Технология PCB - Руководство по проектированию высокоскоростных PCB кватер: управление помехами в высокоскоростных цифровых системах

Содержание: В высокочастотных схемах последовательные помехи могут быть наиболее сложными для понимания и прогнозирования, но они могут контролироваться или даже устраняться.

С увеличением скорости переключения современные цифровые системы сталкиваются с рядом проблем, таких как отражение сигнала, замедленное затухание, последовательные помехи и неисправность электромагнитной совместимости. Когда время переключения интегральной схемы падает до 5 наносекунд или 4 наносекунд или более, начинают появляться собственные характеристики самой печатной платы. К сожалению, эти функции вредны и их следует избегать по возможности в процессе проектирования. В высокочастотных схемах последовательные помехи могут быть наиболее сложными для понимания и прогнозирования, но они могут контролироваться или даже устраняться.

1.Что вызывает помехи?

Когда сигнал распространяется вдоль проводки печатной платы, его электромагнитные волны также распространяются вдоль проводки с одного конца чипа интегральной схемы на другой конец линии. В процессе распространения электромагнитные волны генерируют переходное напряжение и ток из - за электромагнитной индукции.

Электромагнитные волны включают электрические и магнитные поля, изменяющиеся со временем. В печатных платах электромагнитное поле на самом деле не ограничивается различными проводами, значительная часть энергии электромагнитного поля существует вне проводки. Поэтому, если рядом есть другие линии, их электрическое поле и магнитное поле влияют на другие линии, когда сигнал распространяется вдоль линии. Согласно уравнению Максвелла, изменяющиеся во времени электрические поля и магнитные поля приводят к тому, что соседние проводники генерируют напряжение и ток. Таким образом, электромагнитное поле, сопровождающее процесс распространения сигнала, приводит к тому, что соседние линии генерируют сигнал, что приводит к последовательным помехам.

В печатных платах линии, вызывающие каскадные помехи, часто называют "захватчиками". Линии, которые подвергаются интерференционным помехам, обычно называют "жертвами". Сигналы последовательных помех любой « жертвы» можно разделить на сигналы последовательных помех спереди и сзади, которые частично вызваны конденсаторными и индуктивными связями. Математическое описание сигнала тандема очень сложно, но, как и высокоскоростные корабли на озере, некоторые количественные характеристики сигнала тандема спереди и сзади все еще понятны.

Высокоскоростные суда оказывают два воздействия на воду. Во - первых, быстроходный катер возбуждает волны на носу, и дуги, кажется, движутся вперед с быстроходным катером; Во - вторых, когда скоростной катер некоторое время ездит, он оставляет длинные следы воды.

Это очень похоже на реакцию "жертвы", когда сигнал проходит через "захватчика". В "жертве" есть два типа сигналов последовательных помех: передний сигнал до сигнала вторжения, как вода на носу и гофр; Сигнал назад за сигналом вторжения похож на следы воды в озере после того, как корабль ушел.

2. Конденсаторные свойства прямых помех

Передние помехи проявляются двумя взаимосвязанными характеристиками: емкостью и восприятием. Когда сигнал "вторжения" продвигается вперед, в "жертве" генерируется сигнал напряжения той же фазы. Этот сигнал имеет ту же скорость, что и сигнал "вторжения", но всегда до "вторжения". Это означает, что сигналы последовательного возмущения не распространяются заранее, а связаны с большим количеством энергии с той же скоростью, что и сигналы « вторжения».

Поскольку изменение « инвазивного» сигнала приводит к последовательному возмущению сигнала, импульс прямого последовательного возмущения не является однополярным, а имеет как положительную, так и отрицательную полярность. Продолжительность импульса равна времени переключения сигнала « вторжения».

