Unterdrückungsmethode der Signalreflexion im Hochgeschwindigkeits-PCB-Layout

Mit der bevorstehenden Entwicklung der elektronischen Wissenschaft und Technologie entwickelt sich das aus IC-Chips bestehende elektronische System schnell in Richtung Großmaßstab, Miniatur und Hochgeschwindigkeit. Gleichzeitig tritt auch das Problem auf, dass das Schrumpfen des Volumens des elektronischen Systems zu einer Vergrößerung der Leitungsführungsdichte der Schaltung führt, während die Signalfrequenz konstant ansteigt und die Flankenwechselzeit des Signals kurz wird. Wenn die Verbindungsverzögerung von Signalen um 10 % größer als die Signalumwandlungszeit ist, zeigen Signalleitungen an Bord den Effekt von Übertragungsleitungen, wodurch eine Reihe von Problemen wie Signalreflexion und Übersprechen zunehmend hervortreten. Das Aufkommen von Hochgeschwindigkeitsproblemen stellt das Hardwaredesign vor größere Herausforderungen, und wenn einige Designs, die aus logischer Sicht als korrekt angesehen werden, nicht in geeigneter Weise verarbeitet werden, wird das gesamte Design versagen. Daher ist die Lösung der Probleme von Hochgeschwindigkeitsschaltungen zu einem der wesentlichen Elemente geworden, die den Erfolg des Systems bestimmen.

Prinzipien der Reflexion und ihr Einfluss

• Reflexionsprinzipien

Der direkte Grund für die Reflexion liegt in der Inkompatibilität der Impedanz von Übertragungsleitungen, die zu einer unvollständigen Absorption der Signalenergie am Endgerät führt. Das Reflexionsproblem spiegelt die Signalqualität des einzelnen Netzwerks wider, das mit den physikalischen Eigenschaften des Signalpfads des einzelnen Netzwerks und des Rückpfads zusammenhängt. Normalerweise haben physikalische Eigenschaften des PCB-Routings großen Einfluss auf Übertragungsleitungen, hauptsächlich einschließlich Routing-Material, Routing-Breite, Routing-Dicke, Abstand zwischen anderen Routing-Ebenen und -Ebenen und Dielektrizitätskonstante des angrenzenden Materials. Wenn Signale über ein einzelnes Netzwerk übertragen werden, wird eine transiente Impedanzänderung der Verbindungsleitungen erzeugt. Wenn die von den Signalen wahrgenommene Verbindungsimpedanz unverändert bleibt, wird die Verzerrungsfreiheit aufrechterhalten. Wenn sich die von den Signalen gefühlte Verbindungsimpedanz ständig ändert, wird eine Verzerrung erzeugt, wobei eine Reflexion am Änderungspunkt erzeugt wird. Das Reflexionssignal wird zurück zum Emissionsende der Signale übertragen und erneut zurückreflektiert, bis es mit der Verringerung der Energie schrumpft. Schließlich werden Spannung und Strom der Signale stabil.

• Reflexionsberechnung

Wenn Signale entlang Übertragungsleitungen vorwärts übertragen werden, ist jederzeit eine transiente Impedanz zu spüren. Wenn die von den Signalen wahrgenommene Impedanz konstant ist, wird sie normal weitergeleitet. Solange sich die gefühlte Impedanz ändert, wird unabhängig von den Ursachen immer eine Reflexion verursacht. Der signifikante Index, der den Reflexionsbetrag misst, ist der Reflexionskoeffizient, der das Verhältnis zwischen der Reflexionsspannung und der ursprünglichen Signalspannung angibt. Reflexionsgrad kann nach Formel definiert werden .

