Метод подавления отражения сигнала в высокоскоростной разводке печатной платы

С грядущим развитием электронной науки и техники электронная система, состоящая из интегральных микросхем, быстро развивается в сторону больших, миниатюрных и высокоскоростных. Одновременно возникает проблема, заключающаяся в том, что уменьшение объема электронной системы приводит к увеличению плотности маршрутизации цепи, в то время как частота сигнала постоянно растет, а время прохождения фронта сигнала становится коротким. Когда задержка межсоединения сигналов превышает время передачи сигнала на 10%, сигнальные провода на плате будут отображать влияние линий передачи, что приведет к возникновению ряда проблем, таких как отражение сигнала и перекрестные помехи. Появление проблемы высокой скорости создает большие проблемы для проектирования аппаратных средств, и если некоторые конструкции, которые считаются правильными с точки зрения логики, не могут быть обработаны ненадлежащим образом, вся конструкция потерпит неудачу. Поэтому то, как решить проблемы высокоскоростных цепей, стало одним из важнейших элементов, определяющих успех системы.

Принципы отражения и его влияние

• Принципы отражения

Непосредственная причина отражения кроется в несовместимости импедансов линий передачи, что приводит к неполному поглощению энергии сигнала на терминале. Проблема отражения отражает качество сигнала одиночной сети, связанное с физическими свойствами пути прохождения сигнала одиночной сети и обратного пути. Обычно физические свойства трассировки печатной платы оказывают большое влияние на линии передачи, в основном включая материал трассировки, ширину трассировки, толщину трассировки, расстояние между другими плоскостями трассировки и плоскостями и диэлектрическую проницаемость соседнего материала. Когда сигналы передаются по одной сети, будет генерироваться переходное изменение импеданса соединительных линий. Если полное сопротивление соединения, воспринимаемое сигналами, остается неизменным, неискажение сохраняется. Если полное сопротивление соединения, ощущаемое сигналами, продолжает изменяться, искажение будет генерироваться отражением, возникающим в точке изменения. Сигнал отражения будет передаваться обратно к концу излучения сигналов и будет отражаться обратно до тех пор, пока он не уменьшится с уменьшением энергии. Наконец, напряжение и ток сигналов станут стабильными.

• Расчет отражения

Когда сигналы передаются вперед по линиям передачи, переходное сопротивление будет ощущаться в любое время. Если импеданс, ощущаемый сигналами, постоянен, он будет передаваться вперед нормально. Пока ощущаемый импеданс изменяется, отражение всегда будет вызываться независимо от причин. Значимым показателем, измеряющим величину отражения, является коэффициент отражения, указывающий соотношение между напряжением отражения и напряжением исходного сигнала. Коэффициент отражения можно определить по формуле .

В этой формуле Z₁ относится к импедансу после изменения, в то время как Z₀ импеданс до изменения. Предположим, характеристическое сопротивление трассировки печатной платы составляет 50 Ом. В процессе передачи встречается резистор сопротивлением 150 Ом и тогда коэффициент отражения равен (150-50)/(150+50)=1/2 (При этом влияние паразитной емкости и индуктивности не учитывается при резистор как идеальный чистый резистор). Этот результат указывает на то, что половина энергии исходного сигнала передается обратно на исходный терминал. Если напряжение сигналов передачи составляет 5 В, напряжение отражения составляет 2,5 В.

• Влияние отражения

1). Искажение сигнала, вызванное отражением

Если вывод не завершен правильно, сигнальный импульс с ведущего конца будет отражаться на приемном терминале. Когда отраженные сигналы достаточно сильны, суммированная форма сигнала может изменить логическое состояние, что приведет к непредвиденному эффекту, вызывающему искажение контура сигнала. Когда искажение становится настолько очевидным, могут быть вызваны многочисленные ошибки из-за неудачного проектирования. Между тем, сигналы с искажениями более чувствительны к шуму, что также может привести к сбою конструкции.

