Método de supresión del reflejo de la señal en el diseño de PCB de alta velocidad

Con el próximo desarrollo de la ciencia y la tecnología electrónica, el sistema electrónico compuesto por el chip IC se está desarrollando rápidamente hacia una gran escala, miniatura y alta velocidad. Simultáneamente, también surge el problema de que la reducción del volumen del sistema electrónico conduce a la ampliación de la densidad de enrutamiento del circuito, mientras que la frecuencia de la señal aumenta constantemente y el tiempo de rotación de la señal se acorta. Cuando el retraso de la interconexión de las señales es mayor que el tiempo de rotación de la señal en un 10%, los cables de señal a bordo mostrarán el efecto de las líneas de transmisión, lo que hará que una serie de problemas, como la reflexión de la señal y la diafonía, sobresalgan cada vez más. El advenimiento del problema de alta velocidad trae un mayor desafío para el diseño de hardware y si algunos diseños que se consideran correctos desde la perspectiva de la lógica no se procesan adecuadamente, todo el diseño sufrirá fallas. Por lo tanto, cómo resolver los problemas de los circuitos de alta velocidad se ha convertido en uno de los elementos esenciales que determinan el éxito del sistema.

Principios de la reflexión y su influencia

• Principios de reflexión

La razón directa de la reflexión radica en la incompatibilidad de impedancia de las líneas de transmisión que conduce a la absorción incompleta de la energía de la señal en el terminal. El problema de la reflexión refleja la calidad de la señal de una red única, relacionada con las propiedades físicas de la ruta de la señal de la red única y la ruta de retorno. Por lo general, las propiedades físicas del enrutamiento de PCB tienen una gran influencia en las líneas de transmisión, principalmente el material de enrutamiento, el ancho del enrutamiento, el grosor del enrutamiento, la distancia entre otros planos y planos de enrutamiento y la constante dieléctrica del material adyacente. Cuando las señales se transmiten a lo largo de una sola red, se generará un cambio de impedancia transitoria de las líneas de interconexión. Si la impedancia de interconexión que sienten las señales se mantiene sin cambios, se mantendrá la no distorsión. Si la impedancia de interconexión que sienten las señales sigue cambiando, se generará distorsión con la reflexión producida en el punto de cambio. La señal de reflexión se transmitirá de regreso al extremo de emisión de las señales y se reflejará nuevamente hasta que se reduzca con la reducción de energía. Finalmente, el voltaje y la corriente de las señales se estabilizarán.

• Cálculo de la reflexión

Cuando las señales se transmiten hacia adelante a lo largo de las líneas de transmisión, la impedancia transitoria se sentirá en cualquier momento. Si la impedancia que sienten las señales es constante, se transmitirá hacia adelante normalmente. Siempre que cambie la impedancia sentida, la reflexión siempre se producirá sin importar las causas. El índice significativo que mide la cantidad de reflexión es el coeficiente de reflexión que indica la relación entre el voltaje de reflexión y el voltaje de la señal original. El coeficiente de reflexión se puede definir según la fórmula .

En esta fórmula, Z₁ se refiere a la impedancia después del cambio mientras que Z₀ la impedancia antes del cambio. Suponga que la impedancia característica del enrutamiento de PCB es de 50 Ω. En el proceso de transmisión, se encuentra una resistencia de 150Ω y luego el coeficiente de reflexión es (150-50)/(150+50)=1/2 (En esta circunstancia, la influencia de la capacitancia e inductancia parásitas no se considera con resistencia como una resistencia pura ideal). Este resultado indica que la mitad de la energía de la señal original se transmite de vuelta al terminal fuente. Si el voltaje de las señales de transmisión es de 5 V, el voltaje de reflexión es de 2,5 V.

• Influencia de la reflexión

1). Distorsión de la señal causada por la reflexión

Si un conductor no termina correctamente, el pulso de la señal del extremo impulsor se reflejará en la terminal receptora. Cuando las señales reflejadas son bastante fuertes, la forma de onda apilada posiblemente cambiará la condición lógica que conduce a un efecto inesperado, provocando una distorsión del contorno de la señal. Cuando la distorsión se vuelve tan obvia, es posible que se produzcan numerosos errores con fallas en el diseño. Mientras tanto, las señales con distorsión tienen más sensibilidad al ruido, lo que también provocará fallas en el diseño.

