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Soluzioni di integrità del segnale per la progettazione di schede PCB digitali ad alta velocità
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Soluzioni di integrità del segnale per la progettazione di schede PCB digitali ad alta velocità

Soluzioni di integrità del segnale per la progettazione di schede PCB digitali ad alta velocità

2022-08-23
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Author:pcb
p>Con l'aumento della velocità di commutazione in uscita dei circuiti integrati e l'aumento della densità di Scheda PCB, L'integrità del segnale è diventata una delle questioni che devono essere affrontate nel digitale ad alta velocità PProgettazione CB. I parametri dei componenti e Scheda PCBs, e la disposizione dei componenti sul Scheda PCB , il cablaggio delle linee di segnale ad alta velocità e altri fattori causerà problemi di integrità del segnale.
Per PStruttura CB, L'integrità del segnale richiede la fornitura di un layout della scheda che non influisca sulla temporizzazione o sulla tensione del segnale, while for circuit routing, L'integrità del segnale richiede la fornitura di componenti di terminazione, strategie di collocamento, e informazioni di instradamento. Alta velocità del segnale sul PCB, posizionamento errato dei componenti di terminazione, o cablaggio errato di segnali ad alta velocità può causare problemi di integrità del segnale, che può causare l'uscita di dati errati dal sistema, il circuito per funzionare anormalmente o anche non funzionare affatto. La piena considerazione dei fattori di integrità del segnale nel processo di progettazione e l'adozione di misure di controllo efficaci sono diventati un argomento caldo nel PProgettazione CB industry today.

1. Signal integrity issues
Good signal integrity means that the signal responds with the correct timing and voltage level values when needed. Al contrario, si verifica un problema di integrità del segnale quando il segnale non risponde correttamente. I problemi di integrità del segnale possono causare o portare direttamente alla distorsione del segnale, errori di temporizzazione, dati errati, linee di indirizzo e controllo, e malfunzionamenti del sistema, e persino crash del sistema. Cause da una combinazione di fattori. La velocità di commutazione del IC, posizionamento errato dei componenti di terminazione, o l'instradamento errato dei segnali ad alta velocità può causare problemi di integrità del segnale. I principali problemi di integrità del segnale includono: ritardi, riflessioni, rumore di commutazione sincrona, oscillazioni, rimbalzo a terra, crosstalk, ecc.

2. Definition of Signal Integrity
Signal integrity refers to the ability of the signal to respond with the correct timing and voltage in the circuit. È uno stato in cui il segnale non è danneggiato. Indica la qualità del segnale sulla linea di segnale.

2.1 Delay
Delay means that the signal is transmitted at a limited speed on the wires of the Scheda PCB. Il segnale viene inviato dal mittente al ricevitore, e c'è un ritardo di trasmissione tra. Il ritardo del segnale influenzerà la tempistica del sistema, e il ritardo di propagazione dipende principalmente dalla lunghezza del filo e dalla costante dielettrica del mezzo intorno al filo. In un sistema digitale ad alta velocità, la lunghezza della linea di trasmissione del segnale è un fattore diretto che influenza la differenza di fase degli impulsi di clock. La differenza di fase degli impulsi di clock si riferisce a due segnali di clock generati contemporaneamente, e l'ora in cui arrivano all'estremità ricevente non è sincronizzata. La differenza di fase dell'impulso dell'orologio riduce la prevedibilità dell'arrivo del bordo del segnale. Se la differenza di fase dell'impulso dell'orologio è troppo grande, verrà generato un segnale errato all'estremità ricevente. Come mostrato nella figura 1, Il ritardo della linea di trasmissione è diventato una parte importante del ciclo di impulso dell'orologio.

2.2 Reflection
The reflection is the echo on the sub-transmission line. When the signal delay time (Delay) is much greater than the signal transition time (Transition Time), la linea di segnale deve essere utilizzata come linea di trasmissione. Quando l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione non corrisponde all'impedenza di carico, part of the signal power (voltage or current) is transmitted to the line and reaches the load, ma parte di esso si riflette. Se l'impedenza di carico è inferiore all'impedenza originale, la riflessione è negativa; altrimenti, la riflessione è positiva. Variazioni nella geometria delle tracce, terminazione del cavo errata, trasmissione tramite connettori, e discontinuità del piano di potenza possono tutte causare tali riflessi.

