Método de supressão de reflexão de sinal em layout de PCB de alta velocidade

Com o próximo desenvolvimento da ciência e tecnologia eletrônica, o sistema eletrônico composto por chip IC está se desenvolvendo rapidamente em grande escala, miniatura e alta velocidade. Simultaneamente, surge também um problema:o encolhimento do volume do sistema eletrônico leva ao aumento da densidade de roteamento do circuito, enquanto a frequência do sinal aumenta constantemente e o tempo de rotação do sinal se torna curto. Quando o atraso de interconexão dos sinais é maior que o tempo de rotatividade do sinal em 10%, os terminais de sinal a bordo exibirão o efeito das linhas de transmissão, tornando uma série de problemas, como reflexão de sinal e diafonia, cada vez mais salientes. O advento do problema de alta velocidade traz um desafio maior ao projeto de hardware e se alguns projetos que são considerados corretos do ponto de vista da lógica não forem processados ​​de forma inadequada, todo o projeto sofrerá falhas. Portanto, como resolver os problemas dos 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 a reflexão reside na incompatibilidade de impedância das linhas de transmissão que leva à absorção incompleta da energia do sinal no terminal. O problema de reflexão reflete a qualidade do sinal de uma única rede, relacionada às propriedades físicas do caminho do sinal de uma única rede e do caminho de retorno. Normalmente, as propriedades físicas do roteamento de PCBs têm grande influência nas linhas de transmissão, principalmente incluindo material de roteamento, largura de roteamento, espessura de roteamento, distância entre outros planos e planos de roteamento e constante dielétrica do material adjacente. Quando os sinais estão sendo transmitidos ao longo de uma única rede, a mudança de impedância transiente das linhas de interconexão será gerada. Se a impedância de interconexão sentida pelos sinais se mantiver inalterada, a não distorção será mantida. Se a impedância de interconexão sentida pelos sinais se mantiver alterada, será gerada distorção com a reflexão produzida no ponto de mudança. O sinal de reflexão será transmitido de volta para a extremidade de emissão dos sinais e será refletido de volta até que diminua com a redução da energia. Finalmente, a tensão e a corrente dos sinais se tornarão estáveis.

• Cálculo de reflexão


Quando os sinais são transmitidos ao longo das linhas de transmissão, a impedância transitória será sentida a qualquer momento. Se a impedância sentida pelos sinais for constante, ela será transmitida normalmente. Enquanto a impedância sentida mudar, a reflexão sempre será causada, não importa quais sejam as causas. O índice significativo que mede a quantidade de reflexão é o coeficiente de reflexão que indica a razão entre a tensão de reflexão e a tensão do sinal original. O coeficiente de reflexão pode ser definido de acordo com a fórmula .

Nesta fórmula, Z₁ refere-se à impedância após a mudança enquanto Z₀ a impedância antes da mudança. Suponha que a impedância característica do roteamento PCB seja de 50Ω. No processo de transmissão, um resistor de 150Ω é encontrado e então o coeficiente de reflexão é (150-50)/(150+50)=1/2 (Nesta circunstância, a influência da 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 fonte. Se a tensão dos sinais de transmissão for de 5V, a tensão de reflexão será de 2,5V.

• Influência da reflexão


1). Distorção do sinal causada por reflexão


Se uma derivação não for terminada corretamente, o pulso do sinal da extremidade de acionamento será refletido no terminal receptor. Quando os sinais refletidos são muito fortes, a forma de onda empilhada possivelmente altera a condição lógica que leva a um efeito inesperado, causando distorção do contorno do sinal. Quando a distorção se torna tão óbvia, vários erros possivelmente serão causados ​​com falhas projetadas. Enquanto isso, os sinais com distorção têm mais sensibilidade ao ruído, o que também causará falhas no projeto.


2). Overshooting e undershooting causados ​​por reflexão


Overshooting refere-se ao fato de que o primeiro valor de pico ou valor de 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. O overshooting exagerado possivelmente destruirá os diodos de proteção, levando a falhas precoces. Undershooting refere-se ao fato de que o próximo valor de vale ou valor de pico possivelmente gerará sinais de clock falsos, levando a uma operação de leitura e escrita incorreta do sistema.


3). Oscilação


A oscilação também é um sintoma causado pela reflexão. Com a mesma propriedade com overshooting, repetir overshooting e undershooting é chamado de oscilação dentro de um círculo de clock. É o resultado do fato de que a energia redundante gerada pela reflexão não é absorvida no tempo nos circuitos.