2). Перерегулирование и недорегулирование, вызванное отражением

Перерегулирование относится к тому факту, что первое пиковое значение или значение впадины превышает напряжение. Для переднего фронта это относится к тому факту, что первое пиковое значение превышает самое высокое напряжение, а для заднего фронта это относится к тому факту, что первое значение впадины превышает самое низкое напряжение. Преувеличенное перерегулирование может привести к повреждению защитных диодов, что приведет к преждевременному выходу из строя. Недорегулирование относится к тому факту, что следующее значение впадины или пиковое значение, возможно, будет генерировать ложные тактовые сигналы, что приведет к неправильному считыванию и записи в работе системы.

3). Осцилляция

Осцилляция также является симптомом, вызванным отражением. С тем же свойством, что и выброс, повторяющийся выброс и недорегулирование называется колебанием в пределах часового круга. Это результат того, что избыточная энергия, генерируемая при отражении, не успевает поглощаться цепями во времени.

Метод подавления отражений

К основным элементам, вызывающим отражение, относятся геометрическая форма трассы (ширина, длина, углы поворота), преобразование одной и той же плоскости трассировки сети, передача через разъем, разрыв между питанием и землей, неправильная топологическая структура и несовместимость конца сети. Основные методы подавления будут представлены в следующей части.

• Повышение частоты системы

Скорость преобразования фронта сигнала в возможных ситуациях снижена, чтобы отражение линий передачи достигло стабильного состояния до соединения сигнала с линией передачи. С одной стороны, должны быть соблюдены правила проектирования; с другой стороны, компоненты с низкой скоростью должны быть выбраны, чтобы избежать смешения между различными типами сигналов.

• Оптимизация обработки сигналов

Из-за строгих требований к временной последовательности компоненты и узлы, которые могут вызвать проблемы с высокой скоростью, должны быть определены заранее. Все виды требований, касающихся компоновки и маршрутизации компонентов, должны быть скорректированы, и, наконец, будет контролироваться расчетный показатель целостности сигнала. К основным методам обработки относятся:
1). Для уменьшения паразитных параметров сквозных отверстий применяются относительно тонкие платы текстолита.
2). Количество слоев должно быть соответствующим образом организовано. Средние слои должны быть полностью использованы для настройки экрана, чтобы лучше реализовать соседнее заземление, что эффективно уменьшит паразитную индуктивность, сократит длину передачи сигналов и значительно увеличит перекрестные помехи между сигналами.
3). Геометрическая форма сигнальных линий на печатной плате должна контролироваться с уменьшением витков и сведением к минимуму точек разрыва импеданса трассировки. В частности, для прокладки в высокочастотных цепях следует применять полностью прямые линии. Когда требуются повороты, можно применить пунктирную линию или дугу 45°, что уменьшит внешнее излучение высокочастотных сигналов и связь между высокочастотными сигналами.
4). Маршрутизация важных сигнальных линий должна быть организована в одной плоскости, чтобы уменьшить количество ненужных сквозных отверстий.
5). Должна быть обеспечена целостность плоскости, чтобы обеспечить путь оплавления с низким импедансом для сигнальных линий. Это направлено на уменьшение связи импеданса синфазного режима и шума переключателя синфазного сигнала, чтобы уменьшить или устранить проблемы с целостностью сигнала, связанные с системой электропитания.
6). Применение правильной топологической структуры маршрутизации.

Топологическая структура маршрутизации относится к последовательности маршрутизации и структуре сигнальной линии. В практических схемах всегда возникает ситуация, когда один источник возбуждения управляет несколькими нагрузками, а источник возбуждения и нагрузки соответствуют топологии структуры. Очевидно, что разные топологические структуры по-разному влияют на сигналы. Обычно при трассировке печатных плат применяются два типа базовых топологических структур:гирляндная цепочка и стартовая топология, показанная на рис. 1 ниже.

а. Гирляндная цепочка

Маршрутизация начинается с управляющего терминала и последовательно достигает каждого принимающего терминала. Если для изменения свойств сигнала применяется последовательный резистор, положение последовательного резистора должно быть близко к управляющей клемме. С точки зрения подавления помех высших гармоник гирляндная цепочка обеспечивает наилучший эффект маршрутизации. Однако этот тип маршрутизации характеризуется самой низкой маршрутизируемостью, менее 100%. В практических проектах длина ветвей в гирляндной цепи должна быть как можно короче. Пространство маршрутизации этой топологической структуры невелико, и для совместимости с оконечной нагрузкой можно использовать один резистор. Кроме того, этот тип структуры маршрутизации делает получение сигнала несинхронным на разных терминалах приема сигнала.

