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Cause e metodi dei problemi di integrità del segnale nella progettazione della scheda PCB ad alta velocità
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Cause e metodi dei problemi di integrità del segnale nella progettazione della scheda PCB ad alta velocità

Cause e metodi dei problemi di integrità del segnale nella progettazione della scheda PCB ad alta velocità

2022-08-23
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Author:pcb
p>Con lo sviluppo continuo della tecnologia dei semiconduttori e della tecnologia dei micron a pressione profonda, La velocità di commutazione dell'IC è aumentata da decine di MHZ a centinaia di MHz, o anche diversi GHz. Nella progettazione di alta velocità Scheda PCB, Gli ingegneri incontrano spesso problemi di integrità del segnale come il falso trigger, oscillazione smorzata, overshoot, sottoshoot, e crosstalk. Questo articolo discuterà perché sono formati, come vengono calcolati, e come risolvere questi problemi utilizzando il metodo di simulazione IBIS in Allegro.

1. Definition of Signal Integrity
Signal Integrity (SI) refers to the signal quality on the signal line. La scarsa integrità del segnale non è causata da un singolo fattore, ma da una combinazione di fattori nella progettazione a livello di consiglio. Le cause di danno all'integrità del segnale includono riflessi, squillo, rimbalzo a terra, crosstalk, e altro ancora. Con il miglioramento continuo della frequenza operativa del segnale, Il problema dell'integrità del segnale è diventato al centro dell'alta velocità Scheda PCB ingegneri.

2. Reflection
2.1 Formation and calculation of reflections
Impedance discontinuities on the transmission line can cause signal reflections, e quando le impedenze di sorgente e carico non corrispondono, il carico riflette una parte della tensione di ritorno alla sorgente. La trasmissione differenziale in linea dei segnali risolve molti problemi. Che cos'è un segnale differenziale? In termini profani, l'estremità motrice invia due segnali di uguale valore e di fase opposta, e l'estremità ricevente giudica lo stato logico "0" o "1" confrontando la differenza tra le due tensioni. La coppia di fili che trasportano il segnale differenziale è chiamata un cavo differenziale. Come calcolare l'impedenza della linea differenziale? L'impedenza di vari segnali differenziali è diversa, such as the D+ D- of USB, l'impedenza differenziale della linea è 90ohm, la linea differenziale di 1394 è 110ohm, prima occhiata alla specifica o alle informazioni correlate. Esistono già molti strumenti per calcolare l'impedenza, come polare si9000. I fattori che influenzano l'impedenza differenziale includono la larghezza della linea, spaziatura differenziale tra linee, permistività dielettrica, and thickness of the medium (the thickness of the medium between the differential line e il reference surface). Generalmente, la differenza è aggiustata. Distanza linea e larghezza linea per controllare l'impedenza differenziale. Quando si fa la tavola, è inoltre necessario spiegare al fabbricante quali linee devono controllare l'impedenza. Un segnale differenziale è un valore numerico che rappresenta la differenza tra due grandezze fisiche. Rigorosamente parlando, tutti i segnali di tensione sono differenziali, perché una tensione può essere solo relativa ad un'altra. In alcuni sistemi, Il sistema "terra" è utilizzato come punto di riferimento della tensione. Quando "terra" è utilizzato come riferimento di misurazione della tensione, questo schema di segnale è chiamato single-end. Usiamo questo termine perché un segnale è rappresentato dalla tensione su un singolo conduttore.

