Desafíos del diseño de PCB de alta velocidad en la integridad de la señal y sus soluciones

Con el progreso constante de las tecnologías electrónicas, el aumento de la alta frecuencia del reloj en el sistema digital, el tiempo de flanco ascendente cada vez más corto, el sistema de PCB se ha convertido en una estructura de sistema con alto rendimiento, mucho más que una plataforma que admite componentes. Desde la perspectiva del rendimiento eléctrico, la interconexión entre las señales de alta velocidad ya no es rápida ni transparente y la influencia de la interconexión entre los conductores en las propiedades del plano de placa y la placa de circuito impreso de alta velocidad ya no se puede descuidar. Resuelva con éxito los problemas de integridad de la señal, incluidos la reflexión, la diafonía, el retraso, la llamada y la coincidencia de impedancia causados ​​por la interconexión de señales de alta velocidad, y asegúrese de que la calidad de la transmisión de la señal determine el éxito del diseño.

Teoría básica de la integridad de la señal de PCB

• Circuito de alta velocidad y su principio de determinación

El término definitorio de circuito de alta velocidad viene principalmente en dos versiones. Por un lado, en un circuito, cuando el retraso de las señales digitales en las líneas de transmisión es superior al 20% del tiempo de flanco ascendente, este circuito puede considerarse como un circuito de alta velocidad. Por otro lado, en un circuito, cuando la frecuencia del circuito analógico digital alcanza o supera los 45 MHz a 50 MHz, el circuito se considera un circuito de alta velocidad.

Básicamente, si L (longitud de los cables) es mayor que T_r , el circuito se considera circuito de alta velocidad; si L es menor que T_r , el circuito se considera circuito de baja velocidad. Aquí, T_r se refiere al tiempo de flanco ascendente del pulso.

• Velocidad de transmisión de la señal y tiempo de flanco ascendente del pulso

La velocidad de transmisión de la señal en el aire es de 3 x 10 ⁸ milisegundo; la constante dieléctrica de FR4 que es el material de PCB se muestra como ε_r es decir, 4. La tasa de velocidad de transmisión de señal en PCB se puede calcular usando la fórmula .

V_p es igual a 15 cm/ns que es aproximadamente 6 pulgadas/ns. Tiempo de flanco ascendente del pulso T_r =1/(10 x f_clk ) y el tiempo de flanco ascendente de la señal de 100 MHz es de 1 ns. Cuando el retraso de las señales en el enrutamiento de PCB es más del 20% del tiempo de borde ascendente, se producirán llamadas obvias en las señales. Para onda cuadrada cuyo tiempo de subida es de 1 ns (100 MHz), cuando la longitud de enrutamiento de la PCB es superior a 0,2 ns x 6 =1,2 pulgadas, se producirán llamadas serias en las señales. Por lo tanto, la longitud crítica es de 1,2 pulgadas (aproximadamente 3 cm).

• Impedancia característica

La impedancia característica es un parámetro importante en la adaptación de la impedancia que influye en la reflexión, la llamada, el impulso superior y el impulso inferior y se relaciona directamente con la integridad de la transmisión de señales de alta velocidad, que es muy importante en el diseño de alta velocidad.

Las señales se transmiten a lo largo de las líneas de transmisión, cuya relación entre voltaje y corriente se considera como impedancia transitoria. La impedancia transitoria en las líneas de transmisión se calcula mediante la fórmula . En esta fórmula, C_l se refiere a la capacidad por cada unidad de longitud cuya unidad es pF/pulgada (normalmente es 3,3 pF/pulgada). Cuando la impedancia transitoria a lo largo de las líneas de transmisión es un valor constante, este valor se considera como la impedancia característica de las líneas de transmisión. Para líneas microstrip y líneas strip en PCB, su impedancia característica se puede determinar con la herramienta de diseño de líneas de transmisión Polar Si9000, que se muestra en la Figura 1.

Elementos que influyen en la integridad de la señal y las soluciones

• Coincidencia de impedancia

La coincidencia de impedancia es necesaria en el diseño de circuitos de alta velocidad para garantizar una transmisión de datos rápida y correcta. El sistema de acumulación de datos generalmente está compuesto por un sensor, un instrumento de acondicionamiento de señales, un chip de acumulación de datos AD, FPGA y SDRAM, como se muestra en la Figura 2.

AD9649 se aplica como chip AD con una fuente de alimentación de 1,8 V y una muestra paralela mediante una línea de datos de 14 bits. La frecuencia de muestreo se establece en 20M. PCI9054 se recoge como chip de interfaz PCI, compatible con la transmisión de datos DMA. 93LC66B se recoge como chip configurado PCI. HY57V561620FTP-H se aplica como almacenamiento de datos y consta de 4 BANCOS, cada uno de los cuales tiene un espacio de memoria de 4M x 16 bits, líneas de dirección de 13 filas y líneas de dirección de 9 columnas. EP1C6F256C8 es elegido por FPGA con un voltaje terminal de 3,3 V y un voltaje central de 1,5 V. El ancho del bus PCI es de 32 bits con un reloj de 33 MHz recogido como reloj de lectura y escritura y la velocidad máxima de cableado y lectura alcanza los 132 MByte por segundo, capaz de admitir la transmisión de datos acumulados a alta velocidad.