б. Звездообразная топология

Этот тип маршрутизации позволяет эффективно избежать несинхронизации тактовых сигналов, но его недостаток состоит в том, что для каждой ветви требуется терминальный резистор. Значение сопротивления оконечного резистора должно быть совместимо с линейным волновым сопротивлением. Для систем, в которых различные сигналы требуют одновременного приема на приемном терминале, наиболее подходящей является звездообразная топология.

• Способы завершения

Характеристическое сопротивление на пути передачи сигнала должно поддерживаться постоянным, то есть коэффициент отражения равен 0, что означает отсутствие отражения на пути передачи. Эта ситуация называется совместимостью импеданса. В это время сигналы передают идею земли на терминал. Как правило, длина линии передачи должна быть совместима с условиями .

В этом неравенстве L относится к длине линии передачи; т_р относится ко времени нарастания сигналов терминала источника; т_pd1 относится к задержке передачи нагрузки на каждой единице длины линий передачи. Когда интегрированный перенос уровня происходит до прихода отражения на дальний терминал, необходимо применять технологию согласования терминалов. Принципы терминального соединения линий электропередачи включают:если либо коэффициент отражения нагрузки, либо коэффициент отражения источника равен нулю, отражение будет устранено. Обычно применяются две стратегии:импеданс источника делается совместимым с импедансом линии передачи, то есть оконечная нагрузка источника, а импеданс нагрузки делается совместимым с импедансом линии передачи, то есть оконечной нагрузкой.

1). Завершение источника

Заделка источника — это в основном метод последовательной заделки, реализуемый путем подключения последовательного резистора к линиям передачи в местах, прилегающих к концу истока. Сумма значений сопротивления последовательного резистора и управляющего вывода должна быть равна значению сопротивления линий передачи. Принцип последовательной заделки заключается в устранении отраженного напряжения от клеммы нагрузки для прекращения вторичного отражения линий передачи, что показано на рисунке 2.

2). Завершить прекращение

Основной принцип оконечной нагрузки заключается в добавлении подтягивающего или подтягивающего резистора к позициям соседних клемм нагрузки для обеспечения согласования импедансов. Оконечная заделка обычно может быть разделена на параллельную заделку с одним резистором, заделку RC, заделку Thevenin и заделку с диодом Шоттки, как показано на рисунке 3.

Величина сопротивления при параллельном соединении с одним резистором равна полному сопротивлению линий передачи. Значения двух резисторов в терминаторе Thevenin должны соответствовать формуле:Z₀ =R₁ Р₂ /(R₁ +R₂ ). Величина емкости в RC-цепочке определяется по формуле:C=3T/Z₀ в котором T относится ко времени нарастания сигналов, а Z₀ относится к импедансу линий передачи.

С точки зрения проектирования системы в первую очередь следует выбрать параллельную заделку, поскольку она обеспечивает наибольшую возможность снижения шума, электромагнитных и радиочастотных помех по сравнению с тремя другими методами заделки. В соответствии с практическими обстоятельствами выбирается подходящий метод завершения и, при необходимости, должен быть реализован дизайн моделирования.

Заключение

При проектировании высокоскоростных печатных плат успешными предпосылками являются разумная компоновка и трассировка, избежание ненужных поворотов и сквозных переходных отверстий, непрерывность импеданса, интегрированные опорные плоскости сигналов и отличное заземление. Чтобы оптимизировать конструкцию и целостность сигналов, а также добиться более высокой электромагнитной совместимости, необходимо выполнить проверку моделирования конструкции. Это помогает разработчикам вовремя устранять дефекты конструкции и устранять недостатки в конструкции печатной платы.

Полезные ресурсы
• Советы по быстродействующей компоновке
• Проблемы целостности сигнала при проектировании высокоскоростных печатных плат и их решения
• Анализ целостности сигнала и проектирование печатных плат в высокоскоростной цифро-аналоговой смешанной схеме
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart — множество дополнительных опций
• Расширенная услуга по сборке печатных плат от PCBCart — от 1 шт.