2.3 SSN
When many digital signals on the PCB are switched synchronously (such as the data bus of the CPU, il bus degli indirizzi, ecc.), a causa dell'impedenza sulla linea elettrica e sulla linea di terra, Verrà generato rumore di commutazione sincrona, e l'aereo di terra rimbalzerà sulla linea di terra. Noise (rimbalzo a terra). La forza dell'SSN e del rimbalzo al suolo dipende anche dalla I/O caratteristiche del circuito integrato, l'impedenza dello strato di alimentazione e dello strato piano del PCB, e il layout e il routing dei dispositivi ad alta velocità sul PCB.

2.4 Crosstalk
Crosstalk is the coupling between two signal lines, e l'induttanza reciproca e la capacità reciproca tra le linee di segnale causano rumore sulla linea. L'accoppiamento capacitivo induce la corrente di accoppiamento, mentre l'accoppiamento induttivo induce la tensione di accoppiamento. Il rumore delle conversazioni incrociate proviene dall'accoppiamento elettromagnetico tra linee di segnale, tra sistemi di segnale e sistemi di distribuzione dell'energia, e tra i v.a.. Le conversazioni incrociate possono causare falsi orologi, errori di dati intermittenti, ecc., che influisce sulla qualità di trasmissione dei segnali adiacenti. Infatti, non abbiamo bisogno di eliminare completamente la carica trasversale, a condizione che sia controllato entro la portata che il sistema può sopportare. I parametri del PLivello CB, la distanza tra le linee di segnale, le caratteristiche elettriche dell'estremità motrice e dell'estremità ricevente, e il metodo di terminazione di base hanno tutti una certa influenza sul crosstalk.

2.5 Overshoot and Undershoot
Overshoot is a peak or valley value exceeding the set voltage, per bordi rialzati, si riferisce alla tensione, e per i bordi cadenti, si riferisce alla tensione. Undershoot è quando la valle o picco successivo supera la tensione impostata. Un eccesso eccessivo può causare il funzionamento del diodo di protezione, facendolo fallire prematuramente. Excessive undershoot can cause spurious clock or data errors (misoperations).

2.6 Ringing and Rounding
Oscillation is the repeated overshoot and undershoot. L'oscillazione del segnale è l'oscillazione causata dall'induttanza e dalla capacità della transizione sulla linea, che appartiene allo stato sottosmorzato, mentre l'oscillazione circostante appartiene allo stato sovrasmorzato. Oscillazione e oscillazioni surround, come riflessi, sono causati da molti fattori, e le oscillazioni possono essere ridotte dalla corretta terminazione, ma non può essere completamente eliminato.

2.7 Ground bounce noise and return noise
When there is a large current surge in the circuit, causerà rumore di rimbalzo dell'aereo di terra. Per esempio, quando le uscite di un gran numero di chip sono accese contemporaneamente, una grande corrente transitoria scorrerà attraverso il piano di potenza del chip e della scheda, L'induttanza e la resistenza dei piani causano rumore dell'alimentazione elettrica, which creates voltage fluctuations and changes in the true ground plane (OV), che può influenzare il comportamento di altri componenti. L'aumento della capacità di carico, la diminuzione della resistenza al carico, l'aumento dell'induttanza del suolo, e l'aumento del numero di dispositivi di commutazione porterà tutti all'aumento del rimbalzo del terreno. Due to the division of the ground plane (including power supply and ground), per esempio, il piano di terra è diviso in terra digitale, Terra analogica, terra dello scudo, ecc., quando il segnale digitale va all'area di terra analogica, il rumore di ritorno del piano terra sarà generato. Allo stesso modo, i piani di potenza possono anche essere divisi in 2.5 V, 3.3 V, 5 V, ecc. Pertanto, nella multi-tensione PCB design, Il rumore di rimbalzo e il rumore di ritorno al piano terra hanno bisogno di particolare attenzione.

