi, and gives the problems that should be paid attention to in the wiring and the methods and skills to follow.

circuito stampato

2. Signal integrity
Generally, Si può considerare che l'integrità del segnale dovrebbe comprendere i seguenti significati: la distorsione della forma d'onda del segnale dovrebbe essere controllata entro un certo intervallo, the timing diagram of the signal flow can meet the logic requirements, e il processo di generazione e trasmissione del segnale è stabile nello stato di scoppio. The destruction of signal integrity is mainly due to two reasons. Primo, a causa di interferenze esterne, especially the interference of the conduction channel, compreso l'effetto di riflessione causato dal disallineamento dell'impedenza del canale di trasmissione, the original waveform is destroyed; secondly, Il segnale digitale sarà naturalmente Un effetto di dispersione spettrale si verifica, changing the original waveform. Quando la frequenza dell'orologio è relativamente alta, such as when the clock reaches 10MHz or more or the edge time of the pulse reaches 1ns or less, Scopriremo che non è facile portare il segnale dove è previsto. There are many factors that affect signal integrity issues, incluso jitter , delay, rimbalzo a terra, reflections, crosstalk, switching noise, disallineamento dell'alimentazione elettrica, attenuazione, allungamento del polso, timing confusion, ecc. Signal integrity issues always involve the entire process of the signal, Quindi la garanzia dell'integrità del segnale richiede l'ambiente fisico in cui funziona l'intero segnale. To do this, è necessario modellare il sistema di integrità del segnale. The signal integrity system model should include three parts: the complete signal source, il canale di coordinamento fisico del segnale, and the complete reception of the signal. The main contents of the three parts are as follows:
(1) Complete signal source: ensure the integrity of the generated signal. These include power supply guarantee, filtro del rumore, potenziale del suolo, common mode elimination, garanzia dell'impedenza di uscita, etc.
(2) The physical coordination channel of the signal: Ensure that the signal does not change during transmission. These include: crosstalk, ritardi, channel dips, riflessi e risonanze, bandwidth, attenuation, impedance control, collegamento del circuito, and more.
(3) Complete signal reception: ensure high-efficiency reception without distortion. These include: input impedance matching, lavorazione a terra, multi-terminal network mutual impedance, condensatori di disaccoppiamento, 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 Scheda PCB. Il segnale viene inviato dal mittente al ricevitore, and there is a transmission delay in between. I ritardi dei segnali hanno un impatto sulla tempistica del sistema; I ritardi di propagazione sono determinati principalmente dalla lunghezza del filo e dalla costante dielettrica del mezzo che circonda il filo. In a high-speed digital system, la lunghezza della linea di trasmissione del segnale è un fattore diretto che influenza la differenza di fase degli impulsi di clock. The phase difference of the clock pulses refers to the asynchronous time when the two clock signals generated at the same time arrive at the receiving end. La differenza di fase dell'impulso dell'orologio riduce la prevedibilità dell'arrivo del bordo del segnale, and if the clock pulse phase difference is too large, produrrà un segnale errato all'estremità ricevente.

2.2 Reflection: Reflection is the echo of the signal on the signal line. Quando il tempo di ritardo del segnale è molto più grande del tempo di transizione del segnale, the signal line must be used as a transmission line. Quando l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione non corrisponde all'impedenza di carico, a portion of the signal power (voltage or current) is transmitted to the line and reaches the load, ma una parte è riflessa. If the load impedance is smaller than the original impedance, la riflessione è negativa; altrimenti, the reflection is positive. Variazioni nella geometria delle tracce, incorrect wire termination, trasmissione tramite connettori, and power plane discontinuities can all cause such reflections.

2.3 Crosstalk: Crosstalk is the coupling between two signal lines, l'induttanza reciproca e la capacità reciproca tra le linee del segnale, and the noise on the signal line. L'accoppiamento capacitivo induce la corrente di accoppiamento, while inductive coupling induces coupling voltage. Il rumore delle conversazioni incrociate proviene dall'accoppiamento elettromagnetico tra linee di segnale, between signal systems and power distribution systems, e tra i v.a.. Cross-winding may cause false clocks, errori di dati intermittenti, etc., e influenzare la qualità di trasmissione dei segnali adiacenti. In reality, crosstalk non può essere completamente eliminato, but it can be controlled within the range that the system can tolerate. I parametri dello strato PCB, la distanza tra le linee di segnale, the electrical characteristics of the driving end and the receiving end, e il metodo di terminazione di base hanno tutti una certa influenza sul crosstalk. When wiring high-speed Scheda PCBs, if the wiring space is small or the wiring density is high, il problema del crosstalk è molto grave, and the electromagnetic interference caused by it will seriously affect the signal of the circuit. Per ridurre le conversazioni incrociate, the following measures can be taken during wiring: properly terminate the crosstalk-sensitive signal lines, e ridurre il crosstalk riducendo la capacità di accoppiamento tramite corrispondenza di impedenza.

