Desafios de projeto de PCB de alta velocidade sobre integridade do sinal e suas soluções

Com o constante progresso das tecnologias eletrônicas, aumento da alta frequência de clock no sistema digital, tempo de borda de subida cada vez mais curto, o sistema PCB tornou-se uma estrutura de sistema com alto desempenho, muito mais do que apenas uma plataforma de suporte a componentes. Do ponto de vista do desempenho elétrico, a interconexão entre os sinais de alta velocidade não é mais rápida ou transparente e a influência da interconexão entre os condutores nas propriedades do PCB de alta velocidade e do plano da placa não pode mais ser negligenciada. Lide com sucesso com problemas de integridade de sinal, incluindo reflexão, diafonia, atraso, chamada e correspondência de impedância causados ​​pela interconexão de sinal de alta velocidade e garanta que a qualidade da transmissão do sinal determine o sucesso do projeto.

Teoria Básica da Integridade do Sinal PCB

• Circuito de alta velocidade e seu princípio de determinação


O termo definidor de circuito de alta velocidade vem principalmente em duas versões. Por um lado, em um circuito, quando o atraso dos sinais digitais nas linhas de transmissão é superior a 20% do tempo de borda de subida, esse circuito pode ser considerado um circuito de alta velocidade. Por outro lado, em um circuito, quando a frequência do circuito analógico digital atinge ou excede em 45MHz a 50MHz, o circuito é considerado como circuito de alta velocidade.


Basicamente, se L (comprimento dos leads) for maior que T_r , o circuito é considerado como circuito de alta velocidade; se L for menor que T_r , o circuito é considerado como circuito de baixa velocidade. Aqui, T_r refere-se ao tempo da borda de subida do pulso.

• Velocidade de transmissão de sinal e tempo de borda ascendente de pulso


A taxa de velocidade de transmissão do sinal no ar é 3 x 10 ⁸ EM; a constante dielétrica de FR4 que é o material do PCB é exibida como ε_r que é 4. A taxa de velocidade de transmissão do sinal no PCB pode ser calculada usando a Fórmula .


V_p é igual a 15 cm/ns que é aproximadamente 6 polegadas/ns. Tempo de borda de subida do pulso T_r =1/(10 x f_clk ) e o tempo de borda de subida do sinal de 100MHz é 1ns. Quando o atraso dos sinais no roteamento do PCB for superior a 20% do tempo de borda de subida, a chamada óbvia ocorrerá nos sinais. Para ondas quadradas cujo tempo de subida é de 1ns (100MHz), quando o comprimento de roteamento do PCB for maior que 0,2ns x 6=1,2 polegadas, chamadas sérias ocorrerão nos sinais. Portanto, o comprimento crítico é de 1,2 polegadas (aproximadamente 3 cm).

• Impedância característica


A impedância característica é um parâmetro importante na correspondência de impedância que influencia a reflexão, chamada, disparo superior e inferior e se relaciona diretamente com a integridade da transmissão de sinal de alta velocidade, que é muito importante no projeto de alta velocidade.


Os sinais são transmitidos ao longo de linhas de transmissão, cuja relação entre tensão e corrente é considerada como impedância transitória. A impedância transiente nas linhas de transmissão é calculada pela Fórmula . Nesta fórmula, C_l refere-se à capacidade por cada unidade de comprimento cuja unidade é pF/polegada (geralmente é 3,3pF/polegada). Quando a impedância transiente ao longo das linhas de transmissão é um valor constante, este valor é considerado como a impedância característica nas linhas de transmissão. Para linhas de microfita e linhas de tira em PCB, sua impedância característica pode ser calculada pela ferramenta de projeto de linha de transmissão Polar Si9000, que é mostrada na Figura 1.

Elementos que influenciam a integridade e as soluções do sinal

• Impedância


A correspondência de impedância é necessária no projeto de circuito de alta velocidade para garantir a transmissão de dados rápida e correta. O sistema de acumulação de dados geralmente é composto por sensor, instrumento condicionador de sinal, chip de acumulação de dados AD, FPGA e SDRAM, conforme mostrado na Figura 2.

AD9649 é aplicado como chip AD com uma fonte de alimentação de 1,8V e amostra paralela por linha de dados de 14 bits. A frequência de amostragem é definida como 20M. PCI9054 é escolhido como chip de interface PCI, suportando transmissão de dados DMA. 93LC66B é escolhido como chip configurado para PCI. HY57V561620FTP-H é aplicado como armazenamento de dados, consistindo em 4 BANCOS, cada um com espaço de memória de 4M x 16 bits, linhas de endereço de 13 linhas e linhas de endereço de 9 colunas. O EP1C6F256C8 é escolhido pelo FPGA com uma tensão terminal de 3,3V e tensão de núcleo de 1,5V. A largura do barramento PCI é de 32 bits com clock de 33MHz captado como clock de escrita e leitura e a velocidade máxima de fiação e leitura atinge 132MByte por segundo, capaz de suportar transmissão de dados acumulados em alta velocidade.


Os seguintes elementos devem ser levados em consideração no processo de projeto de PCBs:


uma. Como parte da mistura de digital e analógico, o AD é um dos pontos-chave no design de PCB. Devido à alta frequência da parte digital, a parte analógica é bastante sensível a interferências. Se o processamento adequado não for implementado, os sinais digitais tenderão a interferir nos sinais analógicos, causando problemas de EMI. Os princípios corretos que os projetistas devem seguir devem ser:primeiro, terra digital e terra analógica devem ser divididas em PCB com sinais mistos; segundo, os componentes eletrônicos analógicos e digitais são classificados com terra analógica distribuída na área analógica e terra digital distribuída na área digital; terceiro, terra analógica e terra digital são conectadas com esferas magnéticas em torno da segmentação da região. Estas medidas são capazes de implementar a separação entre terra digital e terra analógica.


b. A SDRAM é aplicada no sistema de acumulação de dados e o manual indica claramente que as linhas de dados que estão conectadas com FPGA devem ser configuradas com casamento de impedância de 50Ω para garantir a transmissão de alta velocidade, que é mostrada na Figura 3.

