Оптимизация высокоскоростного проектирования печатных плат: решение проблем целостности сигнала

Постоянный прогресс электронных технологий, увеличивающаяся высокая частота тактов в цифровой системе, все более короткое время фронта нарастания, печатная система стала системной структурой с высокой производительностью, гораздо большей, чем просто платформа, поддерживающая компоненты. С точки зрения электрической характеристики, взаимосвязь между высокоскоростными сигналами больше не является ускоренной или прозрачной, и влияние взаимосвязи между выводами на высокоскоростной печатной плате и свойств плоскости платы не может быть пренебрежено больше. Успешное решение проблем целостности сигнала, включая отражение, перекрестные помехи, задержку, вызов и согласование импеданса, вызванные высокоскоростной взаимосвязью сигналов, и обеспечение качества передачи сигналов определяет успех проектирования.

Базовая теория целостности сигнала печатных плат

• Высокоскоростная схема и ее принцип определения

Определяющий термин высокоскоростной схемы в основном приходит в двух версиях. С одной стороны, в схеме, когда задержка цифровых сигналов на линиях передачи более 20% времени фронта нарастания, эта схема может рассматриваться как высокоскоростная схема. С другой стороны, в схеме, когда частота цифровой аналоговой схемы достигает или превышает 45–50 МГц, схема рассматривается как высокоскоростная схема.

В основном, если L (длина выводов) больше Tᵣ, схема рассматривается как высокоскоростная схема; если L меньше Tᵣ, схема рассматривается как низкоскоростная схема. Здесь Tᵣ относится к времени фронта нарастания импульса.

• Скорость передачи сигнала и время фронта нарастания импульса

Скорость передачи сигнала в воздухе составляет 3 × 10⁸ м/с; диэлектрическая постоянная FR4, которая является материалом печатной платы, отображается как εᵣ, которая равна 4. Скорость передачи сигнала в печатной плате может быть рассчитана с использованием Формулы .

V_p равно 15 см/нс, что приблизительно 6 дюйм/нс. Время фронта нарастания импульса Tᵣ = 1/(10 × f_clk), и время фронта нарастания сигнала 100 МГц составляет 1 нс. Когда задержка сигналов на трассировке печатной платы более 20% времени фронта нарастания, явное звон на сигналах произойдет. Для прямоугольной волны, время нарастания которой 1 нс (100 МГц), когда длина трассировки печатной платы более 0,2 нс × 6 = 1,2 дюйма, серьезное звон произойдет на сигналах. Следовательно, критическая длина составляет 1,2 дюйма (приблизительно 3 см).

• Характеристический импеданс

Характеристический импеданс — важный параметр в согласовании импеданса, который влияет на отражение, звон, пере- и под-стрел и напрямую связан с целостностью высокоскоростной передачи сигналов, что очень важно в высокоскоростном проектировании.

Сигналы передаются вдоль линий передачи, чье отношение между напряжением и током рассматривается как переходный импеданс. Переходный импеданс на линиях передачи рассчитывается по Формуле . В этой формуле C_l относится к емкости на каждую единицу длины, единица которой пФ/дюйм (обычно 3,3 пФ/дюйм). Когда переходный импеданс вдоль линий передачи является постоянным значением, это значение рассматривается как характеристический импеданс на линиях передачи. Для микроленточных линий и ленточных линий на печатных платах, их характеристический импеданс может быть вычислен инструментом проектирования линий передачи Polar Si9000, который показан на Рисунке 1.

Элементы, влияющие на целостность сигнала, и решения

• Согласование импеданса

Согласование импеданса требуется в высокоскоростном проектировании схем для обеспечения быстрой и правильной передачи данных. Система накопления данных в общем состоит из датчика, прибора сигнального кондиционирования, чипа накопления данных АЦП, ПЛИС и SDRAM, как показано на Рисунке 2.

AD9649 применяется как чип АЦП с питанием 1,8 В и параллельной выборкой 14-битной линией данных. Частота выборки установлена в 20 М. PCI9054 выбран как чип интерфейса PCI, поддерживающий DMA передачу данных. 93LC66B выбран как чип конфигурации PCI. HY57V561620FTP-H применяется как хранилище данных, состоящее из 4 банков, каждый из которых имеет память 4М × 16 бит, 13 линий адреса строк и 9 линий адреса столбцов. EP1C6F256C8 выбран ПЛИС с терминальным напряжением 3,3 В и напряжением ядра 1,5 В. Ширина шины PCI составляет 32 бита с тактом 33 МГц, выбранным как такт записи и чтения, а максимальная скорость проводки и чтения достигает 132 МБайт в секунду, способная поддерживать высокоскоростную передачу накопленных данных.

Следующие элементы должны быть приняты во внимание в процессе проектирования печатных плат:

а. Как смешивающая часть цифровой и аналоговой, АЦП является одной из ключевых точек в проектировании печатных плат. Благодаря высокой частоте цифровой части, аналоговая часть довольно чувствительна к помехам. Если подходящая обработка не реализована, цифровые сигналы будут склонны мешать аналоговым сигналам, так что проблемы EMI произойдут. Правильные принципы, которым проектировщики должны следовать: во-первых, цифровое заземление и аналоговое заземление 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, аналоговое заземление и цифровое заземление соединяются ферритовыми бусинами вокруг разделения области. Эти меры способны реализовать разделение между цифровым заземлением и аналоговым заземлением.