2.4 Overshoot e undershoot: Overshoot è un valore di picco o valle superiore alla tensione impostata. For the rising edge, si riferisce alla tensione; per il bordo di caduta, it refers to the voltage. Undershoot è quando la valle o picco successivo supera la tensione impostata. Excessive overshoot can cause the protection diode to operate, facendolo fallire prematuramente. Excessive undershoot can cause spurious clock or data errors (misoperations).

2.5 Oscillation and Surround Oscillation: Oscillation phenomena are repeated overshoots and undershoots. L'oscillazione del segnale è l'oscillazione causata dall'induttanza e dalla capacità della transizione sulla linea, which belongs to the under-damped state, mentre l'oscillazione circostante appartiene allo stato sovrasmorzato. Oscillation and surround oscillations, come riflessi, are caused by many factors, e le oscillazioni possono essere ridotte dalla corretta terminazione, but cannot be completely eliminated. Rumore di rimbalzo a terra e rumore di ritorno: Quando c'è una grande sovratensione di corrente nel circuito, causerà rumore di rimbalzo del terreno. For example, quando le uscite di un gran numero di chip sono accese contemporaneamente, there will be a large transient current between the chip and the board. L'induttanza e la resistenza del pacchetto del chip e del piano di potenza causeranno rumore dell'alimentazione elettrica, which will cause voltage fluctuations and changes on the true ground plane, e questo rumore influenzerà il comportamento di altri componenti. The increase of the load capacitance, la diminuzione della resistenza al carico, the increase of the ground inductance, e l'aumento del numero di dispositivi di commutazione porterà tutti all'aumento del rimbalzo del terreno.

3. Analysis of the electrical characteristics of the transmission channel
In a multi-layer Scheda PCB, most of the transmission lines are not only arranged on a single layer, ma sfalsati su più strati, and the layers are connected through vias. Pertanto, in a multi-layer Scheda PCB, un tipico canale di trasmissione comprende principalmente tre parti: linea di trasmissione, trace corner, e via foro. In the case of low frequency, Le linee stampate e le tracce vias possono essere considerate come normali connessioni elettriche che collegano pin di dispositivi diversi, which will not have much impact on signal quality. Tuttavia, at high frequencies, tracce, corners and vias should not only consider their connectivity, ma anche l'influenza delle loro caratteristiche elettriche e dei parametri parassitari alle alte frequenze.

4. Analisi delle caratteristiche elettriche delle linee di trasmissione ad alta velocità Scheda PCBs
In the progettazione of high-speed Scheda PCB, it is inevitable to use a large number of signal connecting lines, e le lunghezze sono diverse. The delay time of the signal passing through the connecting line can not be ignored compared with the change time of the signal itself, e il segnale è trasmesso alla velocità delle onde elettromagnetiche. For upstream transmission, La linea di collegamento in questo momento è una rete complessa con resistenza, capacitance, e induttanza, which needs to be described by a distributed parameter system model, che è, the transmission line model. Una linea di trasmissione è utilizzata per trasmettere un segnale da un'estremità all'altra e consiste di 2 fili con una certa lunghezza, one is called the signal path and the other is called the return path. In circuiti a bassa frequenza, transmission lines behave as purely resistive electrical properties. In alta velocità Scheda PCBs, man mano che aumenta la frequenza del segnale di trasmissione, the capacitive impedance between the wires decreases, e l'impedenza induttiva sui fili aumenta, and the signal wire will no longer behave as a pure resistance, che è, the signal will not only be transmitted on the wire, ma anche si propaga nel mezzo tra conduttori. For a uniform wire, la resistenza 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. Analisi delle caratteristiche elettriche dei vias ad alta velocità Scheda PCBs
Via, usually refers to a hole in a printed circuit board, è un fattore importante nella progettazione di multistrato Scheda PCBs. Vias può essere utilizzato per l'installazione fissa di componenti plug-in o l'interconnessione tra strati. From a process perspective, I vias sono generalmente suddivisi in tre categorie: vias ciechi, buried vias, e per via endovenosa. Blind holes are located on the top and bottom surfaces of the printed circuit board, con una certa profondità, and are used for the connection of the surface layer circuit and the underlying inner layer circuit. La profondità del foro e il diametro del foro di solito non superano un certo rapporto. Buried vias refer to connection holes located in the inner layer of the printed circuit board, che non si estendono alla superficie del circuito stampato. Through-holes pass through the entire circuit board and can be used for interconnection between layers or as mounting holes for components. Perché il foro passante è più facile da realizzare nel processo e il costo è inferiore, the general printed circuit board uses the through hole instead of the other two kinds of through holes. I fori passanti indicati di seguito sono considerati come fori passanti. As a special transmission line, I vias non solo generano capacità parassitaria a terra, but also parasitic inductance in high-speed circuits. L'impatto della capacità parassitaria della via sul circuito è principalmente quello di rallentare o deteriorare il bordo ascendente del segnale digitale, reducing the speed of the circuit. Minore è il valore di capacità parassitaria della via, the smaller the impact. L'effetto principale dell'induttanza parassitaria via è quello di ridurre l'efficacia del condensatore bypass dell'alimentazione elettrica e rendere l'intero effetto filtrante dell'alimentazione elettrica peggiore.