In dieser Formel Z₁ bezieht sich auf die Impedanz nach Änderung während Z₀ die Impedanz vor Änderung. Angenommen, die charakteristische Impedanz der Leiterplattenführung beträgt 50 Ω. Bei der Übertragung wird ein Widerstand von 150 Ω angetroffen, und dann beträgt der Reflexionskoeffizient (150-50)/(150+50)=1/2 (In diesem Fall wird der Einfluss von parasitärer Kapazität und Induktivität nicht berücksichtigt Widerstand als idealer reiner Widerstand). Dieses Ergebnis zeigt an, dass die Hälfte der Energie des ursprünglichen Signals zurück zum Quellenanschluss übertragen wird. Wenn die Spannung der Sendesignale 5 V beträgt, beträgt die Reflexionsspannung 2,5 V.

• Einfluss der Reflexion

1). Signalverzerrung durch Reflexion

Wenn eine Leitung nicht korrekt abgeschlossen ist, wird der Signalimpuls vom Antriebsende am Empfangsanschluss reflektiert. Wenn die reflektierten Signale ziemlich stark sind, ändert die gestapelte Wellenform möglicherweise den logischen Zustand, was zu unerwarteten Effekten führt und eine Verzerrung des Signalumrisses verursacht. Wenn die Verzerrung so offensichtlich wird, werden möglicherweise zahlreiche Fehler verursacht, wenn das Design fehlschlägt. Unterdessen sind Signale mit Verzerrungen empfindlicher gegenüber Rauschen, was ebenfalls zu Konstruktionsfehlern führen kann.

2). Über- und Unterschwingen durch Reflexion

Überschwingen bezieht sich auf die Tatsache, dass der erste Spitzenwert oder Talwert die Spannung übersteigt. Bei steigender Flanke bezieht es sich auf die Tatsache, dass der erste Spitzenwert die höchste Spannung überschreitet, während es sich bei fallender Flanke auf die Tatsache bezieht, dass der erste Talwert die niedrigste Spannung überschreitet. Übertriebenes Überschwingen zerstört möglicherweise Schutzdioden und führt zu einem vorzeitigen Ausfall. Unterschreitung bezieht sich auf die Tatsache, dass der nächste Talwert oder Spitzenwert möglicherweise falsche Taktsignale erzeugt, was zu einem Fehllesen und Fehlschreiben des Betriebs des Systems führt.

3). Oszillation

Oszillation ist auch ein Symptom, das durch Reflexion verursacht wird. Bei gleicher Eigenschaft beim Überschwingen wird das sich wiederholende Über- und Unterschwingen als Oszillation innerhalb eines Taktkreises bezeichnet. Dies ist das Ergebnis der Tatsache, dass durch Reflexion erzeugte redundante Energie nicht rechtzeitig in Schaltkreisen absorbiert wird.

Reflexionsunterdrückungsmethode

Zu den Hauptelementen, die Reflexionen verursachen, gehören die geometrische Form des Routings (Breite, Länge, Kurvenwinkel), die Konvertierung derselben Netzwerkroutingebene, die Übertragung über den Stecker, die Diskontinuität zwischen Strom und Erde, die falsche topologische Struktur und die Inkompatibilität des Netzwerkendes. Die wichtigsten Unterdrückungsmethoden werden im folgenden Teil vorgestellt.

• Eskalation der Systemfrequenz

Die Transformationsrate der Signalflanke wird in möglichen Situationen verringert, so dass die Reflexion von Übertragungsleitungen den stabilen Zustand vor der Verbindung zwischen einem Signal und einer Übertragungsleitung erreicht. Einerseits müssen Gestaltungsvorschriften eingehalten werden; Andererseits sollten Komponenten mit langsamer Geschwindigkeit aufgenommen werden, um eine Mischung zwischen verschiedenen Arten von Signalen zu vermeiden.