емкость связи между проводами определяет амплитуду импульса прямого последовательного возмущения, емкость связи определяется многими факторами, такими как материал печатной платы, геометрические размеры, положение пересечения линий и т. Д. Амплитуда пропорциональна расстоянию между параллельными линиями: чем длиннее расстояние, тем больше импульс последовательного возмущения. Однако амплитуда импульсов тандемных помех имеет верхний предел, потому что сигнал "вторжения" постепенно теряет энергию, и "жертва", в свою очередь, связывается обратно к "захватчику". индуктивные свойства переднего последовательного возмущения

Когда сигнал « вторжения» распространяется, изменяющееся магнитное поле в это время также создает последовательные помехи: передние последовательные помехи с индуктивными свойствами. Однако существует явное различие между воспринимаемыми и конденсаторными помехами: полярность прямых помех противоположна полярности прямых помех конденсаторов. Это связано с тем, что в прямом направлении конденсаторные и воспринимающие части последовательных помех конкурируют друг с другом и компенсируют друг друга. На самом деле, когда прямые конденсаторные помехи равны воспринимаемым последовательным помехам, нет прямых последовательных помех.

Во многих устройствах передние последовательные помехи очень малы, а последующие последовательные помехи становятся основной проблемой, особенно для длиннополосных плат, поскольку конденсаторная связь усиливается. Однако без моделирования практически невозможно знать, в какой степени сенсорные и конденсаторные помехи компенсируются.

Если измеряется прямое последовательное возмущение, то в зависимости от его полярности можно определить, является ли линия следа конденсаторной или индуктивной связью. Если полярность последовательного возмущения такая же, как и сигнал « вторжения», то преобладают конденсаторные связи, в противном случае преобладают индуктивные связи. В печатных платах индуктивная связь обычно сильнее.

Физическая теория обратного последовательного возмущения такая же, как и теория переднего последовательного возмущения: электрическое поле с переменным временем и магнитное поле сигнала « вторжения» вызывают сенсорные и конденсаторные сигналы в « жертве». Однако между ними также существуют различия.

Самое большое различие заключается в продолжительности сигнала обратного последовательного возмущения. Поскольку прямые помехи и сигналы « вторжения» распространяются в том же направлении и с той же скоростью, продолжительность прямых помех такая же, как и продолжительность сигнала « вторжения». Однако обратный тандемный и "инвазивный" сигнал распространяется в противоположном направлении, он отстает от "инвазивного" сигнала и приводит к длинной последовательности импульсов.

В отличие от прямого последовательного возмущения, амплитуда импульса обратного последовательного возмущения не зависит от длины линии, а длительность импульса в два раза превышает время задержки сигнала « вторжения». - Почему? Предположим, вы наблюдаете обратные помехи от начала сигнала. Когда сигнал « вторжения» удаляется от отправной точки, он все еще генерирует обратный импульс, пока не появится другой отсроченный сигнал. Таким образом, общая продолжительность импульса обратного последовательного возмущения в два раза превышает время задержки сигнала « вторжения».

3. Отражение от обратного последовательного возмущения

Вас могут не волновать помехи между чипом привода и чипом приемника. Но зачем беспокоиться об обратном импульсе? Поскольку чип привода обычно является выходом с низким сопротивлением, он отражает больше сигналов последовательных помех, чем поглощает сигналы последовательных помех. Когда сигнал обратного последовательного возмущения достигает приводного чипа « жертвы», он отражается на принимающем чипе. Поскольку выходное сопротивление приводного чипа обычно ниже, чем у самого провода, оно часто вызывает отражение сигнала последовательных помех.

В отличие от сигнала переднего последовательного возмущения, который имеет как индуктивность, так и емкость, сигнал обратного последовательного возмущения имеет только одну полярность, поэтому обратное последовательное возмущение не может быть устранено само по себе. Полярность сигнала обратного последовательного возмущения и отраженного сигнала последовательного возмущения такая же, как и у сигнала « вторжения», и его амплитуда равна сумме этих двух частей.

