Supressão Eficaz de Reflexão de Sinal para Layouts de PCB de Alta Velocidade

Com o desenvolvimento futuro da ciência e tecnologia eletrônica, o sistema eletrônico composto por chip IC está se desenvolvendo rapidamente em direção a grande escala, miniaturização e alta velocidade. Simultaneamente, surge um problema: o encolhimento do volume do sistema eletrônico leva ao aumento da densidade de roteamento do circuito, enquanto a frequência do sinal sobe constantemente e o tempo de troca de borda do sinal torna-se curto. Quando o atraso de interconexão de sinais é maior que o tempo de troca de sinal em 10%, as trilhas de sinal na placa exibirão efeito de linhas de transmissão, tornando uma série de problemas como reflexão de sinal e crosstalk cada vez mais proeminentes. O advento do problema de alta velocidade traz maior desafio ao design de hardware e se alguns designs considerados corretos da perspectiva da lógica falharem em ser processados inadequadamente, todo o design sofrerá falha. Portanto, como resolver os problemas de circuitos de alta velocidade tornou-se um dos elementos essenciais que determinam o sucesso do sistema.

Princípios de Reflexão e Sua Influência

• Princípios de reflexão

A razão direta para reflexão reside na incompatibilidade de impedância de linhas de transmissão que leva à absorção incompleta de energia do sinal no terminal. A questão de reflexão reflete a qualidade do sinal de rede única, relacionada com propriedades físicas do caminho de sinal de rede única e caminho de retorno. Geralmente, propriedades físicas de roteamento de PCB têm grande influência em linhas de transmissão, principalmente incluindo material de roteamento, largura de roteamento, espessura de roteamento, distância entre outros planos de roteamento e planos e constante dielétrica de material adjacente. Quando sinais estão sendo transmitidos ao longo de rede única, mudança transitória de impedância de linhas de interconexão será gerada. Se a impedância de interconexão sentida por sinais mantiver-se inalterada, não-distorção será mantida. Se a impedância de interconexão sentida por sinais mantiver-se mudando, distorção será gerada com reflexão produzida no ponto de mudança. O sinal de reflexão será transmitido de volta à extremidade de emissão de sinais e será refletido de volta novamente até encolher com a redução de energia. Finalmente, a tensão e corrente dos sinais tornar-se-ão estáveis.

• Cálculo de reflexão

Quando sinais são transmitidos para frente ao longo de linhas de transmissão, impedância transitória será sentida a qualquer momento. Se a impedância sentida por sinais for constante, será transmitida para frente normalmente. Contanto que a impedância sentida mude, reflexão sempre será causada, não importa o que cause. O índice significativo medindo a quantidade de reflexão é o coeficiente de reflexão, indicando a razão entre tensão de reflexão e tensão do sinal original. O coeficiente de reflexão pode ser definido de acordo com a fórmula .

Nesta fórmula, Z₁ refere-se à impedância após mudança, enquanto Z₀ a impedância antes da mudança. Suponha que a impedância característica do roteamento de PCB seja 50 Ω. No processo de transmissão, um resistor de 150 Ω é encontrado e então o coeficiente de reflexão é (150-50)/(150+50) = 1/2 (Nesta circunstância, a influência de capacitância e indutância parasitas não é considerada com resistor como um resistor puro ideal). Este resultado indica que metade da energia do sinal original é transmitida de volta ao terminal de fonte. Se a tensão de sinais de transmissão é 5V, a tensão de reflexão é 2,5V.

• Influência da reflexão

1). Distorção de sinal causada por reflexão

Se uma trilha não for terminada corretamente, pulso de sinal da extremidade de acionamento será refletido no terminal de recepção. Quando sinais refletidos são bastante fortes, forma de onda empilhada possivelmente mudará condição lógica que leva a efeito não antecipado, causando distorção de contorno de sinal. Quando a distorção se torna tão óbvia, numerosos erros possivelmente serão causados com design falhado. Enquanto isso, sinais com distorção têm mais sensibilidade para ruído, o que causará falha de design também.