Los siguientes elementos deben tenerse en cuenta en el proceso de diseño de PCB:

una. Como parte de la mezcla de digital y analógico, AD es uno de los puntos clave en el diseño de PCB. Debido a la alta frecuencia de la parte digital, la parte analógica es muy sensible a las interferencias. Si no se implementa un procesamiento adecuado, las señales digitales tenderán a interferir con las señales analógicas y se producirán problemas de EMI. Los principios correctos que siguen los diseñadores deben ser:primero, la tierra digital y la tierra analógica deben dividirse en PCB con señales mixtas; segundo, los componentes electrónicos analógicos y digitales se clasifican con tierra analógica distribuida en el área analógica y tierra digital distribuida en el área digital; tercero, la tierra analógica y la tierra digital están conectadas con cuentas magnéticas alrededor de la segmentación de la región. Estas medidas son capaces de implementar la separación entre tierra digital y tierra analógica.

b. SDRAM se aplica en el sistema de acumulación de datos y el manual indica claramente que las líneas de datos que están conectadas con FPGA deben configurarse con una impedancia de 50 Ω para garantizar la transmisión de alta velocidad, que se muestra en la Figura 3.

Después de que FPGA escribe los datos acumulados en SDRAM, la actualización debe realizarse constantemente para mantener los datos y el período de actualización de cada fila debe ser más rápido que 64 milisegundos.

Los pasos de adaptación de impedancia por el software Polar Si9000 se muestran de la siguiente manera:

una. Las líneas de señal de alta velocidad deben cruzar la superficie superior de la PCB y deben evitarse los agujeros tanto como sea posible. El modelo de estructura de línea Microstrip se recoge en el software, como se muestra en la Figura 4.

La coincidencia de impedancia de 50 Ω generalmente se lleva a cabo en el enrutamiento de un solo terminal y la coincidencia de impedancia de 90 Ω generalmente se lleva a cabo en el enrutamiento diferencial (como USB2.0 D+, D-).

b. El valor de coincidencia de impedancia necesaria y los valores específicos de la técnica de fabricación de PCB se completan en la interfaz del software con parámetros que incluyen el espesor dieléctrico, la constante dieléctrica del material de PCB, el espesor de la lámina de cobre, el espesor del aceite verde y la constante dieléctrica del aceite verde.

Artículo	Descripción	Referencia y valor calculado
H1	Grosor dieléctrico (PP o material de placa)	3,5-8,5mil
Er1	Constante dieléctrica del material de la placa	4-4.6
W1	Ancho de enrutamiento de la señal	Basado en el valor de impedancia
C1	Grosor de la lente verde del material del sustrato	0,8 mil
C2	Espesor de aceite verde sobre cobre	0,5 mil
CEr	Constante dieléctrica del aceite verde	3.3
Zoo	Valor de impedancia a comparar	Terminal simple:50Ω Diferencial:90Ω

Los parámetros específicos de la técnica de fabricación se pueden conocer a través de la comunicación con el fabricante de PCB para que se pueda calcular el ancho de los cables. Para líneas microstrip diferenciales, también se debe calcular la distancia entre los conductores (S1).

C. Si el ancho calculado de los cables es relativamente grande y el enrutamiento de PCB no se completa, se debe realizar una mayor comunicación con los fabricantes de PCB para ajustar los parámetros en la técnica de fabricación con el cumplimiento de los requisitos de diseño.

• Diafonía

La diafonía se refiere a la interferencia inesperada de ruido de voltaje en líneas de transmisión adyacentes como resultado del acoplamiento electromagnético cuando las señales se transmiten en las líneas de transmisión. Demasiada diafonía puede provocar una activación falsa del circuito, de modo que el sistema no funcione normalmente. La diafonía se genera mediante acoplamiento electromagnético y el acoplamiento se divide en acoplamiento capacitivo y acoplamiento inductivo. La primera es en realidad una interferencia electromagnética provocada por una corriente inductiva causada como resultado del cambio de voltaje en la fuente de interferencia, mientras que la segunda es en realidad una interferencia electromagnética provocada por un voltaje inductivo causado como resultado del cambio de corriente en la fuente de interferencia. A medida que cambia el estado de la fuente de interferencia, se generará una serie de pulsos de interferencia en los objetos interferidos, lo cual es muy común en los sistemas de alta velocidad.

Las medidas para tratar la diafonía se muestran de la siguiente manera:
a. La ortogonalidad debe mantenerse en las direcciones de enrutamiento entre planos adyacentes. Se debe evitar la misma dirección en planos adyacentes con diferentes líneas de señal para reducir la diafonía. Especialmente cuando la tasa de velocidad de la señal es relativamente alta, se debe considerar la tierra para separar los planos de enrutamiento y las líneas de señal deben estar separadas por líneas de señal de tierra.
b. Para reducir la diafonía entre líneas, el espacio entre líneas debe ser lo suficientemente grande. Cuando la distancia entre los centros de las líneas no es inferior a tres veces el ancho de la línea, el 70 % del campo eléctrico se puede detener debido a la interferencia mutua, que es el principio de 3W.
c. En la situación en la que las líneas de señal de alta velocidad cumplan con el requisito, se puede acceder a la coincidencia con el terminal de unión para reducir o eliminar la reflexión y disminuir la diafonía.

Aplicación del método de diseño de integridad de señal

En el proceso de diseño de PCB, se han resumido muchas reglas de diseño basadas en la teoría de integridad de la señal. Con referencia a estas reglas de diseño de PCB, la integridad de la señal se puede obtener mejor. En el proceso de diseño de PCB, la información de diseño debe conocerse en detalle, incluyendo:
a. Posición del diseño del componente, si existen requisitos especiales en los componentes con gran potencia y disipación de calor en los componentes del chip.
b. Clasificación de señales, tasa de velocidad, dirección de transmisión y requisito de adaptación de impedancia.
c. Capacidad de conducción de señales, señales clave y medidas de protección.
d. Tipos de potencia, tierra, requisito de límite de ruido de potencia y tierra, ajuste del plano de potencia y plano de tierra y división.
e. Tipo y tasa de velocidad de las líneas de reloj, origen de las líneas de reloj, dirección, requisito de retraso del reloj y requisito de enrutamiento máximo.

Recursos útiles:
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