Dicas de layout de alta velocidade

A maioria dos projetos de PCB começa com um esquema correto e verificado em mãos. O trabalho árduo de então converter o projeto esquemático em um PCB final deve ser realizado. Muitas vezes, o PCB não funcionará, mesmo que o projeto original do circuito tenha sido realizado com cuidado. Mesmo que um esquema tenha sido verificado usando uma simulação, o que a simulação do projeto não leva em conta é que as especificidades do layout da PCB podem inserir fontes de erro imprevistas em uma implementação do projeto. Isso é especialmente verdadeiro quando se trata de usar componentes mais novos e de maior velocidade com suas velocidades de clock mais altas associadas em um projeto. Além disso, as velocidades de transferência de dados entre dispositivos também aumentam continuamente e estão sujeitas aos mesmos tipos de fontes de erro. Esses aumentos de velocidade permitem que pequenos valores de capacitância e indutância inerentes aos layouts de PCB causem falha na implementação de um projeto de PCB.


Além de certificar-se de que um PCB é funcional, requisitos adicionais em relação à tolerância de seu projeto ao ruído irradiado e à quantidade de ruído irradiado que ele contribui são de grande importância para obter um projeto final aprovado. Assim, ao desenvolver seu próximo aplicativo de PCB que inclua sinais de alta velocidade, deve-se tomar muito cuidado para mitigar os problemas de interferência eletromagnética.


Exemplos de sinais de alta velocidade incluem sinais de clock e portas de comunicação de alta velocidade. Com algumas regras simples, a integridade do sinal e os níveis de interferência eletromagnética do seu próximo projeto podem ser melhorados - sem necessidade de modelos matemáticos complexos ou ferramentas de simulação complicadas e caras. Este artigo apresentará algumas dessas regras simples que podem ser seguidas para garantir o sucesso do seu próximo projeto com sinais de alta velocidade.

Plano de fundo

Nesta seção, discutiremos algumas das fontes de erros de layout de alta velocidade e conceitos relacionados, com a próxima seção fornecendo regras gerais para mitigar essas fontes de erros.


1. Interferência Eletromagnética e Compatibilidade Eletromagnética


A interferência eletromagnética é um ruído de radiofrequência que interfere na operação de um dispositivo. Por outro lado, a compatibilidade eletromagnética refere-se a limitar os níveis de interferência eletromagnética que um dispositivo emite. Todos os dispositivos emitem algum grau de interferência eletromagnética e ao mesmo tempo absorvem alguma quantidade de interferência eletromagnética. O objetivo de um projetista de PCB deve ser reduzir ambas as quantidades a níveis razoáveis. Também é importante notar que existem padrões FCC e CISPR estabelecidos para o nível de EMI que os dispositivos podem emitir.


2. Sinais de Relógio


Sinais de clock, comumente usados ​​para acionar microprocessadores e portas de comunicação, deveriam ser uma onda quadrada perfeita, mas na realidade não são. Eles são de fato uma combinação de sinais na frequência nominal do clock e as frequências harmônicas acima da frequência do clock. Como tal, a EMI deve ser considerada tanto na frequência do clock usado em um projeto quanto nos harmônicos da frequência do clock acima da frequência nominal do clock.


3. Linhas de Transmissão


Em frequências mais altas, os efeitos da linha de transmissão começam a entrar em jogo mesmo no nível da placa PCB. Sempre que a frequência de uma linha de sinal fizer com que o referido sinal tenha um comprimento de onda da ordem do traço de PCB associado, a impedância característica do traço deve ser considerada para evitar reflexões devido a incompatibilidades de impedância. No sentido mais geral, o projetista de PCB deve ter tempo para combinar a impedância dos traços associados aos transceptores que esses traços estão conectando. O uso de uma microfita (um traço de uma largura definida sobre um plano de potência) ou um stripline (um traço de uma largura definida entre dois planos de potência) são formas comuns de controlar a impedância de uma linha de transmissão de nível de PCB.


Também é comum que os transceptores tenham entradas de alta impedância. Neste caso, o traço de conexão deve ser terminado de forma que corresponda à impedância característica da linha de transmissão à qual está conectado. Existem várias técnicas de terminação comuns, mas pesquisá-las será deixada para o leitor, pois estão além do escopo deste artigo.


4. Diafonia


Quando dois traços estão localizados próximos um do outro, eles são acoplados indutivamente e capacitivamente (comumente referido como cross talk) de uma forma que pode permitir que um comprometa a operação do outro. A maneira mais básica de eliminar esse tipo de ruído é separar os traços por uma distância maior. Crosstalk também pode ser mitigado pelo uso de planos de energia para suprimir os níveis de crosstalk.


5. Sinais Diferenciais


Outra maneira de lidar com o ruído em um caminho de comunicação é usando sinais diferenciais. Os sinais diferenciais são iguais e opostos em potencial. Assim, dois traços são responsáveis ​​por transportar um sinal entre os dispositivos e o valor do sinal é determinado pela diferença de potencial nos dois traços, não pelo potencial absoluto dos traços individuais. Isso deixa os sinais diferenciais imunes à diafonia e efetivamente imunes ao ruído irradiado.


