Thông tin PCB - Vấn đề giao tiếp trong thiết kế bảng PCB tốc độ cao

Bài viết này sẽ phân tích nguyên nhân của tín hiệu crosstalk trong thiết kế bảng PCB tốc độ cao, cũng như các phương pháp để đàn áp và cải thiện. Trong lĩnh vực thiết kế điện tử phát triển nhanh chóng ngày nay, tốc độ cao và thu nhỏ hóa đã trở thành xu hướng thiết kế không thể tránh khỏi. Đồng thời, các yếu tố như tăng tần số tín hiệu, giảm kích thước của bảng mạch, tăng mật độ dây và giảm độ dày giữa lớp gây ra bởi sự gia tăng số lớp bảng sẽ gây ra các vấn đề toàn vẹn tín hiệu khác nhau. Do đó, cần xem xét vấn đề toàn vẹn tín hiệu khi thiết kế bảng tốc độ cao, làm chủ lý thuyết toàn vẹn tín hiệu, sau đó hướng dẫn và xác minh thiết kế bảng PCB tốc độ cao. Trong số tất cả các vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu, crosstalk là rất phổ biến. Crosstalk có thể xảy ra bên trong chip, cũng như trên bảng mạch, đầu nối, gói chip và cáp.

1. Thế hệ PCB board crosstalk

Crosstalk đề cập đến ảnh hưởng đến các đường truyền tiếp giáp do khớp nối điện từ khi một tín hiệu được truyền trên một kênh truyền. Crosstalk quá mức có thể gây ra kích hoạt sai của mạch, dẫn đến hệ thống không hoạt động đúng cách. Một tín hiệu thay đổi (chẳng hạn như tín hiệu bước) lan truyền từ A đến B dọc theo đường truyền, và một tín hiệu nối xảy ra trên đường truyền C đến D. Khi tín hiệu thay đổi trở lại mức DC ổn định, tín hiệu nối cũng không còn tồn tại. Do đó, crosstalk chỉ xảy ra trong quá trình nhảy tín hiệu, và tín hiệu thay đổi nhanh hơn, crosstalk tạo ra càng lớn. Crosstalk có thể được chia thành crosstalk nối điện dung (do sự thay đổi điện áp của nguồn nhiễu, điện áp gây ra được gây ra trên đối tượng bị nhiễu, dẫn đến nhiễu điện từ) và crosstalk nối gây ra (do sự thay đổi điện áp của nguồn nhiễu, điện áp gây ra được gây ra trên đối tượng bị nhiễu, do đó gây nhiễu điện từ. gây nhiễu điện từ). Trong số đó, tín hiệu crosstalk được tạo ra bởi tụ nối có thể được chia thành crosstalk phía trước và crosstalk ngược Sc trên mạng nạn nhân, và hai tín hiệu này có cùng một cực; tín hiệu crosstalk được tạo ra bởi bộ cảm ứng kết nối cũng được chia thành crosstalk phía trước và crosstalk ngược Sc, Hai tín hiệu có cực ngược lại. Cả công suất lẫn nhau và cảm ứng lẫn nhau đều liên quan đến crosstalk, nhưng cần được xem xét riêng biệt. Khi con đường trở lại là một phẳng rộng, đồng nhất, như hầu hết các dây chuyền truyền nối trên bảng mạch, lượng dòng nối điện dung và cảm ứng là tương tự. Tại thời điểm này, cần phải dự đoán lượng crosstalk giữa hai. Nếu môi trường của tín hiệu song song được cố định, tức là, trong trường hợp của một dòng dải, sau đó crosstalk phía trước gây ra bởi điện cảm và công suất được ghép nối gần như bằng nhau và hủy lẫn nhau, vì vậy chỉ cần xem xét crosstalk ngược. Nếu môi trường của tín hiệu song song không cố định, tức là, trong trường hợp của một dòng vi dải, crosstalk phía trước gây ra bởi điện cảm nối lớn hơn crosstalk phía trước gây ra bởi công suất nối với sự gia tăng chiều dài song song, do đó crosstalk của tín hiệu song song bên trong cao hơn lớp bề mặt. Crosstalk của các tín hiệu song song là nhỏ.