Depois que o FPGA grava os dados acumulados na SDRAM, a atualização deve ser realizada constantemente para manter os dados e o período de atualização de cada linha deve ser mais rápido que 64 milissegundos.


As etapas da correspondência de impedância pelo software Polar Si9000 são exibidas da seguinte forma:


uma. As linhas de sinal de alta velocidade devem cruzar a superfície superior do PCB e os furos devem ser evitados o máximo possível. O modelo de estrutura de linha de microfita é selecionado no software, conforme mostrado na Figura 4.

A correspondência de impedância de 50Ω é geralmente realizada em roteamento de terminal único e a correspondência de impedância de 90Ω geralmente é realizada em roteamento diferencial (como USB2.0 D+, D-).


b. O valor de correspondência de impedância necessário e os valores específicos da técnica de fabricação de PCB são preenchidos na interface do software com parâmetros, incluindo espessura dielétrica, constante dielétrica do material PCB, espessura da folha de cobre, espessura do óleo verde e constante dielétrica do óleo verde.

Artigo	Descrição	Referência e valor calculado
H1	Espessura dielétrica (PP ou material de placa)	3,5-8,5mil
Er1	Constante dielétrica do material da placa	4-4,6
W1	Largura do roteamento do sinal	Com base no valor da impedância
C1	Espessura do iol verde do material de substrato	0,8 mil
C2	Espessura de óleo verde sobre cobre	0,5 mil
CEr	Constante dielétrica do óleo verde	3.3
Zo	Valor de impedância a ser correspondido	Terminal único:50Ω Diferencial:90Ω

Parâmetros específicos da técnica de fabricação podem ser conhecidos através da comunicação com o fabricante da placa de circuito impresso para que a largura dos condutores possa ser calculada. Para linhas de microfitas diferenciais, a distância entre as derivações (S1) também deve ser calculada.


c. Se a largura calculada dos condutores for relativamente grande e o roteamento da placa de circuito impresso não for concluído, mais comunicação deve ser feita com os fabricantes de placas de circuito impresso para ajustar os parâmetros na técnica de fabricação com os requisitos de projeto atendidos.

• Diafonia


Crosstalk refere-se a interferência inesperada de ruído de tensão em linhas de transmissão adjacentes como resultado de acoplamento eletromagnético quando os sinais estão sendo transmitidos em linhas de transmissão. Demasiada diafonia pode levar a um falso acionamento do circuito para que o sistema não funcione normalmente. A diafonia é gerada por acoplamento eletromagnético e o acoplamento é dividido em acoplamento capacitivo e acoplamento indutivo. O primeiro é na verdade interferência eletromagnética causada por corrente indutiva que é causada como resultado da mudança de tensão na fonte de interferência, enquanto o último é na verdade interferência eletromagnética liderada por tensão indutiva que é causada como resultado da mudança de corrente na fonte de interferência. À medida que o estado da fonte de interferência muda, uma série de pulsos de interferência será gerada nos objetos interferidos, o que é muito comum em sistemas de alta velocidade.


As medidas para lidar com a diafonia são exibidas da seguinte forma:
a. A ortogonalidade deve ser mantida nas direções de roteamento entre planos adjacentes. A mesma direção deve ser evitada em planos adjacentes com linhas de sinal diferentes para reduzir a diafonia. Especialmente quando a taxa de velocidade do sinal é relativamente alta, o terra deve ser considerado para separar os planos de roteamento e as linhas de sinal devem ser separadas por linhas de sinal de terra.
b. Para reduzir a interferência entre as linhas, o espaçamento entre as linhas deve ser grande o suficiente. Quando a distância entre os centros das linhas não é inferior a três vezes a largura da linha, 70% do campo elétrico pode ser interrompido por interferência mútua, que é o princípio de 3W.
c. Na situação em que as linhas de sinal de alta velocidade atendem ao requisito, a correspondência pode ser acessada ao terminal de junção para reduzir ou eliminar a reflexão e diminuir a diafonia.

Aplicação do Método de Projeto de Integridade do Sinal

No processo de projeto de PCB, muitas regras de projeto foram resumidas com base na teoria da integridade do sinal. Com referência a essas regras de projeto de PCB, a integridade do sinal pode ser melhor obtida. No processo de projeto de PCB, as informações de projeto devem ser conhecidas em detalhes, incluindo:
a. Posição do layout do componente, se há requisitos especiais em componentes com grande potência e dissipação de calor em componentes de chip.
b. Classificação dos sinais, taxa de velocidade, sentido de transmissão e requisito de correspondência de impedância.
c. Capacidade de condução do sinal, sinal chave e medidas de proteção.
d. Tipos de potência, terra, requisitos de limite de ruído de potência e aterramento, configuração do plano de potência e plano de aterramento e divisão.
e. Tipo e taxa de velocidade das linhas de clock, fonte das linhas de clock, direção, requisito de atraso do clock e requisito máximo de roteamento.


Recursos úteis:
• 3 Técnicas de Roteamento no Projeto de Circuito de Sinal de Alta Velocidade de PCB
• Método de Supressão de Reflexão de Sinal em Layout de PCB de Alta Velocidade
• Análise de Integridade de Sinal e Projeto de PCB em Alta Velocidade Circuito Misto Digital-Analógico
• Controle de Impedância de Vias e Sua Influência na Integridade do Sinal no Projeto de PCB
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