б. SDRAM применяется в системе накопления данных, и руководство четко указывает, что линии данных, подключенные к ПЛИС, должны быть сконфигурированы с согласованием импеданса 50 Ом для обеспечения высокоскоростной передачи, как показано на Рисунке 3.

После того как ПЛИС записывает накопленные данные в SDRAM, обновление должно постоянно выполняться для поддержания данных, и период обновления каждой строки должен быть быстрее 64 миллисекунд.

Шаги согласования импеданса программным обеспечением Polar Si9000 отображены как следующие:

а. Высокоскоростные сигнальные линии должны пересекать верхнюю поверхность печатной платы, и отверстия должны быть избегаемы насколько возможно. Модель структуры микроленточной линии выбирается в программном обеспечении, как показано на Рисунке 4.

Согласование импеданса 50 Ом обычно выполняется при однополюсной трассировке, а согласование импеданса 90 Ом обычно выполняется при дифференциальной трассировке (например, USB 2.0 D+, D-).

б. Необходимое значение согласования импеданса и конкретные значения технологии производства печатных плат заполняются в интерфейсе программного обеспечения с параметрами, включая толщину диэлектрика, диэлектрическую постоянную материала печатной платы, толщину медной фольги, толщину зеленого масла и диэлектрическую постоянную зеленого масла.

Пункт	Описание	Эталонное и расчетное значение
H1	Толщина диэлектрика (препрег или материал платы)	3,5–8,5 мил
Er1	Диэлектрическая постоянная материала платы	4–4,6
W1	Ширина трассировки сигнала	На основе значения импеданса
C1	Толщина зеленого масла материала субстрата	0,8 мил
C2	Толщина зеленого масла на меди	0,5 мил
CEr	Диэлектрическая постоянная зеленого масла	3,3
Zo	Значение импеданса для согласования	Однополюсное: 50 Ом Дифференциальное: 90 Ом

Конкретные параметры технологии производства могут быть известны через общение с производителем печатных плат, так что ширина выводов может быть вычислена. Для дифференциальных микроленточных линий расстояние между выводами (S1) также должно быть вычислено.

в. Если рассчитанная ширина выводов относительно большая и трассировка печатной платы не может быть завершена, больше общения должно быть произведено с производителями печатных плат для регулировки параметров в технологии производства с выполнением требований проектирования.

• Перекрестные помехи

Перекрестные помехи относятся к неожиданному напряжению шумовых помех на смежных линиях передачи в результате электромагнитного сопряжения, когда сигналы передаются по линиям передачи. Слишком много перекрестных помех может привести к ложному срабатыванию цепи, так что система не может нормально работать. Перекрестные помехи генерируются электромагнитным сопряжением, и сопряжение делится на емкостное и индуктивное. Первое на самом деле является электромагнитными помехами, возбуждаемыми индуктивным током, вызванным в результате изменения напряжения в источнике помех, в то время как второе на самом деле является электромагнитными помехами, возбуждаемыми индуктивным напряжением, вызванным в результате изменения тока в источнике помех. Поскольку состояние источника помех меняется, серия импульсов помех будет генерироваться на подверженных помехам объектах, что очень распространено в высокоскоростных системах.

Меры борьбы с перекрестными помехами отображены как следующие:
а. Ортогональность должна быть сохранена в направлениях трассировки между смежными плоскостями. То же направление должно быть избегнуто в смежных плоскостях с разными сигнальными линиями для уменьшения перекрестных помех. Особенно когда скорость сигнала относительно высока, заземление должно быть рассмотрено для разделения плоскостей трассировки, и сигнальные линии должны быть разделены заземляющими сигнальными линиями.
б. Чтобы уменьшить перекрестные помехи между линиями, интервал между линиями должен 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.
в. В ситуации, где высокоскоростные сигнальные линии соответствуют требованию, согласование может быть доступно к соединительному терминалу для уменьшения или устранения отражения и уменьшения перекрестных помех.

Применение метода проектирования целостности сигнала

В процессе проектирования печатных плат, множество правил проектирования были суммированы на основе теории целостности сигнала. Ссылаясь на эти правила проектирования печатных плат, целостность сигнала может быть получена лучше. В процессе проектирования печатных плат, информация о проектировании должна быть известна в деталях, включая:
а. Позицию компоновки компонентов, есть ли специальные требования к компонентам с большой мощностью и теплоотводом на чип-компонентах.
б. Классификацию сигналов, скорость, направление передачи и требование согласования импеданса.
в. Емкость управления сигналом, ключевой сигнал и меры защиты.
г. Типы питания, заземления, предел шума питания и заземления, настройка плоскости питания и заземления и разделение.
д. Тип и скорость тактовых линий, источник тактовых линий, направление, требование задержки тактовых и максимальное требование трассировки.

Полезные ресурсы:
• 3 метода трассировки на проектировании высокоскоростных сигнальных цепей печатных плат
• Метод подавления отражения сигнала в компоновке высокоскоростных печатных плат
• Анализ целостности сигнала и проектирование печатных плат на высокоскоростных смешанных цифрово-аналоговых схемах
• Контроль импеданса виа и его влияние на целостность сигнала в проектировании печатных плат
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множество ценностных опций
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart — от 1 штуки