• Optimierung der Signalverarbeitung

Aufgrund strenger Anforderungen an die zeitliche Abfolge müssen Komponenten und Knoten, die Hochgeschwindigkeitsprobleme verursachen können, im Voraus bestimmt werden. Allerlei Anforderungen bezüglich Komponentenlayout und Routing müssen angepasst und der Designindex der Signalintegrität final kontrolliert werden. Zu den wichtigsten Verarbeitungsmethoden gehören:
1). Es werden relativ dünne Leiterplatten verwendet, um parasitäre Parameter von Durchgangslöchern zu verringern.
2). Die Anzahl der Schichten sollte geeignet angeordnet werden. Mittlere Schichten sollten vollständig genutzt werden, um die Abschirmung so einzurichten, dass benachbarte Erdungen besser implementiert werden können, wodurch die parasitäre Induktivität effektiv reduziert, die Übertragungslänge von Signalen verkürzt und das Übersprechen zwischen Signalen stark eskaliert wird.
3). Die geometrische Form der Signalleitungen auf der Leiterplatte sollte mit reduzierten Windungen und minimierten Impedanzunstetigkeitspunkten des Routings kontrolliert werden. Besonders für die Verlegung in Hochfrequenzschaltungen sollten absolut gerade Linien verwendet werden. Wenn Kurven erforderlich sind, können unterbrochene Linien oder ein Bogen von 45° angewendet werden, wodurch die externe Strahlung von Hochfrequenzsignalen und die Kopplung zwischen Hochfrequenzsignalen verringert wird.
4). Wichtige Signalleitungen sollten in einer Ebene verlegt werden, um unnötige Durchgangslöcher zu reduzieren.
5). Die Ebenenintegrität sollte sichergestellt werden, um einen Reflow-Pfad mit niedriger Impedanz für Signalleitungen bereitzustellen. Dies zielt darauf ab, die Gleichtaktimpedanzkopplung und das Gleichtaktschalterrauschen zu reduzieren, um Signalintegritätsprobleme im Zusammenhang mit dem Stromversorgungssystem zu verringern oder zu beseitigen.
6). Anwendung der korrekten topologischen Struktur des Routings.

Die topologische Struktur des Routings bezieht sich auf die Routing-Reihenfolge und den Aufbau einer Signalleitung. In praktischen Schaltungen gibt es immer eine Situation, in der eine einzelne Antriebsquelle mehrere Lasten antreibt und die Antriebsquelle und die Lasten der Topologie der Struktur entsprechen. Unterschiedliche topologische Strukturen haben offensichtlich unterschiedlichen Einfluss auf Signale. Normalerweise werden beim PCB-Routing zwei Arten grundlegender topologischer Strukturen angewendet, nämlich Daisy-Chain- und Start-Shape-Topologie, die in Abbildung 1 unten gezeigt wird.

a. Daisy-Chain

Das Routing beginnt am Fahrterminal und kommt nacheinander an jedem Empfangsterminal an. Wenn ein Reihenwiderstand angelegt wird, um die Signaleigenschaften zu ändern, sollte sich die Position des Reihenwiderstands in unmittelbarer Nähe des Treiberanschlusses befinden. In Bezug auf die Kontrolle von Interferenzen mit höheren Harmonischen bietet Daisy Chain den besten Routing-Effekt. Diese Art des Routings weist jedoch mit weniger als 100 % die niedrigste Routing-Fähigkeit auf. In praktischen Designs sollte die Verzweigungslänge in der Daisy-Chain so kurz wie möglich sein. Der Routing-Raum dieser topologischen Struktur ist klein und ein einzelner Widerstand kann zur Kompatibilität mit der Terminierung angewendet werden. Darüber hinaus sorgt diese Art von Routing-Struktur dafür, dass der Signalempfang an verschiedenen Signalempfangsterminals asynchron ist.

b. Sternförmige Topologie

Diese Art des Routings ist in der Lage, eine Nichtsynchronisierung von Taktsignalen effektiv zu vermeiden, weist jedoch den Nachteil auf, dass für jeden Zweig ein Abschlusswiderstand erforderlich ist. Der Widerstandswert des Abschlusswiderstands sollte mit der charakteristischen Inline-Impedanz kompatibel sein. Für Systeme, deren unterschiedliche Signale gleichzeitig am Empfangsterminal benötigt werden, ist die sternförmige Topologie am besten geeignet.