2). Overshooting e undershooting causados por reflexão

Overshooting refere-se ao fato de que o primeiro valor de pico ou vale excede a tensão. Para borda de subida, refere-se ao fato de que o primeiro valor de pico excede a tensão mais alta, enquanto para borda de descida, refere-se ao fato de que o primeiro valor de vale excede a tensão mais baixa. Overshooting exagerado possivelmente destruirá diodos de proteção, levando a falha precoce. Undershooting refere-se ao fato de que o próximo valor de vale ou pico possivelmente gerará sinais de clock falsos, levando a operações de leitura e escrita erradas do sistema.

3). Oscilação

Oscilação também é um sintoma causado por reflexão. Com a mesma propriedade com overshooting, overshooting e undershooting repetidos é chamado de oscilação dentro de um círculo de clock. É o resultado do fato de que energia redundante gerada da reflexão falha em ser absorvida a tempo nos circuitos.

Método de Supressão de Reflexão

Os principais elementos causando reflexão incluem forma geométrica de roteamento (largura, comprimento, ângulos de curvas), conversão do mesmo plano de roteamento de rede, transmissão através de conector, descontinuidade entre energia e terra, estrutura topológica incorreta e incompatibilidade de extremidade de rede. Os principais métodos de supressão serão introduzidos na parte seguinte.

• Escalada de frequência do sistema

Taxa de transformação de borda de sinal é diminuída em situações possíveis para que a reflexão de linhas de transmissão alcance o estado estável antes da conexão entre um sinal e linha de transmissão. Por um lado, regulamentos de design devem ser atendidos; por outro lado, componentes com velocidade lenta devem ser escolhidos para evitar mistura entre diferentes tipos de sinais.

• Otimização de processamento de sinal

Por causa de demandas estritas em termos de sequenciamento temporal, componentes e nós que podem causar problemas de alta velocidade devem ser determinados antecipadamente. Todos os tipos de requisitos concernentes a layout de componentes e roteamento devem ser ajustados e índice de design de integridade de sinal será finalmente controlado. Os principais métodos de processamento incluem:
1). Placas de PCB relativamente finas são aplicadas para diminuir parâmetros parasitas de furos passantes.
2). O número de camadas deve ser arranjado adequadamente. Camadas do meio devem ser totalmente utilizadas para definir blindagem para melhor implementar aterramento adjacente, o que reduzirá efetivamente indutância parasita, encurtará comprimento de transmissão de sinais e escalará grandemente crosstalk entre sinais.
3). Forma geométrica de linhas de sinal no PCB deve ser controlada com curvas reduzidas e pontos de descontinuidade de impedância de roteamento minimizados. Especialmente para roteamento em circuitos de alta frequência, linhas totalmente retas devem ser aplicadas. Quando curvas são requeridas, linhas quebradas ou arco de 45° podem ser aplicados, o que diminuirá radiação externa de sinais de alta frequência e acoplamento entre sinais de alta frequência.
4). Roteamento de linhas de sinal importantes deve ser arranjado no mesmo plano para reduzir furos passantes desnecessários.
5). Integridade do plano deve ser garantida para fornecer caminho de refluxo com baixa impedância para linhas de sinal. Isso visa reduzir acoplamento de impedância de modo comum e ruído de chaveamento de modo comum para diminuir ou eliminar problemas de integridade de sinal concernentes ao sistema de alimentação.
6). Aplicação de estrutura topológica de roteamento correta.

Estrutura topológica de roteamento refere-se à sequência e estrutura de roteamento de uma linha de sinal. Em circuitos práticos, há sempre uma situação na qual uma única fonte de acionamento aciona múltiplas cargas e fonte de acionamento e cargas conformam-se à topologia de estrutura. Diferentes estruturas topológicas têm influência obviamente diferente em sinais. Geralmente, dois tipos de estruturas topológicas básicas são aplicados em roteamento de PCB, ou seja, daisy chain e topologia em estrela, mostrados na Figura 1 abaixo.

