Tecnologia PCB - Modi per evitare gli effetti della linea di trasmissione PCB ad alta velocità

Alla luce degli effetti introdotti dal problema della linea di trasmissione PCB ad alta velocità, parleremo dei metodi per controllare questi effetti dai seguenti aspetti.

1 Controllare rigorosamente la lunghezza dei cavi di rete chiave

Se c'è un bordo di transizione ad alta velocità nella progettazione, deve essere considerato il problema dell'effetto della linea di trasmissione sul PCB. I circuiti integrati veloci con frequenze di clock molto alte che sono comunemente utilizzati al giorno d'oggi hanno tali problemi. Ci sono alcuni principi di base per risolvere questo problema: se i circuiti CMOS o TTL sono utilizzati per la progettazione, la frequenza di funzionamento è inferiore a 10MHz e la lunghezza del cablaggio non dovrebbe essere superiore a 7 pollici. La lunghezza del cablaggio non dovrebbe essere superiore a 1,5 pollici a 50MHz. Se la frequenza di funzionamento raggiunge o supera 75MHz, la lunghezza del cablaggio dovrebbe essere di 1 pollice. La lunghezza massima del cablaggio per i chip GaAs dovrebbe essere di 0,3 pollici. Se questo standard viene superato, ci saranno problemi di linea di trasmissione.

2 Pianificare ragionevolmente la topologia del cablaggio

Un altro modo per risolvere l'effetto delle linee di trasmissione PCB ad alta velocità è selezionare il percorso di cablaggio corretto e la topologia terminale. La struttura topologica del cablaggio si riferisce alla sequenza di cablaggio e alla struttura di cablaggio di un cavo di rete. Quando si utilizzano dispositivi logici ad alta velocità, a meno che la lunghezza del ramo di traccia non sia mantenuta breve, i segnali con bordi che cambiano rapidamente saranno distorti dalle tracce di ramo sulla traccia del tronco del segnale. In circostanze normali, il routing PCB utilizza due topologie di base, vale a dire Daisy Chain routing e Star distribution.

Per il cablaggio a catena a margherita, il cablaggio parte dall'estremità di azionamento e raggiunge ogni estremità di ricezione a turno. Se si utilizza una resistenza di serie per modificare le caratteristiche del segnale, la posizione della resistenza di serie dovrebbe essere vicina all'estremità dell'azionamento. In termini di controllo dell'interferenza armonica di alto ordine del cablaggio, il cablaggio a catena margherita ha l'effetto migliore. Tuttavia, questo metodo di cablaggio ha il tasso di distribuzione più basso e non è facile distribuire al 100%. Nella progettazione effettiva, rendiamo la lunghezza del ramo nel cablaggio della catena a margherita il più breve possibile. Il valore di lunghezza sicura dovrebbe essere: Stub Delay <= Trt *0.1.

Ad esempio, la lunghezza dell'estremità del ramo in un circuito TTL ad alta velocità dovrebbe essere inferiore a 1,5 pollici. Questa topologia occupa meno spazio di cablaggio e può essere terminata con un singolo resistore. Tuttavia, questa struttura di cablaggio rende asincrona la ricezione dei segnali alle diverse estremità di ricezione del segnale.

La struttura della topologia a stella può efficacemente evitare il problema asincrono del segnale dell'orologio, ma è molto difficile completare manualmente il cablaggio sulla scheda PCB ad alta densità. Utilizzare un router automatico è il modo migliore per completare il cablaggio a stella. Le resistenze di terminazione sono richieste su ogni ramo. La resistenza della resistenza terminale deve corrispondere all'impedenza caratteristica del collegamento. Questo può essere calcolato manualmente o con strumenti CAD per calcolare il valore di impedenza caratteristica e il valore di resistenza corrispondente al terminale.

Nei due esempi precedenti vengono utilizzate resistenze terminali semplici. In pratica, è possibile selezionare terminali di corrispondenza più complessi. La prima opzione è RC matching terminal. Il terminale di corrispondenza RC può ridurre il consumo energetico, ma può essere utilizzato solo quando il segnale è relativamente stabile. Questo metodo è più adatto per abbinare il segnale della linea dell'orologio. Lo svantaggio è che la capacità nel terminale di corrispondenza RC può influenzare la forma e la velocità di propagazione del segnale.

Il terminale di corrispondenza della resistenza di serie non produrrà consumo energetico aggiuntivo, ma rallenterà la trasmissione del segnale. Questo metodo è utilizzato per i circuiti di azionamento bus in cui il ritardo di tempo ha poco effetto. Il vantaggio del terminale di corrispondenza della resistenza di serie è che può ridurre il numero di dispositivi di bordo e la densità del cablaggio.