6. Contribution of transmission line corners to transmission channel signal integrity problems
When the printed line of the Scheda PCB passes through the corner, la modifica della larghezza della linea stampata è sì, e cambia anche l'impedenza caratteristica della linea stampata. Since the width of the trace becomes wider when it passes the corner, aumenta la capacità tra la traccia e lo strato di riferimento, e la caratteristica impedenza della traccia diminuisce. Therefore, c'è una discontinuità di impedenza caratteristica all'angolo della linea stampata, which leads to the reflection of the signal on the printed line and affects the signal integrity. Confronto delle caratteristiche di riflessione e trasmissione di angoli di diverse forme geometriche: Comune Scheda PCB printed line corner geometries: Right-angled corners, angoli arrotondati, inside and outside 45-degree beveled corners, e angoli smussati esterni a 45 gradi. The reflection and transmission characteristics of the corners of traces of different geometries are different. 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, and the corner geometry of the printed line is right-angle bend and 45 degree outer bevel cut. Sotto la gamma di frequenza di 2GH, the track corner geometry has little effect on the signal transmission characteristics, e il suo effetto aumenta significativamente man mano che la frequenza aumenta, especially for right-angled corners. Si raccomanda che gli angoli della traccia siano piegati ad angolo retto con una geometria smussata di 45 gradi, which itself has less impact on signal integrity. Quando la larghezza della linea del segnale è stretta in un circuito ad alta densità, the delay accumulation caused by the parasitic capacitance of the corner is generally unlikely to have a great impact on the signal integrity. Ma per circuiti sensibili ad alta frequenza, such as high-frequency clock lines, deve essere considerato l'effetto cumulativo della capacità parassitaria angolare.

7. Use wiring techniques to suppress signal integrity issues
When the signal is output from the drive source, the currents and voltages that make up the signal treat the interconnect as an impedance network. Mentre il segnale si propaga lungo la rete di impedenza, it constantly experiences transient impedance changes caused by the interconnect. Se l'impedenza vista dal segnale rimane la stessa, the signal is not distorted. Una volta che l'impedenza cambia, the signal is reflected at the change and distorted as it travels through the rest of the interconnect. Se l'impedenza cambia sufficientemente, the distortion can cause false triggering. Nel processo di progettazione di ottimizzazione dell'integrità del segnale, an important design goal is to design all interconnect lines as uniform transmission lines, e ridurre la lunghezza di tutte le linee di trasmissione non uniformi, so that the impedance felt by the signals in the entire network remains unchanged. . Sulla base di questo, it can be concluded that some methods of using wiring techniques to suppress signal integrity problems: the trace shape of the printed conductors should not be tangled, angoli ramificati o duri, try to avoid T-shaped lines and stubs; try to keep the same network signal line. Larghezza linea, reduce line width change; reduce transmission line length, aumentare la larghezza del filo; cercare di aumentare la distanza tra i fili; cercare di ridurre i vias e gli angoli delle linee di segnale ad alta velocità, and reduce the inter-layer conversion of signal lines; reasonable selection of vias size; reduce signal loop area and loop current. In conclusione, any feature that changes the cross-section or network geometry will change the impedance seen by the signal. La chiave per ridurre i problemi di integrità del segnale nel cablaggio è ridurre l'improvviso cambiamento di impedenza sulla linea di trasmissione, so that the impedance experienced by the signal in the entire network remains unchanged. In breve, in the design of the Scheda PCB, è necessario integrare il layout e il cablaggio dei componenti e la soluzione al problema di integrità del segnale che dovrebbe essere utilizzato in ogni caso, so as to better solve the signal integrity problem of the Scheda PCB.

8. Conclusion
In today's wide application of embedded systems, L'integrità del segnale è diventata un contenuto estremamente importante nel Scheda PCB design of embedded systems, che influiscono sul successo o sul fallimento dell'intero Scheda PCB design. When the circuit is determined, i componenti sono selezionati, and the PCB layout is determined, Le tecniche di cablaggio possono essere utilizzate per sopprimere il verificarsi di problemi di integrità del segnale, improve the reliability of the Scheda PCB, e ridurre la perdita causata da problemi di integrità del segnale. Aiming at the signal integrity problem caused by the high frequency environment of the embedded system Scheda PCB, Questo articolo propone un metodo per sopprimerlo con un cablaggio ragionevole. Through the analysis of various signal integrity phenomena and the modeling and description of the electrical characteristics of transmission lines, vie e angoli, some methods for improving signal integrity by using wiring skills in Scheda PCB la progettazione è conclusa, which have practical reference value.