a. Daisy chain

O roteamento começa do terminal de acionamento e chega a cada terminal de recepção sequencialmente. Se resistor em série for aplicado para mudar propriedades de sinal, a posição do resistor em série deve ser próxima ao terminal de acionamento. Em termos de controle de interferência harmônica superior, daisy chain apresenta o melhor efeito de roteamento. No entanto, este tipo de roteamento apresenta a menor roteabilidade, menos de 100%. Em designs práticos, o comprimento de ramificação em daisy chain deve ser o mais curto possível. Espaço de roteamento desta estrutura topológica é pequeno e um único resistor pode ser aplicado para compatibilidade com terminação. Além disso, este tipo de estrutura de roteamento torna a recepção de sinal fora de sincronia em diferentes terminais de recepção de sinal.

b. Topologia em estrela

Este tipo de roteamento é capaz de evitar efetivamente a não-sincronização de sinais de clock, mas apresenta uma desvantagem: um resistor de terminação é requerido por cada ramificação. Valor de resistência do resistor de terminação deve ser compatível com impedância característica da linha. Para sistemas cujos diferentes sinais têm requisito simultâneo no terminal de recepção, topologia em estrela é a mais adequada.

• Métodos de terminação

Impedância característica no caminho de transmissão de sinal deve ser mantida constante, ou seja, coeficiente de reflexão é 0, o que significa nenhuma reflexão no caminho de transmissão. Esta situação é chamada de compatibilidade de impedância. Neste momento, sinais transmitem terra ideal ao terminal. Comumente, comprimento de linha de transmissão deve ser compatível com condição .

Nesta inequação, L refere-se ao comprimento da linha de transmissão; t_r refere-se ao tempo de subida de sinais do terminal de fonte; t_pd1 refere-se ao atraso de transmissão de carga em cada comprimento unitário em linhas de transmissão. Quando a transferência de nível integrado ocorre antes da reflexão chegar ao terminal distante, tecnologia de terminação terminal é requerida a ser aplicada. Princípios de conexão terminal de linhas de transmissão incluem: se o coeficiente de reflexão de carga ou de fonte for zero, a reflexão será eliminada. Comumente, duas estratégias são aplicadas: impedância de fonte é feita compatível com impedância de linha de transmissão, ou seja, terminação de fonte, enquanto impedância de carga é feita compatível com impedância de linha de transmissão, ou seja, terminação de extremidade.

1). Terminação de fonte

Terminação de fonte é principalmente método de terminação em série implementado pela inserção de um resistor em série em linhas de transmissão em posições adjacentes à extremidade próxima da fonte. A soma do valor de resistência do resistor em série e terminal de acionamento deve ser igual ao valor de resistência de linhas de transmissão. O princípio da terminação em série é a eliminação da tensão refletida do terminal de carga para parar a segunda reflexão de linhas de transmissão, mostrado na Figura 2.

2). Terminação de extremidade

O principal princípio da terminação de extremidade reside em resistor de pull-up ou pull-down adicionado a posições adjacentes ao terminal de carga para implementar correspondência de impedância. Terminação de extremidade pode ser comumente dividida em terminação paralela de resistor único, terminação RC, terminação Thevenin e terminação diodo Schottky, como mostrado na Figura 3.

Valor de resistência em terminação paralela de resistor único é igual à impedância das linhas de transmissão. Valores de dois resistores em terminação Thevenin devem seguir a fórmula: Z₀ = R₁R₂/(R₁+R₂). Valor de capacitância em terminação RC segue a fórmula: C = 3T/Z₀, na qual T refere-se ao tempo de subida dos sinais, enquanto Z₀ refere-se à impedância das linhas de transmissão.

Da perspectiva de design de sistema, terminação paralela deve ser a primeira escolhida porque é a mais capaz de diminuir ruído, EMI e RFI comparada com os outros três métodos de terminação. De acordo com circunstâncias práticas, o método de terminação adequado é escolhido e, quando necessário, design de simulação deve ser implementado.

Conclusão

No design de PCB de alta velocidade, pré-requisitos bem-sucedidos incluem layout e roteamento razoáveis, evitação de curvas e vias passantes desnecessárias, continuidade de impedância, planos de referência de sinal integrados e excelente aterramento. Para otimizar design e integridade de sinal e obter maior compatibilidade eletromagnética, verificação de simulação de design deve ser implementada. Ajuda designers a lidar com defeitos de design a tempo e compensar falhas no design de PCB.

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