3. Signal integrity solutions
The signal integrity problem is not caused by a single factor, ma causato da una combinazione di fattori nella progettazione a livello di bordo. I principali problemi di integrità del segnale includono la riflessione, squillo, ground bounce, crosstalk, ecc. Quanto segue introduce principalmente il crosstalk e la riflessione.

3.1 Crosstalk Analysis
Crosstalk refers to the undesired voltage noise interference on adjacent transmission lines due to electromagnetic coupling when a signal propagates on a transmission line. Un eccessivo crosstalk può causare un falso innesco del circuito, il sistema non funziona correttamente. Poiché la dimensione del crosstalk è inversamente proporzionale alla spaziatura delle linee, è proporzionale alla lunghezza parallela della linea. La conversazione incrociata varia con il carico del circuito. Per la stessa topologia e cablaggio, maggiore è il carico, maggiore è il crosstalk. La conversazione incrociata è proporzionale alla frequenza del segnale. Nei circuiti digitali, il cambio di bordo del segnale influisce sul crosstalk. Più velocemente cambia il bordo, maggiore è il crosstalk.

Secondo le caratteristiche di crosstalk di cui sopra, it can be summarized into the following methods to reduce crosstalk:
1) Reduce the transition rate of the signal edge if possible. Quando si selezionano i dispositivi, provare a scegliere dispositivi lenti rispettando le specifiche di progettazione, ed evitare di mescolare diversi tipi di segnali, perché i segnali che cambiano rapidamente hanno potenziale pericolo di crosstalk per i segnali che cambiano lentamente.
2) The crosstalk generated by capacitive coupling and inductive coupling increases with the increase of the load impedance of the interfered line, in modo da ridurre il carico può ridurre l'influenza dell'interferenza di accoppiamento.
3) When the wiring conditions permit, cercare di ridurre la lunghezza parallela tra linee di trasmissione adiacenti o aumentare la distanza tra i fili di accoppiamento capacitivo che possono verificarsi, such as using the 3W principle (the distance between traces must be a single trace width) 3 times or the distance between two traces must be greater than 2 times the width of a single trace). Un approccio più efficace è quello di isolare i conduttori con un filo di terra.
4) Inserting a ground wire between adjacent signal wires can also effectively reduce capacitive crosstalk. Questo cavo di terra deve essere collegato allo strato di terra ogni 1/4 lunghezza d'onda.
5) It is difficult to suppress inductive coupling. È necessario ridurre il più possibile il numero di loop, ridurre l'area del ciclo, ed evitare di condividere la stessa sezione di filo per i loop di segnale.
6) The signal layer traces of two adjacent layers should be vertical, Si dovrebbero evitare il più possibile tracce parallele per ridurre le conversazioni incrociate tra gli strati.
7) The surface layer has only one reference layer, e l'accoppiamento del cablaggio dello strato superficiale è più forte di quello dello strato medio. Pertanto, i segnali che sono più sensibili al crosstalk dovrebbero essere collocati nello strato interno il più possibile.
8) Through termination, le estremità lontane e vicine della linea di trasmissione e l'impedenza terminale sono abbinate alla linea di trasmissione, che può ridurre notevolmente il crosstalk e l'interferenza di riflessione.

3.2 Reflection Analysis
When the signal propagates on the transmission line, finché si verifica il cambiamento di impedenza, si verificherà una riflessione. Il metodo principale per risolvere il problema di riflessione è quello di eseguire la corrispondenza dell'impedenza terminale.