Método de supressão de reflexão

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

• Escalonamento de frequência do sistema


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

• Otimização de processamento de sinal


Devido a exigências rigorosas em termos de sequenciamento de tempo, componentes e nós que podem causar problemas de alta velocidade devem ser determinados com antecedência. Todos os tipos de requisitos relativos ao layout e roteamento de componentes devem ser ajustados e o índice de design da integridade do sinal será finalmente controlado. Os principais métodos de processamento incluem:
1). Placas de circuito impresso relativamente finas são aplicadas para diminuir os parâmetros parasitas de furos passantes.
2). O número de camadas deve ser organizado adequadamente. As camadas intermediárias devem ser totalmente utilizadas para definir a blindagem para melhor implementar o aterramento adjacente, o que reduzirá efetivamente a indutância parasita, encurtará o comprimento de transmissão dos sinais e aumentará muito a diafonia entre os sinais.
3). A forma geométrica das 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 necessárias, linhas quebradas ou arco de 45° podem ser aplicadas, o que diminuirá a radiação externa dos sinais de alta frequência e o acoplamento entre os sinais de alta frequência.
4). O roteamento de linhas de sinal importantes deve ser organizado no mesmo plano para reduzir furos passantes desnecessários.
5). A integridade do plano deve ser assegurada para fornecer um caminho de refluxo com baixa impedância para as linhas de sinal. Isto visa reduzir o acoplamento de impedância de modo comum e o ruído de comutação de modo comum para diminuir ou eliminar problemas de integridade de sinal relativos ao sistema de alimentação.
6). Aplicação da estrutura topológica de roteamento correta.


A estrutura topológica de roteamento refere-se à sequência de roteamento e estrutura de uma linha de sinal. Em circuitos práticos, sempre há uma situação em que uma única fonte de acionamento aciona várias cargas e a fonte de acionamento e as cargas estão em conformidade com a topologia da estrutura. Diferentes estruturas topológicas obviamente têm influências diferentes nos sinais. Normalmente, dois tipos de estruturas topológicas básicas são aplicadas no roteamento de PCB, ou seja, topologia em cadeia e em forma de início, que é mostrada na Figura 1 abaixo.

uma. Guirlanda de margaridas


O roteamento começa no terminal de acionamento e chega sequencialmente a cada terminal receptor. Se o resistor em série for aplicado para alterar as propriedades do sinal, a posição do resistor em série deve estar próxima ao terminal de acionamento. Em termos de maior controle de interferência harmônica, o daisy chain apresenta o melhor efeito de roteamento. No entanto, esse tipo de roteamento apresenta a menor roteabilidade, inferior a 100%. Em projetos práticos, o comprimento do ramo em cadeia deve ser o mais curto possível. O espaço de roteamento desta estrutura topológica é pequeno e um único resistor pode ser aplicado para compatibilidade com a terminação. Além disso, esse tipo de estrutura de roteamento torna a recepção de sinal fora de sincronia em diferentes terminais de recepção de sinal.


b. Topologia em forma de estrela


Esse tipo de roteamento é capaz de evitar efetivamente a não sincronização de sinais de clock, mas apresenta a desvantagem de que um resistor de terminal é necessário para cada ramal. O valor da resistência do resistor terminal deve ser compatível com a impedância característica em linha. Para sistemas cujos diferentes sinais têm requisitos simultâneos no terminal receptor, a topologia em forma de estrela é a mais adequada.

• Métodos de rescisão


A impedância característica no caminho de transmissão do sinal deve ser mantida constante, ou seja, o coeficiente de reflexão é 0, o que significa que não há reflexão no caminho de transmissão. Essa situação é chamada de compatibilidade de impedância. Neste momento, os sinais transmitem a ideia do terra ao terminal. Comumente, o comprimento da linha de transmissão deve ser compatível com a condição .


Nesta inequação, L se refere ao comprimento da linha de transmissão; t_r refere-se ao tempo de subida dos sinais do terminal da fonte; t_pd1 refere-se ao atraso de transmissão de carga em cada unidade de comprimento nas linhas de transmissão. Quando a transferência de nível integrada ocorre antes da reflexão chegar ao terminal remoto, a tecnologia de correspondência de terminal deve ser aplicada. Os princípios de conexão terminal de linhas de transmissão incluem:se o coeficiente de reflexão da carga ou o coeficiente de reflexão da fonte for zero, a reflexão será eliminada. Comumente, duas estratégias são aplicadas:a impedância da fonte é compatível com a impedância da linha de transmissão, ou seja, terminação da fonte enquanto a impedância da carga é compatível com a impedância da linha de transmissão, ou seja, terminação final.


1). Terminação da fonte


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

2). Terminar rescisão


O princípio principal da terminação final está no resistor pull-up ou pull-down adicionando às posições adjacentes ao terminal de carga para implementar a correspondência de impedância. A terminação final pode ser comumente dividida em terminação paralela de resistor único, terminação RC, terminação de Thevenin e terminação de diodo Schottky, conforme mostrado na Figura 3.

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


Do ponto de vista do projeto do sistema, a terminação paralela deve ser escolhida primeiro porque é a mais capaz de diminuir o ruído, EMI e RFI em comparação com outros três métodos de terminação. De acordo com as circunstâncias práticas, o método de terminação adequado é escolhido e, quando necessário, o projeto de simulação deve ser implementado.

Conclusão

No projeto de PCB de alta velocidade, os pré-requisitos bem-sucedidos incluem layout e roteamento razoáveis, evitar curvas e vias de passagem desnecessárias, continuidade de impedância, planos de referência de sinal integrados e excelente aterramento. Para otimizar a integridade do projeto e do sinal e obter maior compatibilidade eletromagnética, a verificação da simulação do projeto deve ser implementada. Ele ajuda os projetistas a lidar com defeitos de projeto a tempo e compensar as deficiências no projeto de PCB.


Recursos úteis
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