2. Phân tích và đàn áp PCB crosstalk

Toàn bộ quá trình thiết kế bảng PCB tốc độ cao bao gồm các bước như thiết kế mạch, lựa chọn chip, thiết kế sơ đồ, bố trí bảng PCB và dây. Trong quá trình thiết kế, cần phải tìm crosstalk trong các bước khác nhau và thực hiện các biện pháp để ức chế nó để đạt được mục đích giảm sự can thiệp. .

3. Tính toán của PCB crosstalk

Tính toán crosstalk rất khó. Có ba yếu tố chính ảnh hưởng đến biên độ của tín hiệu crosstalk: mức độ nối giữa dấu vết, khoảng cách của dấu vết và kết thúc dấu vết. Phân phối hiện tại dọc theo dấu vết dải vi mô trên đường đi về phía trước và trở lại được hiển thị trong Hình 2. Phân phối dòng điện giữa dấu vết và phẳng (hoặc giữa dấu vết và dấu vết) là đồng trở kháng, dẫn đến ghép nối lẫn nhau do sự lan truyền dòng điện, với mật độ dòng điện đỉnh trực tiếp dưới trung tâm của dấu vết và từ dấu vết Cả hai bên của sự phân hủy nhanh chóng hướng tới mặt đất. Khi các dấu vết cách xa phẳng, khu vực vòng giữa đường đi về phía trước và trở lại tăng lên, làm tăng khả năng cảm ứng mạch tỷ lệ với khu vực vòng. Phương trình sau mô tả sự phân phối hiện tại gây ra toàn bộ vòng lặp được hình thành bởi các đường dẫn hiện tại về phía trước và trở lại. Dòng điện mà nó mô tả cũng là tổng năng lượng được lưu trữ trong từ trường xung quanh dấu vết tín hiệu.

4. Phân tích PCB crosstalk

Sử dụng các công cụ EDA để mô phỏng sự giao tiếp của bảng PCB có thể nhanh chóng tìm, xác định vị trí và giải quyết vấn đề giao tiếp trong việc thực hiện bảng PCB. Mô phỏng trong thiết kế tốc độ cao bao gồm mô phỏng sơ đồ trước khi định tuyến và mô phỏng bảng PCB sau khi định tuyến. Nó có thể sử dụng các hạn chế thu được bằng cách mô phỏng như các hạn chế định tuyến thực tế để dự đoán và loại bỏ các vấn đề crosstalk sớm hơn, do đó hạn chế bố trí và thay đổi hiệu quả. BoardSim là cho mô phỏng sau vị trí và định tuyến, nó có thể dự đoán các hiệu ứng nối không biết giữa dây bảng PCB, hiển thị kết quả mô phỏng trong kính dao động và hiển thị chi tiết chi tiết của tất cả các dạng sóng crosstalk. Mục đích của nó là dự đoán và khám phá vấn đề crosstalk của sản phẩm hoàn thành thực tế, do đó tiết kiệm thời gian của nhà thiết kế và tránh thiết kế và sản xuất lặp đi lặp lại của nguyên mẫu chính. Đối với mô phỏng trước bố trí, LineSim cần thiết lập một mô hình nối cơ bản trước, và thiết lập các hạn chế khác nhau cho các môi trường mạch khác nhau, bao gồm khoảng cách dây, chiều dài song song, tốc độ chuyển đổi của IC trình điều khiển, độ dày trung bình, cấu trúc ngăn xếp, v.v. . Những hạn chế này cho phép các nhà thiết kế hiểu nơi các vấn đề có thể phát sinh sớm trong thiết kế, để lên kế hoạch hiệu quả, giảm sự giao tiếp có thể xảy ra trước khi đặt và định tuyến, và tìm các hạn chế như là hạn chế cho bước tiếp theo của đặt và định tuyến. Về lựa chọn chip trình điều khiển, mô hình IBIS (Đặc điểm kỹ thuật thông tin bộ đệm đầu vào / đầu ra) có thể được giới thiệu, thường được cung cấp bởi các nhà sản xuất chip. Khi sử dụng BoardSim để thực hiện phân tích crosstalk trên dây, có ba cách: mô phỏng crosstalk tương tác, xử lý lô nhanh và xử lý lô chi tiết. Trong số đó, mô phỏng giao tiếp tương tác có thể quan sát trực quan tình huống can thiệp thông qua dao động kỹ thuật số. Các khái niệm về ngưỡng hình học và ngưỡng điện được trình bày ở đây. ngưỡng hình học sẽ xác định một khu vực nhất định, và bất kỳ mạng nào đi vào khu vực này và có chiều dài nhất định được coi là một mạng tấn công; ngưỡng điện sẽ xác định một số lượng nhiễu, và bất kỳ mạng nào gây nhiễu đến mạng vượt quá số lượng này được coi là một cuộc tấn công. mạng. Việc sử dụng ngưỡng hình học đòi hỏi nhà thiết kế phải có sự hiểu biết nhất định về crosstalk và biết bao nhiêu crosstalk sẽ được tạo ra ở khoảng cách nào và ở lớp nào. Do đó, thường được khuyên nên sử dụng ngưỡng điện, chính xác hơn và nhanh hơn để phân tích. Mô hình cơ bản có hai mạng: trình điều khiển A0 (dây chuyền lái xe là dây chuyền tín hiệu đồng hồ và tần số hoạt động của nó là 5,12MSPS), được kết nối với điện trở 1MW C0 thông qua dây chuyền truyền; trình điều khiển A1 trong chế độ nhận được kết nối với điện trở 720KW C1 thông qua đường truyền. cao hơn. Kháng trở đặc trưng của mỗi dây chuyền truyền nối là 68,8W và chiều dài nối là 9in. HyperLynx tính toán độ trễ mỗi dòng là khoảng 1.581ns. Mô hình được chia thành 8 lớp, và hai dòng tín hiệu được thiết lập như các dòng lớp bên trong (và dòng microstrip) và nằm trên cùng một lớp. Trong các hạn chế bố trí và định tuyến PCB, chiều rộng dòng là 5mil, khoảng cách dòng là 5mil và khả năng cho phép tương đối được đặt thành 4,3. Trong hình, các đầu dò dao động được bổ sung tại A0, B1 và C1 tương ứng. Oscilloscope có thể được sử dụng để xem hình sóng. Kháng điện 10MW của B1 cũng được thiết lập để thêm đầu dò.