Помните, что, когда вы измеряете импульс обратного последовательного возмущения на приемном конце « жертвы», сигнал последовательного возмущения уже отражается чипом, управляемым « жертвой». Вы можете наблюдать полярность сигнала обратного последовательного возмущения в противоположность сигналу « вторжения».

В цифровом дизайне вас часто беспокоят некоторые количественные показатели. Например, в любом случае и когда возникают последовательные помехи, как в положительном, так и в обратном направлении, максимальный допустимый уровень шума составляет 150 мВ. Существует ли простой способ точного измерения шума? Простой ответ - « нет», потому что эффект электромагнитного поля слишком сложен и включает в себя ряд уравнений, топологическую структуру платы, аналоговые характеристики чипа и так далее.

4. Длина линии

Многие дизайнеры считают, что сокращение длины линии является ключом к уменьшению помех. Фактически, почти все программное обеспечение для проектирования схем обеспечивает максимальную функцию управления длиной параллельных линий. К сожалению, трудно уменьшить количество последовательных помех, просто изменив геометрию.

Поскольку прямые последовательные помехи зависят от длины связи, они практически не уменьшаются при сокращении длины линии без связи. Кроме того, если длина связи превышает задержку падения или подъема чипа привода, линейная зависимость между длиной связи и передними последовательными помехами достигнет значения насыщения. На этом этапе сокращение и без того длинных линий связи мало влияет на уменьшение последовательных помех.

Разумный способ - увеличить расстояние между линиями связи. Почти во всех случаях разделение линий связи может значительно уменьшить помехи от последовательных помех. Практика показывает, что амплитуда обратного последовательного возмущения примерно обратно пропорциональна квадрату расстояния между линиями связи, то есть, если расстояние удвоить, последовательное возмущение уменьшится на три четверти. Этот эффект еще более очевиден, когда преобладает обратное последовательное возмущение.

5. Устранение перекрестных помех

С практической точки зрения наиболее важным вопросом является вопрос о том, как устранить помехи. Что делать, если помехи влияют на характеристики схемы?

Вы можете использовать две стратегии. Одним из способов является изменение одного или нескольких геометрических параметров, влияющих на связь, таких как длина линии, расстояние между линиями и стратифицированное положение платы. Другой способ - использовать клеммы для преобразования одной линии в многоканальную связь. Благодаря разумной конструкции многопроводные терминалы могут устранить большинство последовательных помех.

6. Трудности изоляции

Увеличить расстояние между линиями связи непросто. Если проводка очень плотная, требуется много усилий, чтобы уменьшить плотность проводки. Если вы беспокоитесь о помехах, вы можете добавить один или два слоя изоляции. Если вам нужно увеличить расстояние между линиями или сетями, вам лучше иметь простое программное обеспечение. Ширина и толщина схемы также могут влиять на помехи последовательного помех, но их влияние намного меньше, чем фактор расстояния схемы. Поэтому эти два параметра, как правило, редко корректируются.

Поскольку изоляционный материал платы имеет диэлектрическую константу, он также создает емкость связи между линиями, поэтому снижение диэлектрической константы также может уменьшить помехи последовательного помех. Этот эффект не очевиден, особенно если диэлектрическая часть микросхемы уже является воздухом. Более того, изменить диэлектрическую константу непросто, особенно в дорогих устройствах. Решение заключается в использовании более дорогих материалов вместо FR - 4.

Толщина диэлектрического материала влияет на помехи от последовательных помех на большой длине. Как правило, приближение кабельного слоя к энергетическому слою (Vcc или земля) может уменьшить помехи от последовательных помех. Точное значение улучшенного эффекта должно быть определено путем моделирования.

7. Факторы расслоения

Некоторые дизайнеры печатных плат по - прежнему не обращают внимания на метод стратификации, что является серьезной ошибкой в проектировании высокоскоростных схем. Слоистость не только влияет на сопротивление линии передачи, задержку и связь и другие характеристики, но и работа схемы подвержена сбоям или даже изменениям. Например, невозможно уменьшить помехи от последовательных помех, уменьшив диэлектрическую толщину 5 миль, хотя это можно сделать с точки зрения затрат и процессов.