6. Áreas de Corrente e Loop de Retorno


Ao considerar layouts de alta frequência, o caminho de retorno de um sinal também deve ser considerado. Ao trabalhar com circuitos DC, o caminho de retorno será o caminho de menor resistência, mas ao considerar sinais AC o caminho de retorno será o caminho de menor impedância. O resultado é que o caminho de retorno de um sinal de alta frequência estará diretamente ao lado do traço do referido sinal. Normalmente, a diferença no caminho de retorno não é um problema quando o traço de sinal é roteado sobre um plano de terra, mas pode ser um problema quando o plano de terra é quebrado sob o traço de sinal. O resultado é uma quebra no caminho de retorno do sinal será um loop. Os loops devem ser evitados, pois são radiadores EMI muito mais eficazes e impactarão negativamente a EMC de um projeto.

Dicas práticas de design

Agora que apresentamos uma breve discussão sobre as fontes de ruído de sinal de alta velocidade, podemos passar a discutir dicas de layout mais específicas.


Antes de assumir seu próximo projeto de PCB de alta velocidade, você deve primeiro dar uma olhada nos requisitos gerais do projeto. Boas perguntas a serem feitas são:Qual é a frequência mais alta no sistema? Você precisará usar uma microfita ou uma stripline para atingir o nível de supressão de ruído exigido pelo projeto? Quais são os sinais sensíveis em seu projeto? Quais são as tolerâncias mínimas exigidas pelo fabricante do PCB? Existem interconexões sensíveis entre os grupos funcionais do projeto? Com essas respostas em mãos, uma visão geral do empilhamento e composição do conselho pode ser determinada.


1. Empilhamento de Placas


Uma das considerações mais básicas para um novo projeto de circuito é o empilhamento de PCB. Se não houver sinais sensíveis para proteger, você pode usar um PCB padrão de 2 camadas. Se você precisar rotear sinais como linhas de tira, precisará usar um empilhamento de 6 camadas. Um PCB de 4 camadas também pode ser uma boa opção intermediária.


Outra consideração é se você puder criar o empilhamento de forma que os planos de potência fiquem muito próximos uns dos outros, você pode reduzir a necessidade de capacitores de desacoplamento de pequeno valor a serem usados ​​em seu projeto. Finalmente, se você puder localizar as fontes e sumidouros do seu sinal de alta velocidade juntos no PCB, você poderá eliminar a maior parte da EMI e EMC relacionada a esses sinais.


2. Planos de Força e Terra


O requisito mais básico para um projeto de alta velocidade é a implementação de um plano de terra completo. Também pode ser de grande benefício incluir um plano de força completo, mas isso requer que o projeto seja baseado em uma pilha de quatro camadas ou superior. Há também o benefício de localizar traços de sinal muito próximos aos planos de potência, o que também deve informar o empilhamento utilizado no projeto final.


Ao dividir partes de um plano de potência, também é importante lembrar que os sinais de alta velocidade têm uma corrente de retorno que segue o caminho de menor impedância e não de resistência. Esteja atento para não interromper o caminho de retorno de um sinal de alta velocidade entre sua fonte e seu dissipador. Se você precisar quebrar um plano de aterramento, tente não executar rastros de sinal sobre essa interrupção. Se você fizer isso, considere reconectar o plano de aterramento ao lado do traço do sinal com um resistor de 0 Ohm. De forma mais sucinta, use os planos de aterramento e potência o mais uniforme e ininterrupto possível em seu projeto.


3. Tópicos Adicionais


Os capacitores de desacoplamento são importantes na criação de caminhos de baixa impedância para terra e energia para sinais de alta frequência. Em geral, você precisará usar vários valores de capacitores diferentes para suprimir o ruído de alta frequência em uma faixa de frequências. Ao colocar capacitores, coloque o capacitor de valor mais baixo mais próximo do dispositivo que você está protegendo e, em seguida, prossiga com limites de valor cada vez maiores. Além disso, certifique-se de que o capacitor seja colocado entre o dispositivo e o plano de energia que o capacitor está desacoplando. Isso garantirá que o dispositivo esteja de fato sendo desacoplado pelo capacitor.


Outras dicas gerais incluem:
• Arredondar cantos de rastreamento pode reduzir o nível de EMI irradiado por um sinal. Isso ocorre porque as mudanças abruptas nos traços levam a níveis mais altos de capacitância e também causam reflexões de sinal de alta velocidade.
• Para minimizar a interferência entre traços de sinal, incluindo aqueles em planos diferentes, certifique-se de que eles se cruzam à direita ângulos.
• Evite vias em traços de sinal. As vias alteram a impedância característica do traço e podem causar reflexões. Além disso, se você precisar usar vias com traços de sinal diferencial, considere colocá-los em ambos os traços para garantir que seu efeito seja igual em ambos os traços.
• Considere o stub criado pelo uso de vias. Considere o uso de vias cegas ou com rebarbas no lugar das vias convencionais.
• Considere atrasos ao usar uma solução de relógio distribuído. Evite ramificações e combine os comprimentos de rastreamento do relógio para os dispositivos conectados. Muitas vezes é aconselhável usar um driver de relógio.

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