2). Sobreimpulso y subimpulso causados ​​por la reflexión

El sobreimpulso se refiere al hecho de que el primer valor pico o valor valle excede el voltaje. Para el flanco ascendente, se refiere al hecho de que el primer valor pico excede el voltaje más alto, mientras que para el flanco descendente, se refiere al hecho de que el primer valor del valle excede el voltaje más bajo. El sobreimpulso exagerado posiblemente destruirá los diodos de protección, lo que provocará una falla temprana. El subimpulso se refiere al hecho de que el próximo valor de valle o valor máximo posiblemente generará señales de reloj falsas, lo que provocará errores de lectura y escritura en el funcionamiento del sistema.

3). Oscilación

La oscilación es también un síntoma causado por la reflexión. Con la misma propiedad que el sobreimpulso, repetir el sobreimpulso y el subimpulso se denomina oscilación dentro de un círculo de reloj. Es el resultado del hecho de que la energía redundante generada por la reflexión no se absorbe a tiempo en los circuitos.

Método de supresión de reflejos

Los elementos principales que provocan la reflexión incluyen la forma geométrica del enrutamiento (ancho, largo, ángulos de giro), la conversión del mismo plano de enrutamiento de la red, la transmisión a través del conector, la discontinuidad entre la alimentación y la tierra, la estructura topológica incorrecta y la incompatibilidad del extremo de la red. Los principales métodos de supresión se presentarán en la siguiente parte.

• Escalamiento de frecuencia del sistema

La velocidad de transformación del borde de la señal se reduce en situaciones posibles para que la reflexión de las líneas de transmisión alcance el estado estable antes de la conexión entre una señal y la línea de transmisión. Por un lado, hay que cumplir las normas de diseño; por otro lado, los componentes con baja velocidad deben recogerse para evitar la mezcla entre diferentes tipos de señales.

• Optimización del procesamiento de señales

Debido a las estrictas demandas en términos de secuencia de tiempo, los componentes y nodos que pueden causar problemas de alta velocidad deben determinarse de antemano. Se deben ajustar todo tipo de requisitos relacionados con el diseño y el enrutamiento de los componentes y finalmente se controlará el índice de diseño de la integridad de la señal. Los principales métodos de procesamiento incluyen:
1). Se aplican placas de PCB relativamente delgadas para disminuir los parámetros parásitos de los orificios pasantes.
2). El número de capas debe organizarse adecuadamente. Las capas intermedias deben utilizarse por completo para configurar el blindaje para implementar mejor la conexión a tierra adyacente, lo que reducirá de manera efectiva la inductancia parásita, acortará la longitud de transmisión de las señales y aumentará en gran medida la diafonía entre las señales.
3). La forma geométrica de las líneas de señal en la placa de circuito impreso debe controlarse reduciendo los giros y minimizando los puntos de discontinuidad de impedancia del enrutamiento. Especialmente para el enrutamiento en circuitos de alta frecuencia, se deben aplicar líneas completamente rectas. Cuando se requieran giros, se pueden aplicar líneas quebradas o arco de 45°, lo que disminuirá la radiación externa de señales de alta frecuencia y el acoplamiento entre señales de alta frecuencia.
4). El enrutamiento de las líneas de señales importantes debe organizarse en el mismo plano para reducir los orificios pasantes innecesarios.
5). Se debe garantizar la integridad del plano para proporcionar una ruta de reflujo con baja impedancia para las líneas de señal. Esto tiene como objetivo reducir el acoplamiento de impedancia de modo común y el ruido del interruptor de modo común para disminuir o eliminar los problemas de integridad de la señal relacionados con el sistema de suministro de energía.
6). Aplicación de la estructura topológica de enrutamiento correcta.

La estructura topológica del enrutamiento se refiere a la secuencia de enrutamiento y la estructura de una línea de señal. En los circuitos prácticos, siempre hay una situación en la que una sola fuente impulsora impulsa múltiples cargas y la fuente impulsora y las cargas se ajustan a la topología de la estructura. Las diferentes estructuras topológicas tienen obviamente una influencia diferente en las señales. Por lo general, se aplican dos tipos de estructuras topológicas básicas en el enrutamiento de PCB, es decir, topología en cadena y de forma inicial, que se muestra en la Figura 1 a continuación.

