Проблемы проектирования высокоскоростных печатных плат, связанные с целостностью сигнала, и их решения

Благодаря постоянному прогрессу электронных технологий, повышению высокой частоты часов в цифровой системе, все более короткому времени нарастания, система печатных плат стала системной структурой с высокой производительностью, намного больше, чем просто платформа, поддерживающая компоненты. С точки зрения электрических характеристик взаимосвязь между высокоскоростными сигналами больше не является быстрой или прозрачной, и больше нельзя игнорировать влияние взаимосвязи между выводами на свойства высокоскоростной печатной платы и платы. Успешно справляться с проблемами целостности сигнала, включая отражение, перекрестные помехи, задержку, вызовы и согласование импеданса, вызванными высокоскоростным соединением сигналов, и гарантировать, что качество передачи сигнала определяет успех проекта.

Основы теории целостности сигнала печатной платы

• Скоростная цепь и принцип ее определения

Определяющий термин высокоскоростной цепи встречается в основном в двух версиях. С одной стороны, в цепи, когда задержка цифровых сигналов на линиях передачи составляет более 20% времени нарастания фронта, эту цепь можно рассматривать как быстродействующую. С другой стороны, в цепи, когда частота цифровой аналоговой цепи достигает или превышает от 45 МГц до 50 МГц, цепь рассматривается как высокоскоростная цепь.

В основном, если L (длина отведений) больше, чем T_r , цепь рассматривается как высокоскоростная; если L меньше T_r , цепь рассматривается как низкоскоростная цепь. Здесь T_r относится ко времени переднего фронта импульса.

• Скорость передачи сигнала и время нарастания импульса

Скорость передачи сигнала в эфире 3 x 10 ⁸ РС; диэлектрическая проницаемость FR4, из которого изготовлена ​​печатная плата, отображается как ε_r то есть 4. Скорость передачи сигнала в печатной плате можно рассчитать по формуле .

В_р равно 15 см/нс, что примерно равно 6 дюймов/нс. Время переднего фронта импульса T_r =1/(10 x f_clk ), а время нарастания сигнала 100 МГц составляет 1 нс. Когда задержка сигналов на трассировке печатной платы составляет более 20% времени переднего фронта, на сигналах будет иметь место очевидный вызов. Для прямоугольной волны, время нарастания которой составляет 1 нс (100 МГц), когда длина разводки печатной платы превышает 0,2 нс x 6 =1,2 дюйма, на сигналах будут возникать серьезные вызовы. Таким образом, критическая длина составляет 1,2 дюйма (приблизительно 3 см).

• Волновое сопротивление

Характеристический импеданс является важным параметром согласования импеданса, который влияет на отражение, вызов, верхний и нижний удары и напрямую связан с целостностью высокоскоростной передачи сигнала, что очень важно в высокоскоростном дизайне.

Сигналы передаются по линиям передачи, соотношение между напряжением и током которых рассматривается как переходное сопротивление. Переходный импеданс на линиях передачи рассчитывается по формуле . В этой формуле C_l относится к емкости на каждую единицу длины, единицей измерения которой является пФ/дюйм (обычно это 3,3 пФ/дюйм). Когда переходный импеданс вдоль линий передачи является постоянным значением, это значение считается характеристическим полным сопротивлением на линиях передачи. Характеристическое сопротивление микрополосковых и полосковых линий на печатной плате можно определить с помощью инструмента проектирования линий передачи Polar Si9000, показанного на рис. 1.

Элементы, влияющие на целостность сигнала и решения

• Согласование импеданса

Согласование импеданса требуется в высокоскоростных схемах для обеспечения быстрой и правильной передачи данных. Система накопления данных обычно состоит из датчика, устройства формирования сигнала, микросхемы накопления данных AD, FPGA и SDRAM, как показано на рисунке 2.

AD9649 применяется в качестве AD-микросхемы с питанием 1,8 В и параллельной выборкой по 14-битной линии данных. Частота выборки установлена ​​равной 20M. PCI9054 используется как микросхема интерфейса PCI, поддерживающая передачу данных по DMA. 93LC66B выбран как микросхема, сконфигурированная для PCI. HY57V561620FTP-H применяется в качестве хранилища данных, состоящего из 4 БАНКОВ, каждый из которых имеет пространство памяти 4M x 16 бит, 13-строчные адресные строки и 9-столбцовые адресные строки. EP1C6F256C8 выбран FPGA с напряжением на клеммах 3,3 В и напряжением ядра 1,5 В. Ширина шины PCI составляет 32 бита с тактовой частотой 33 МГц, используемой для записи и чтения, а максимальная скорость подключения и чтения достигает 132 МБ в секунду, что позволяет поддерживать высокоскоростную передачу накопленных данных.

В процессе проектирования печатных плат необходимо учитывать следующие элементы:

а. Как часть смешения цифровых и аналоговых сигналов, AD является одним из ключевых моментов при проектировании печатных плат. Из-за высокой частоты цифровой части аналоговая часть весьма чувствительна к помехам. Если соответствующая обработка не реализована, цифровые сигналы будут иметь тенденцию мешать аналоговым сигналам, так что возникнут проблемы с электромагнитными помехами. Разработчики должны следовать правильным принципам:во-первых, цифровая земля и аналоговая земля должны быть разделены на печатной плате со смешанными сигналами; во-вторых, аналоговые и цифровые электронные компоненты классифицируются с аналоговым заземлением, распределенным в аналоговой области, и цифровым заземлением, распределенным в цифровой области; в-третьих, аналоговая земля и цифровая земля связаны с магнитными шариками вокруг сегментации области. Эти меры позволяют реализовать разделение между цифровым заземлением и аналоговым заземлением.

