Hochgeschwindigkeits-PCB-Design-Herausforderungen zur Signalintegrität und ihre Lösungen

Mit dem ständigen Fortschritt der elektronischen Technologien, der zunehmenden Hochfrequenz des Takts in digitalen Systemen und der immer kürzeren Anstiegsflankenzeit ist das PCB-System zu einer Systemstruktur mit hoher Leistung geworden, weit mehr als nur eine Plattform, die Komponenten unterstützt. Aus der Perspektive der elektrischen Leistung ist die Verbindung zwischen Hochgeschwindigkeitssignalen nicht mehr beschleunigt oder transparent, und der Einfluss der Verbindung zwischen Leitungen auf Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten- und Platinenebeneneigenschaften kann nicht länger vernachlässigt werden. Bewältigen Sie erfolgreich Probleme der Signalintegrität, einschließlich Reflexion, Übersprechen, Verzögerung, Ruf- und Impedanzanpassung, die durch Hochgeschwindigkeits-Signalverbindungen verursacht werden, und stellen Sie sicher, dass die Qualität der Signalübertragung den Erfolg des Designs bestimmt.

Grundlegende Theorie der PCB-Signalintegrität

• Hochgeschwindigkeitsschaltung und ihr Bestimmungsprinzip

Der definierende Begriff Hochgeschwindigkeitsschaltung kommt hauptsächlich in zwei Versionen vor. Einerseits kann in einer Schaltung, wenn die Verzögerung digitaler Signale auf Übertragungsleitungen mehr als 20 % der Anstiegsflankenzeit beträgt, diese Schaltung als Hochgeschwindigkeitsschaltung angesehen werden. Andererseits gilt in einer Schaltung, wenn die Frequenz der digitalen Analogieschaltung 45 MHz bis 50 MHz erreicht oder überschreitet, die Schaltung als Hochgeschwindigkeitsschaltung.

Grundsätzlich, wenn L (Länge der Leitungen) größer als T_r ist , die Schaltung gilt als Hochgeschwindigkeitsschaltung; wenn L kleiner als T_r ist , gilt die Schaltung als langsame Schaltung. Hier, T_r bezieht sich auf die Zeit der ansteigenden Flanke des Impulses.

• Signalübertragungsgeschwindigkeit und Pulsanstiegsflankenzeit

Die Übertragungsgeschwindigkeit des Signals in der Luft beträgt 3 x 10 ⁸ Frau; die Dielektrizitätskonstante von FR4, das ist das Material von PCB, wird als ε_r angezeigt das ist 4. Die Signalübertragungsgeschwindigkeit in der Leiterplatte kann mit der Formel berechnet werden .

V_p entspricht 15 cm/ns, was ungefähr 6 Zoll/ns entspricht. Impulsanstiegsflankenzeit T_r =1/(10 x f_clk ) und die Anstiegsflankenzeit des 100-MHz-Signals beträgt 1 ns. Wenn die Verzögerung von Signalen beim PCB-Routing mehr als 20 % der Anstiegsflankenzeit beträgt, findet ein offensichtlicher Aufruf an Signalen statt. Für Rechteckwellen, deren Anstiegszeit 1 ns (100 MHz) beträgt, wenn die Routing-Länge der Leiterplatte mehr als 0,2 ns x 6 =1,2 Zoll beträgt, werden ernsthafte Anrufe auf Signalen stattfinden. Daher beträgt die kritische Länge 1,2 Zoll (ca. 3 cm).

• Charakteristische Impedanz

Die charakteristische Impedanz ist ein wichtiger Parameter bei der Impedanzanpassung, der Reflexion, Calling, Upper Shoot und Under Shoot beeinflusst und direkt mit der Integrität der Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung zusammenhängt, was beim Hochgeschwindigkeitsdesign sehr wichtig ist.

Signale werden entlang Übertragungsleitungen übertragen, deren Verhältnis zwischen Spannung und Strom als transiente Impedanz angesehen wird. Die transiente Impedanz auf Übertragungsleitungen wird durch Formel berechnet . In dieser Formel C_l bezieht sich auf die Kapazität pro Längeneinheit, deren Einheit pF/Zoll ist (normalerweise 3,3 pF/Zoll). Wenn die Übergangsimpedanz entlang Übertragungsleitungen ein konstanter Wert ist, wird dieser Wert als die charakteristische Impedanz auf Übertragungsleitungen betrachtet. Für Mikrostreifenleitungen und Streifenleitungen auf Leiterplatten kann ihre charakteristische Impedanz mit dem Übertragungsleitungsdesign-Tool Polar Si9000 ermittelt werden, das in Abbildung 1 dargestellt ist.

Elemente, die die Signalintegrität und Lösungen beeinflussen

• Impedanzanpassung

Im Hochgeschwindigkeits-Schaltungsdesign ist eine Impedanzanpassung erforderlich, um eine schnelle und korrekte Datenübertragung zu gewährleisten. Das Datenakkumulationssystem besteht im Allgemeinen aus Sensor, Signalkonditionierungsinstrument, AD-Datenakkumulationschip, FPGA und SDRAM, wie in Abbildung 2 gezeigt.