L'ultimo metodo è quello di separare il terminale corrispondente. In questo modo, il componente corrispondente deve essere posizionato vicino all'estremità ricevente. Il vantaggio è che non tirerà giù il segnale e il rumore può essere evitato molto bene. Tipicamente utilizzato per segnali di ingresso TTL (ACT, HCT, FAST).

Inoltre, devono essere presi in considerazione anche il tipo di pacchetto e il tipo di installazione della resistenza corrispondente del terminale. Generalmente, le resistenze di montaggio superficiale SMD hanno induttanza inferiore rispetto ai componenti passanti, quindi i componenti confezionati SMD diventano la prima scelta. Se si scelgono resistenze in linea ordinarie, ci sono anche due opzioni per l'installazione: verticale e orizzontale.

Nella modalità di installazione verticale, un perno di montaggio della resistenza è molto corto, che può ridurre la resistenza termica tra la resistenza e il circuito stampato, in modo che il calore della resistenza possa essere dissipato più facilmente nell'aria. Ma un'installazione verticale più lunga aumenterà l'induttanza della resistenza. L'installazione orizzontale ha induttanza inferiore a causa della minore installazione. Tuttavia, la resistenza surriscaldata andrà alla deriva. Nel peggiore dei casi, la resistenza diventerà un circuito aperto, causando l'errore di corrispondenza della terminazione della traccia PCB e diventando un potenziale fattore di guasto.

3 Metodi per sopprimere le interferenze elettromagnetiche

Una buona soluzione al problema dell'integrità del segnale migliorerà la compatibilità elettromagnetica (EMC) della scheda PCB. Uno dei punti molto importanti è garantire che la scheda PCB abbia una buona messa a terra. È molto efficace utilizzare uno strato di segnale con uno strato di terra per progetti complessi. Inoltre, ridurre al minimo la densità del segnale dello strato più esterno del circuito stampato è anche un buon modo per ridurre la radiazione elettromagnetica. Questo metodo può essere realizzato utilizzando la tecnologia "strato di superficie" di progettazione "Build-up" e produzione PCB. Lo strato superficiale è realizzato aggiungendo una combinazione di un sottile strato isolante e micro-fori utilizzati per penetrare questi strati su un PCB di processo comune. La resistenza e la capacità possono essere sepolte sotto lo strato superficiale e la densità di traccia per unità di area sarà quasi raddoppiata. Ridurre le dimensioni del PCB. La riduzione dell'area PCB ha un impatto enorme sulla struttura topologica della traccia, il che significa che il ciclo corrente è ridotto, la lunghezza della traccia del ramo è ridotta e la radiazione elettromagnetica è approssimativamente proporzionale all'area del ciclo corrente; Allo stesso tempo, la caratteristica di piccole dimensioni significa che possono essere utilizzati dispositivi confezionati con piede, che a sua volta riduce la lunghezza del filo, riducendo così il ciclo di corrente e migliorando le caratteristiche di compatibilità elettromagnetica.

4 Altre tecnologie disponibili

Al fine di ridurre il superamento istantaneo della tensione sull'alimentazione del chip del circuito integrato, un condensatore di disaccoppiamento dovrebbe essere aggiunto al chip del circuito integrato. Ciò può efficacemente rimuovere gli effetti delle sbavature sull'alimentazione elettrica e ridurre la radiazione del ciclo di alimentazione sulla scheda stampata.

Quando il condensatore di disaccoppiamento è collegato direttamente alla gamba del tubo di alimentazione del circuito integrato invece dello strato di potenza, l'effetto di levigare la bava è migliore. Questo è il motivo per cui alcune prese di dispositivo hanno condensatori di disaccoppiamento, e alcuni dispositivi richiedono che la distanza tra il condensatore di disaccoppiamento e il dispositivo sia abbastanza piccola.

Qualsiasi dispositivo ad alta velocità e ad alta potenza dovrebbe essere posizionato il più possibile insieme per ridurre il superamento transitorio della tensione di alimentazione.

Se non c'è uno strato di potenza, la lunga connessione di alimentazione formerà un loop tra il segnale e il loop, diventando una sorgente di radiazioni e un circuito sensibile.

La situazione in cui le tracce PCB formano un loop che non passa attraverso lo stesso cavo di rete o altre tracce è chiamata loop aperto. Se il loop passa attraverso altri fili dello stesso cavo di rete, esso costituisce un loop chiuso. In entrambi i casi si formano effetti di antenna (antenne filo e antenne loop). L'antenna genera radiazioni EMI esternamente ed è anche un circuito sensibile stesso. Il ciclo chiuso è un problema che deve essere considerato perché la radiazione che genera è approssimativamente proporzionale all'area del ciclo chiuso.