Другим фактором, который легко упускается из виду, является выбор слоя. Во многих случаях прямые помехи являются основными помехами в микросхемах. Однако, если конструкция является разумной, проводной слой расположен между двумя силовыми слоями, что делает конденсаторную и индуктивную связь хорошо сбалансированными, а обратные последовательные помехи с более низкой амплитудой являются основными факторами. Поэтому в процессе моделирования важно обратить внимание на то, какие помехи последовательного помех преобладают.

Связь местоположения между проводкой и чипом также влияет на последовательные помехи. Поскольку обратные помехи достигают приемного чипа и отражаются на приводном чипе, местоположение и производительность приводного чипа очень важны. Из - за сложности топологической структуры, рефлексов и других факторов трудно объяснить, кто в основном подвержен воздействию последовательных помех. Если есть несколько топологических структур на выбор, лучше использовать моделирование, чтобы определить, какая структура оказывает минимальное влияние на последовательные помехи.

Негеометрическим фактором, который может уменьшить помехи, является технический индикатор самого чипа привода. Общий принцип заключается в том, чтобы выбрать чип привода с длительным переключением, чтобы уменьшить помехи от последовательных помех (как и для решения многих других проблем, вызванных высокой скоростью). Даже если время переключения не является строго пропорциональным, сокращение времени переключения все равно окажет значительное влияние. Во многих случаях вы не можете выбрать технологию приводных чипов, и вы можете только изменить геометрические параметры для достижения своих целей. Уменьшить помехи через терминал

Хорошо известно, что для согласования сопротивления соединяется отдельный несвязанный зажим линии передачи, который не производит отражения. Теперь рассмотрим ряд связанных линий передачи, таких как три линии передачи с последовательными помехами друг друга или пара связанных линий передачи. Если вы используете программное обеспечение для анализа цепей, вы можете экспортировать пару матриц, показывающих емкость и индуктивность как самой линии передачи, так и между собой. Например, три линии передачи могут иметь следующие матрицы C и L:

В этих матрицах элемент диагонали является значением самой линии передачи, а элемент диагонали - значением между линиями передачи. (Обратите внимание, что они представлены в виде pF и nH на единицу длины). Для определения этих значений можно использовать сложные электромагнитные детекторы.

Можно видеть, что каждая группа линий передачи также имеет матрицу характеристического сопротивления, в которой элемент диагонали представляет значение сопротивления линии передачи на землю, а элемент без диагонали - значение связи линии передачи.

Для группы линий передачи, аналогичных одной линии передачи, матрица почти такая же, если зажим является матрицей сопротивления, соответствующей Z0. Требуемое сопротивление не обязательно должно быть значением Z0, если образовавшаяся сеть сопротивления соответствует Z0. Матрица сопротивления включает в себя не только сопротивление линии передачи на землю, но и сопротивление между линиями передачи.

Такая матрица сопротивления имеет хорошие характеристики. Во - первых, он предотвращает отражение последовательных помех в несвязанных линиях. Что еще более важно, это устраняет уже сформированные помехи.

8. Смертельное оружие

К сожалению, такие зажимы дороги и не могут быть реализованы идеально, потому что некоторые линии передачи имеют слишком мало сопротивления связи, что приведет к тому, что большой ток будет поступать в чип привода. Сопротивление между линией передачи и землей не может быть слишком большим, чтобы управлять чипом. Если эти проблемы существуют, и вы планируете использовать этот тип зажима, попробуйте добавить несколько конденсаторов связи переменного тока.

Несмотря на некоторые трудности с реализацией, терминалы с импедансными решетками остаются смертоносным оружием для борьбы с отражением сигналов и последовательными помехами, особенно в суровых условиях. В других средах он может работать или не работать, но это все еще рекомендуемый метод.