1) Typical Transmission Line Termination Strategy
In high-speed digital systems, il disallineamento di impedenza sulla linea di trasmissione causerà la riflessione del segnale. Il metodo per ridurre ed eliminare la riflessione consiste nell'eseguire la corrispondenza dell'impedenza terminale all'estremità trasmittente o all'estremità ricevente secondo l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione, in modo che il coefficiente di riflessione della sorgente o il coefficiente di riflessione del carico sia O. The length of the transmission line meets the following conditions and should use termination technology: L>tr/2tpd. Nella formula, L è la lunghezza della linea di trasmissione; tr è il tempo di salita del segnale sorgente; tpd è il ritardo di trasmissione del carico per unità di lunghezza della linea di trasmissione. Per la terminazione delle linee di trasmissione vengono solitamente adottate due strategie: abbinare l'impedenza di carico all'impedenza della linea di trasmissione, che è, terminazione parallela; e corrispondenza dell'impedenza della sorgente con l'impedenza della linea di trasmissione, che è, terminazione seriale.
2) Pterminazione dell'aralle
PLa terminazione dell'aralle è principalmente quella di collegare l'impedenza pull-up o pull-down il più vicino possibile all'estremità del carico per ottenere l'accoppiamento dell'impedenza del terminale.
3) Serial termination
Serial termination is achieved by inserting a resistor into the transmission line in series as close to the source as possible. La terminazione seriale deve corrispondere all'impedenza della sorgente del segnale. La resistenza della resistenza seriale inserita più l'impedenza di uscita della sorgente di azionamento dovrebbe essere superiore o uguale all'impedenza della linea di trasmissione. This strategy suppresses the signal reflected back from the load by making the reflection coefficient at the source end (the load end inputs high impedance and does not absorb energy) and then reflects back from the source end to the load end.

3.2.2 Tecnologia di terminazione di diversi Process Devices
The technical solutions of impedance matching and termination vary with the interconnection length and the series of logic devices in the circuit. Solo l'utilizzo del metodo di terminazione corretto e appropriato per situazioni specifiche può ridurre efficacemente i riflessi del segnale. In generale, per una sorgente di unità di processo CMOS, il suo valore di impedenza in uscita è relativamente stabile e vicino al valore di impedenza della linea di trasmissione, così l'utilizzo della tecnologia di terminazione seriale per i dispositivi CMOS otterrà risultati migliori; L'impedenza di uscita è diversa quando si emette un livello logico alto e basso. In questo momento, utilizzare il sistema parallelo di terminazione Thevenin è una strategia migliore; I dispositivi ECL hanno generalmente un'impedenza di uscita molto bassa, Quindi è il circuito ECL ad utilizzare una resistenza di terminazione pull-down all'estremità ricevente del circuito ECL per assorbire l'energia. Tecnologia universale di terminazione. Naturalmente, il metodo di cui sopra non è lo stesso. Differenze nei circuiti specifici, la selezione della topologia di rete, e il numero di carichi all'estremità ricevente sono tutti fattori che possono influenzare la strategia di terminazione. Pertanto, nell'attuazione dello schema di terminazione del circuito nei circuiti ad alta velocità, è necessario considerare la situazione specifica. selezionare lo schema di terminazione appropriato per ottenere il miglior effetto terminazione.

4. Signal integrity analysis and modeling
Reasonable circuit modeling and simulation is a common solution to signal integrity. Nella progettazione di circuiti ad alta velocità, L'analisi di simulazione mostra sempre più la sua superiorità. Fornisce ai progettisti risultati di progettazione accurati e intuitivi, che è conveniente per la rilevazione precoce dei problemi e revisioni tempestive, abbreviando così i tempi di progettazione e riducendo i costi di progettazione. Ci sono tre modelli comunemente usati: SPModello ICE, Modello IBIS, Modello Verilog-A. SPICE è un potente simulatore di circuiti analogici per uso generale. Si compone di due parti: Equazione del Modello e Modello Parametri. Poiché le equazioni del modello sono fornite, la SPIl modello ICE può essere strettamente collegato con l'algoritmo del simulatore, è possibile ottenere una migliore efficienza dell'analisi e risultati di analisi; il modello IBIS è utilizzato specialmente per l'integrità del segnale digitale Scheda PCB livello e livello di sistema. Modello analitico. Utilizza la forma di I/V e V/Tabelle T per descrivere le caratteristiche del circuito integrato digitale I/Unità O e perni. L'analisi del modello IBIS dipende principalmente dal numero di punti dati e dal grado di dati nel 1/V e V/Tabelle T. Rispetto alla SPModello ICE, il modello IBIS è computazionalmente piccolo. Per garantire che la PScheda CB ha una buona integrità del segnale, è necessario integrare una varietà di fattori che influenzano, layout razionale e cablaggio, in modo da migliorare le prestazioni del prodotto.