• Kündigungsmethoden

Die charakteristische Impedanz auf dem Signalübertragungsweg sollte konstant gehalten werden, d. h. der Reflexionskoeffizient ist 0, was bedeutet, dass auf dem Übertragungsweg keine Reflexion erfolgt. Diese Situation wird als Impedanzkompatibilität bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt übertragen Signale die Ideenerde zum Terminal. Üblicherweise sollte die Länge der Übertragungsleitung mit der Bedingung kompatibel sein .

In dieser Ungleichung bezieht sich L auf die Länge der Übertragungsleitung; t_r bezieht sich auf die Anstiegszeit von Source-Terminal-Signalen; t_pd1 bezieht sich auf die Lastübertragungsverzögerung bei jeder Längeneinheit auf Übertragungsleitungen. Wenn die integrierte Pegelübertragung stattfindet, bevor die Reflexion am entfernten Endgerät ankommt, muss eine Endgeräteanpassungstechnologie angewendet werden. Zu den Anschlussverbindungsprinzipien von Übertragungsleitungen gehören:Wenn entweder der Lastreflexionskoeffizient oder der Quellenreflexionskoeffizient Null ist, wird die Reflexion eliminiert. Üblicherweise werden zwei Strategien angewendet:Die Quellenimpedanz wird mit der Übertragungsleitungsimpedanz kompatibel gemacht, dh der Quellenabschluss, während die Lastimpedanz mit der Übertragungsleitungsimpedanz kompatibel gemacht wird, dh der Endabschluss.

1). Quellterminierung

Der Source-Abschluss ist hauptsächlich ein Reihenabschlussverfahren, das implementiert wird, indem ein Reihenwiderstand in Übertragungsleitungen an Positionen neben dem nahen Source-Ende gesteckt wird. Die Summe des Widerstandswerts des Reihenwiderstands und des Treiberanschlusses sollte gleich dem Widerstandswert der Übertragungsleitungen sein. Das Prinzip des Reihenabschlusses besteht darin, die reflektierte Spannung vom Lastanschluss zu eliminieren, um die zweite Reflexion von Übertragungsleitungen zu stoppen, was in Abbildung 2 dargestellt ist.

2). Beendigung beenden

Das Hauptprinzip des Endabschlusses besteht darin, einen Pull-up- oder Pull-down-Widerstand an Positionen neben dem Lastanschluss hinzuzufügen, um eine Impedanzanpassung zu implementieren. Der Endabschluss kann üblicherweise in einen parallelen Einzelwiderstandsabschluss, einen RC-Abschluss, einen Thevenin-Abschluss und einen Schottky-Dioden-Abschluss unterteilt werden, wie in Abbildung 3 gezeigt.

Der Widerstandswert beim parallelen Abschluss mit einem einzelnen Widerstand entspricht der Impedanz der Übertragungsleitungen. Die Werte von zwei Widerständen in der Thevenin-Terminierung sollten der Formel folgen:Z₀ =R₁ R₂ /(R₁ +R₂ ). Der Kapazitätswert im RC-Abschluss folgt der Formel:C=3T/Z₀ wobei sich T auf die Anstiegszeit von Signalen während Z₀ bezieht bezieht sich auf die Impedanz von Übertragungsleitungen.

Aus Sicht des Systemdesigns sollte zuerst die parallele Terminierung gewählt werden, da sie im Vergleich zu den anderen drei Terminierungsmethoden am besten geeignet ist, Rauschen, EMI und RFI zu verringern. Je nach praktischen Umständen wird die geeignete Abschlussmethode ausgewählt und bei Bedarf ein Simulationsdesign implementiert.

Schlussfolgerung

Zu den erfolgreichen Voraussetzungen im Hochgeschwindigkeits-Leiterplattendesign gehören ein vernünftiges Layout und Routing, die Vermeidung unnötiger Windungen und Durchkontaktierungen, Impedanzkontinuität, integrierte Signalreferenzebenen und eine hervorragende Erdung. Um das Design und die Signalintegrität zu optimieren und eine höhere elektromagnetische Kompatibilität zu erreichen, sollte eine Design-Simulationsverifizierung implementiert werden. Es hilft Designern, rechtzeitig mit Designfehlern umzugehen und Mängel im PCB-Design auszugleichen.

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