б. SDRAM применяется в системе накопления данных, и в руководстве четко указано, что линии данных, подключенные к FPGA, должны быть сконфигурированы с согласованием импеданса 50 Ом, чтобы обеспечить высокоскоростную передачу, что показано на рисунке 3.

После того, как FPGA записывает накопленные данные в SDRAM, необходимо постоянно выполнять обновление для сохранения данных, а период обновления каждой строки должен быть меньше 64 миллисекунд.

Шаги согласования импеданса с помощью программного обеспечения Polar Si9000 отображаются следующим образом:

а. Высокоскоростные сигнальные линии должны пересекать верхнюю поверхность печатной платы, а отверстий следует по возможности избегать. Модель структуры микрополосковой линии берется в программе, как показано на рисунке 4.

Согласование импеданса 50 Ом обычно выполняется при одноконтактной маршрутизации, а согласование импеданса 90 Ом обычно выполняется при дифференциальной маршрутизации (например, USB2.0 D+, D-).

б. Необходимое значение согласования импеданса и конкретные значения технологии изготовления печатной платы заполняются в программном интерфейсе параметрами, включающими толщину диэлектрической проницаемости, диэлектрическую проницаемость материала печатной платы, толщину медной фольги, толщину сырого масла и диэлектрическую проницаемость сырого масла.

Предмет	Описание	Справочное и расчетное значение
H1	Толщина диэлектрика (полипропилен или материал платы)	3,5–8,5 мил
Er1	Диэлектрическая проницаемость материала платы	4–4.6
W1	Ширина маршрутизации сигнала	На основе значения импеданса
C1	Толщина зеленого иола материала подложки	0,8 мил
C2	Толщина зеленого масла на меди	0,5 мил
CEr	Диэлектрическая проницаемость зеленого масла	3.3
Зо	Значение импеданса, которое необходимо согласовать	Одиночный терминал:50 Ом Дифференциальный:90 Ом

Конкретные параметры технологии изготовления могут быть известны благодаря общению с производителем печатных плат, чтобы можно было определить ширину выводов. Для дифференциальных микрополосковых линий также необходимо вычислить расстояние между выводами (S1).

в. Если расчетная ширина выводов относительно велика, а трассировка печатной платы не может быть завершена, необходимо установить дополнительные контакты с производителями печатных плат, чтобы скорректировать параметры технологии изготовления с соблюдением проектных требований.

• Перекрёстные помехи

Перекрёстные помехи — это неожиданные шумовые помехи напряжения на соседних линиях передачи в результате электромагнитной связи, когда сигналы передаются по линиям передачи. Слишком большие перекрестные помехи могут привести к ложному срабатыванию схемы, в результате чего система не сможет нормально работать. Перекрестные помехи генерируются электромагнитной связью, а связь делится на емкостную связь и индуктивную связь. Первые на самом деле являются электромагнитными помехами, вызванными индуктивным током, вызванным изменением напряжения в источнике помех, а вторые фактически являются электромагнитными помехами, вызванными индуктивным напряжением, вызванным изменением тока в источнике помех. При изменении состояния источника помех на объектах, на которые воздействуют помехи, будет генерироваться серия импульсов помех, что очень часто встречается в высокоскоростных системах.

Меры по устранению перекрестных помех отображаются следующим образом:
a. Следует сохранять ортогональность направлений маршрутизации между соседними плоскостями. Следует избегать одинакового направления в соседних плоскостях с разными сигнальными линиями, чтобы уменьшить перекрестные помехи. В особенности, когда скорость передачи сигнала относительно высока, следует рассматривать землю для разделения плоскостей маршрутизации, а сигнальные линии должны быть разделены наземными сигнальными линиями.
b. Чтобы уменьшить перекрестные помехи между строками, расстояние между строками должно быть достаточно большим. Когда расстояние между центрами линий не менее трехкратной ширины линии, 70% электрического поля может быть остановлено от взаимных помех, что является принципом 3W.
c. В ситуации, когда высокоскоростные сигнальные линии соответствуют требованиям, можно получить доступ к согласованию с соединительным терминалом, чтобы уменьшить или устранить отражение и уменьшить перекрестные помехи.

Применение метода проектирования целостности сигнала

В процессе проектирования печатных плат было обобщено множество правил проектирования, основанных на теории целостности сигналов. Со ссылкой на эти правила проектирования печатных плат целостность сигнала может быть достигнута лучше. В процессе проектирования печатной платы необходимо подробно знать проектную информацию, в том числе:
a. Положение компоновки компонентов, есть ли особые требования к компонентам с большой мощностью и тепловыделением на компонентах чипа.
b. Классификация сигналов, скорость передачи, направление передачи и требование соответствия импеданса.
c. Мощность сигнала, ключевой сигнал и меры защиты.
d. Типы питания, заземление, требования к предельным значениям шума для питания и заземления, настройка уровней питания и заземления, а также разделение.
e. Тип и скорость тактовых линий, источник тактовых линий, направление, требования к задержке тактовых импульсов и максимальные требования к маршрутизации.

Полезные ресурсы:
• 3 метода разводки на печатной плате для проектирования высокоскоростной сигнальной цепи
• Метод подавления отражения сигнала при разводке высокоскоростной печатной платы
• Анализ целостности сигнала и проектирование печатной платы для высокоскоростной схемы Цифро-аналоговая смешанная схема
• Контроль импеданса переходных отверстий и его влияние на целостность сигнала при проектировании печатных плат
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart — множество дополнительных опций
• Расширенная услуга по сборке печатных плат от PCBCart - Начните с 1 штуки