Un vantaggio della segnalazione differenziale è che i piccoli segnali possono essere facilmente identificati perché si sta controllando la tensione di riferimento. In un sistema con un riferimento a terra, Schema di segnale monoterminale, il valore del segnale misurato dipende dalla consistenza del "terreno" all'interno del sistema. Più lontano sono la sorgente del segnale e il ricevitore del segnale, più è probabile che ci saranno differenze tra i loro valori locali di tensione di terra. Il valore del segnale recuperato dal segnale differenziale è in gran parte indipendente dal valore di "terra", ma entro un certo intervallo. A second benefit of differential signaling is that it is highly immune to external electromagnetic interference (EMI). Un aggressore colpisce ogni estremità di una coppia di segnali differenziali quasi equamente. Poiché la differenza nella tensione PADLOGIC nei PADS determina il valore del segnale, eventuali disturbi identici che appaiono sui due conduttori saranno ignorati. Oltre ad essere meno sensibile alle interferenze, I segnali differenziali generano meno EMI rispetto ai segnali monoterminale. Il terzo vantaggio dei segnali differenziali è il posizionamento temporizzato. Poiché i cambiamenti di commutazione dei segnali differenziali sono situati all'intersezione di due segnali, a differenza dei normali segnali single-end che si basano su tensioni di soglia elevate e basse per il giudizio, sono meno influenzati dal processo e dalla temperatura. Può ridurre gli errori di temporizzazione ed è più adatto per circuiti con segnali di bassa ampiezza. The currently popular LVDS (low voltage differential signaling) refers to this small-amplitude differential signaling technology. Differenziale non può considerare crosstalk, perché i loro risultati di crosstalk si annullano quando vengono ricevuti. Inoltre, il differenziale dovrebbe essere bilanciato, e il parallelo è solo una parte dell'equilibrio. Penso che l'accoppiamento della coppia differenziale dovrebbe ancora essere necessario, per corrispondenza a riga singola, anche se è molto maturo in teoria, but the actual PCB circuit still has an error of about 5% (a material, I have not done it myself). D'altra parte, una linea differenziale può essere vista come un sistema di auto-looping, o i segnali sulle sue due linee di segnale sono correlati. Se l'accoppiamento è troppo allentato, può causare interferenze diverse da altri luoghi. Per alcuni circuiti di interfaccia, L'uguale lunghezza della coppia differenziale di allenamento Allegro è un fattore importante per controllare il ritardo della linea. Quindi, Penso che la linea differenziale dovrebbe essere strettamente accoppiata. Per la maggior parte della velocità attuale Scheda PCBs, è utile mantenere un buon accoppiamento, ma spero che non pensi erroneamente che l'accoppiamento sia una condizione necessaria per coppie differenziali, che a volte limita le idee progettuali. Quando si esegue la progettazione o l'analisi ad alta velocità, non è solo necessario sapere come la maggior parte delle persone lo fanno, ma anche perché altri lo fanno, e poi capire e migliorare sulla base dell'esperienza altrui, ed esercitare costantemente la loro capacità di pensiero creativo. È necessaria una corrispondenza, ma la ragione della corrispondenza non è riflessione, ma per ridurre il grado di interferenza a carica trasversale. Se la riduzione è correlata al metodo di corrispondenza, se si utilizza la resistenza di serie, non avrà effetto, ma se si utilizza il metodo di abbinamento della terminazione a terra o collegato all'alimentazione, L'avvolgimento incrociato è ridotto perché l'impedenza di linea dei due fili è ridotta...