una. Cadena de margaritas

El enrutamiento comienza desde la terminal de conducción y llega a cada terminal receptora de manera secuencial. Si se aplica una resistencia en serie para cambiar las propiedades de la señal, la posición de la resistencia en serie debe estar muy cerca del terminal de activación. En términos de mayor control de interferencia armónica, la conexión en cadena presenta el mejor efecto de enrutamiento. Sin embargo, este tipo de enrutamiento presenta la capacidad de enrutamiento más baja, menos del 100 %. En diseños prácticos, la longitud de las ramas en cadena debe ser lo más corta posible. El espacio de enrutamiento de esta estructura topológica es pequeño y se puede aplicar una sola resistencia para compatibilidad con la terminación. Además, este tipo de estructura de enrutamiento hace que la recepción de señales no esté sincronizada en diferentes terminales de recepción de señales.

b. Topología en forma de estrella

Este tipo de enrutamiento es capaz de evitar efectivamente la falta de sincronización de las señales de reloj, pero presenta la desventaja de que cada rama requiere una resistencia terminal. El valor de resistencia de la resistencia terminal debe ser compatible con la impedancia característica en línea. Para sistemas cuyas diferentes señales tienen requisitos simultáneos en el terminal receptor, la topología en forma de estrella es la más adecuada.

• Métodos de terminación

La impedancia característica en la ruta de transmisión de la señal debe mantenerse constante, es decir, el coeficiente de reflexión es 0, lo que significa que no hay reflexión en la ruta de transmisión. Esta situación se denomina compatibilidad de impedancia. En este momento, las señales transmiten la idea de tierra a la terminal. Comúnmente, la longitud de la línea de transmisión debe ser compatible con la condición .

En esta inecuación, L se refiere a la longitud de la línea de transmisión; t_r se refiere al tiempo de subida de las señales del terminal fuente; t_pd1 se refiere al retraso de transmisión de carga en cada unidad de longitud en las líneas de transmisión. Cuando la transferencia de nivel integrada tiene lugar antes de que la reflexión llegue al terminal lejano, se requiere aplicar la tecnología de coincidencia de terminales. Los principios de conexión de terminales de las líneas de transmisión incluyen:si el coeficiente de reflexión de la carga o el coeficiente de reflexión de la fuente es cero, se eliminará la reflexión. Por lo general, se aplican dos estrategias:la impedancia de la fuente se hace compatible con la impedancia de la línea de transmisión, es decir, la terminación de la fuente, mientras que la impedancia de la carga se hace compatible con la impedancia de la línea de transmisión, es decir, la terminación final.

1). Terminación de origen

La terminación de la fuente es principalmente un método de terminación en serie que se implementa conectando una resistencia en serie en las líneas de transmisión en posiciones adyacentes al extremo cercano a la fuente. La suma del valor de resistencia de la resistencia en serie y el terminal de conducción debe ser igual al valor de resistencia de las líneas de transmisión. El principio de la terminación en serie es la eliminación del voltaje reflejado de la terminal de carga para detener la segunda reflexión de las líneas de transmisión, que se muestra en la Figura 2.

2). Terminar terminación

El principio fundamental de la terminación final radica en la adición de una resistencia pull-up o pull-down a las posiciones adyacentes al terminal de carga para implementar la coincidencia de impedancia. La terminación final se puede dividir comúnmente en terminación paralela de resistencia única, terminación RC, terminación Thevenin y terminación de diodo Schottky, como se muestra en la Figura 3.

El valor de la resistencia en la terminación en paralelo de una sola resistencia es igual a la impedancia de las líneas de transmisión. Los valores de dos resistencias en terminación Thevenin deben seguir la fórmula:Z₀ =R₁ R₂ /(R₁ +R₂ ). El valor de la capacitancia en la terminación RC sigue la fórmula:C=3T/Z₀ donde T se refiere al tiempo de subida de las señales mientras que Z₀ se refiere a la impedancia de las líneas de transmisión.

Desde la perspectiva del diseño del sistema, la terminación en paralelo debe elegirse primero porque es la más capaz de reducir el ruido, la EMI y la RFI en comparación con los otros tres métodos de terminación. Según las circunstancias prácticas, se selecciona el método de terminación adecuado y, cuando sea necesario, se debe implementar un diseño de simulación.

Conclusión

En el diseño de PCB de alta velocidad, los requisitos previos exitosos incluyen un diseño y enrutamiento razonables, evitar giros innecesarios y vías de paso, continuidad de impedancia, planos de referencia de señal integrados y una excelente conexión a tierra. Para optimizar el diseño y la integridad de la señal y obtener una mayor compatibilidad electromagnética, se debe implementar la verificación de la simulación del diseño. Ayuda a los diseñadores a lidiar con los defectos de diseño a tiempo y compensar las deficiencias en el diseño de PCB.

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