5. Tức chế Crosstalk

Cho dù đó là tính toán crosstalk trước khi thiết kế, mô phỏng trước khi bố trí và định tuyến, hoặc mô phỏng sau khi bố trí và định tuyến, tất cả là để làm cho bảng PCB có thể nhanh chóng đạt được sự can thiệp. Do đó, cần sử dụng kinh nghiệm trước đó trong quá trình thiết kế để giải quyết vấn đề hiện tại. Sau đây là một tóm tắt kinh nghiệm để tránh hiệu quả crosstalk trong bố trí và định tuyến:

1) Crosstalk được tạo ra bởi khớp nối điện dung và khớp nối cảm ứng tăng với sự gia tăng trở kháng tải của dòng bị can thiệp, vì vậy giảm tải có thể làm giảm ảnh hưởng của can thiệp khớp nối;

2) Cố gắng tăng khoảng cách giữa các dây nối điện dung có thể xảy ra, và nó hiệu quả hơn để cô lập các dây với một dây mặt đất;

3) Chèn một dây mặt đất giữa các dây tín hiệu liền kề cũng có thể giảm hiệu quả crosstalk điện dung. Dây mặt đất này cần được kết nối với lớp mặt đất mỗi 1/4 bước sóng.

4) Rất khó để ức chế khớp nối cảm ứng. Cần giảm số lượng vòng càng nhiều càng tốt, giảm diện tích vòng, và không để các vòng tín hiệu chia sẻ cùng một dây.

5) Tránh các vòng chia sẻ tín hiệu.

Trong quá trình thiết kế bảng PCB tốc độ cao, không chỉ cần có sự hiểu biết chi tiết về các khái niệm lý thuyết mà còn cần tích lũy kinh nghiệm liên tục và cải thiện liên tục lý thuyết. Đồng thời, việc sử dụng thành thạo phần mềm phụ trợ có liên quan cũng có thể rút ngắn chu kỳ thiết kế, do đó cải thiện khả năng cạnh tranh và đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thành thành công của thiết kế. Thiết kế cấp bảng PCB tốc độ cao và cấp hệ thống là một quá trình phức tạp và các vấn đề toàn vẹn tín hiệu bao gồm tín hiệu crosstalk không thể bị bỏ qua. Sử dụng các phương pháp khác nhau ở các giai đoạn khác nhau của chu kỳ thiết kế để đảm bảo thiết kế được hoàn thành nhanh chóng và hiệu quả, tiết kiệm thời gian và tránh trùng lặp trên bảng PCB.