Per ingegneri PCB LAYOUT, La preoccupazione è come garantire che questi vantaggi del percorso differenziale possano essere pienamente utilizzati nel percorso effettivo. Forse chiunque sia stato in contatto con Layout capirà i requisiti generali del percorso differenziale, and the Scheda PCB design is "equal length, uguale distanza". La lunghezza uguale è quella di garantire che i due segnali differenziali mantengano sempre polarità opposte e riducano i componenti del modo comune; uguale distanza è principalmente per garantire che l'impedenza differenziale dei due sia coerente e ridurre la riflessione. Il principio "il più vicino possibile" è talvolta uno dei requisiti per l'instradamento differenziale. Le tracce differenziali possono anche essere eseguite in diversi livelli di segnale, ma questo metodo non è generalmente raccomandato, perché le differenze di impedenza e via generate da diversi strati distruggeranno l'effetto della trasmissione in modo differenziale e introdurranno rumore in modo comune. Inoltre, se i due strati adiacenti non sono strettamente accoppiati, Ridurrà la capacità della traccia differenziale di resistere al rumore, ma se la giusta distanza dalle tracce circostanti può essere mantenuta, crosstalk non è un problema. At general frequencies (below GHz), L'IME non sarà un problema serio. Gli esperimenti dimostrano che l'attenuazione dell'energia irradiata ad una distanza di 500mils da una traccia differenziale a 3 metri di distanza ha raggiunto 60dB, che è sufficiente per soddisfare gli standard di radiazione elettromagnetica della FCC, Quindi il progettista non deve preoccuparsi troppo dell'incompatibilità elettromagnetica causata dall'insufficiente accoppiamento differenziale della linea. Ma tutte queste regole non sono fatte per essere retoriche, e molti ingegneri sembrano non capire la natura del segnale differenziale ad alta velocità. Quanto segue si concentra sulla discussione di diversi malintesi comuni nella progettazione del segnale differenziale PCB. Si ritiene che le tracce differenziali debbano essere molto vicine. Mantenere le tracce differenziali vicine non è altro che migliorare il loro accoppiamento, che non solo può migliorare l'immunità al rumore, ma anche fare pieno uso della polarità opposta del campo magnetico per compensare le interferenze elettromagnetiche al mondo esterno. Anche se questo approccio è molto vantaggioso nella maggior parte dei casi, non è. Se possiamo assicurarci che siano completamente schermati da interferenze esterne, allora non abbiamo bisogno di ottenere anti-interferenza e anti-interferenza attraverso forte accoppiamento tra loro. lo scopo di sopprimere l'IME. Come possiamo garantire che le tracce differenziali abbiano un buon isolamento e schermatura? Aumentare la spaziatura con altre tracce di segnale è uno dei modi di base. L'energia del campo elettromagnetico diminuisce con il quadrato della distanza. Generalmente, la spaziatura tra linee supera 4 volte la larghezza della linea. , l'interferenza tra di loro è estremamente debole e può essere fondamentalmente ignorata. Inoltre, L'isolamento del piano di terra può anche svolgere un buon ruolo schermante. This structure is often used in the design of high-frequency (above 10G) IC package Scheda PCBs. Si chiama struttura CPW, which can ensure strict differential Impedance Control (2Z0). Pensate che i segnali differenziali non hanno bisogno di un piano di terra come percorso di ritorno, o pensare che le tracce differenziali forniscano percorsi di ritorno l'uno per l'altro. Questo malinteso è causato dall'essere confuso da fenomeni superficiali, o la comprensione del meccanismo di trasmissione del segnale ad alta velocità non è abbastanza profonda. I circuiti differenziali sono insensibili a rimbalzi simili e ad altri segnali di rumore che possono essere presenti sui piani di potenza e di terra. La cancellazione parziale del ritorno del piano di terra non significa che il circuito differenziale non utilizzi il piano di riferimento come percorso di ritorno del segnale. Infatti, nell'analisi del ritorno del segnale, il meccanismo di routing differenziale e routing ordinario monoterminale è lo stesso, che è, I segnali ad alta frequenza ritornano sempre lungo il ciclo dell'induttore, la differenza è che oltre all'accoppiamento al suolo, la linea differenziale ha anche accoppiamento reciproco. Qualsiasi accoppiamento sia forte, che si diventa il percorso principale di ritorno. Sulla Scheda PCB Nella progettazione di circuiti, l'accoppiamento tra tracce differenziali è generalmente piccolo, spesso rappresentano solo il 10~20% del grado di accoppiamento, e di più è l'accoppiamento al suolo, Quindi il percorso principale di ritorno della traccia differenziale esiste ancora nel piano di terra. Quando il piano di terra è discontinuo, nella zona senza piano di riferimento, l'accoppiamento tra le tracce differenziali fornirà il percorso principale di ritorno, anche se la discontinuità del piano di riferimento non ha effetto sulle tracce differenziali. È grave, ma ridurrà comunque la qualità dei segnali differenziali e aumenterà l'IME, che dovrebbero essere evitati il più possibile. Alcuni progettisti pensano anche che il piano di riferimento sotto le tracce differenziali possa essere rimosso per sopprimere parte del segnale in modalità comune nella trasmissione differenziale, ma questo approccio non è auspicabile in teoria. Come controllare l'impedenza? Non fornire il segnale in modalità comune. Il ciclo di impedenza di terra è legato a causare radiazioni EMI, che fa più male che bene. Pensa che mantenere una spaziatura uguale sia più importante che abbinare lunghezze di linea. Nell'attuale Scheda PCB layout, i requisiti della progettazione differenziale spesso non sono soddisfatti contemporaneamente. A causa di fattori quali la distribuzione dei pin, vias, e spazio di instradamento, lo scopo della corrispondenza della lunghezza della linea deve essere raggiunto mediante un percorso adeguato, ma il risultato deve essere che alcune aree della coppia differenziale non possono essere parallele. Scheda PCB La regola più importante nella progettazione è quella di abbinare la lunghezza della linea, e altre regole possono essere elaborate in modo flessibile in base ai requisiti di progettazione e alle applicazioni pratiche.