AD9649 wird als AD-Chip mit einer 1,8-V-Stromversorgung und paralleler Abtastung über eine 14-Bit-Datenleitung verwendet. Die Abtastfrequenz ist auf 20 M eingestellt. PCI9054 wird als PCI-Schnittstellenchip aufgenommen und unterstützt die DMA-Datenübertragung. 93LC66B wird als PCI-konfigurierter Chip abgeholt. Als Datenspeicher wird HY57V561620FTP-H verwendet, bestehend aus 4 Bänken, die jeweils einen Speicherplatz von 4 M x 16 Bit, 13-Zeilen-Adressleitungen und 9-Spalten-Adressleitungen haben. EP1C6F256C8 wird vom FPGA mit einer Klemmenspannung von 3,3 V und einer Kernspannung von 1,5 V ausgewählt. Die Breite des PCI-Busses beträgt 32 Bit mit einem 33-MHz-Takt, der als Schreib- und Lesetakt aufgenommen wird, und die maximale Verbindungs- und Lesegeschwindigkeit erreicht 132 MByte pro Sekunde, wodurch eine Hochgeschwindigkeitsübertragung von angesammelten Daten unterstützt werden kann.

Die folgenden Elemente sollten beim Entwurf von Leiterplatten berücksichtigt werden:

a. Als mischender Teil von Digital und Analog ist AD einer der Schlüsselpunkte im PCB-Design. Aufgrund der hohen Frequenz des digitalen Teils ist der analoge Teil sehr empfindlich gegenüber Störungen. Wenn keine geeignete Verarbeitung implementiert ist, neigen digitale Signale dazu, analoge Signale zu stören, so dass EMI-Probleme auftreten. Die richtigen Prinzipien, denen Designer folgen sollten, sollten sein:Erstens, digitale Masse und analoge Masse sollten auf PCB mit gemischten Signalen geteilt werden; zweitens werden analoge und digitale elektronische Komponenten klassifiziert, wobei die analoge Erdung im analogen Bereich verteilt ist und die digitale Erdung im digitalen Bereich verteilt ist; Drittens sind die analoge Masse und die digitale Masse mit Magnetperlen um die Bereichssegmentierung herum verbunden. Diese Maßnahmen sind in der Lage, die Trennung zwischen digitaler Masse und analoger Masse umzusetzen.

b. SDRAM wird im Datenakkumulationssystem eingesetzt und das Handbuch weist deutlich darauf hin, dass Datenleitungen, die mit FPGA verbunden sind, mit einer Impedanzanpassung von 50 Ω konfiguriert werden müssen, um die Hochgeschwindigkeitsübertragung zu gewährleisten, die in Abbildung 3 gezeigt wird.

Nachdem das FPGA die angesammelten Daten in das SDRAM geschrieben hat, muss ständig eine Aktualisierung durchgeführt werden, um die Daten aufrechtzuerhalten, und die Aktualisierungsperiode jeder Zeile muss schneller als 64 Millisekunden sein.

Schritte der Impedanzanpassung durch die Polar Si9000 Software werden wie folgt angezeigt:

a. Hochgeschwindigkeits-Signalleitungen sollten die Oberseite der Leiterplatte kreuzen und Löcher sollten so weit wie möglich vermieden werden. Das Strukturmodell der Mikrostreifenleitung wird in die Software aufgenommen, wie in Abbildung 4 gezeigt.

Eine Impedanzanpassung von 50 Ω wird im Allgemeinen bei Single-Terminal-Routing durchgeführt und eine Impedanzanpassung von 90 Ω wird im Allgemeinen bei differentiellem Routing (z. B. USB2.0 D+, D-) durchgeführt.

b. Der notwendige Impedanzanpassungswert und spezifische Werte der PCB-Fertigungstechnik werden auf der Softwareschnittstelle mit Parametern wie Dielektrizitätsdicke, Dielektrizitätskonstante des PCB-Materials, Kupferfoliendicke, Grünöldicke und Dielektrizitätskonstante von Grünöl gefüllt.

Artikel	Beschreibung	Referenz und berechneter Wert
H1	Dielektrikumsdicke (PP oder Plattenmaterial)	3,5–8,5 mil
Er1	Dielektrizitätskonstante des Plattenmaterials	4-4,6
W1	Signalroutingbreite	Basierend auf dem Impedanzwert
C1	Dicke der grünen Farbe des Substratmaterials	0,8 mil
C2	Dicke von grünem Öl auf Kupfer	0,5 mil
CEr	Dielektrizitätskonstante von grünem Öl	3.3
Zo	Anzupassender Impedanzwert	Einzelanschluss:50Ω Differential:90Ω

Spezifische Parameter der Fertigungstechnik können durch Kommunikation mit dem Leiterplattenhersteller bekannt werden, sodass die Breite der Leitungen ermittelt werden kann. Für differentielle Mikrostreifenleitungen sollte auch der Abstand zwischen den Leitungen (S1) ermittelt werden.

c. Wenn die berechnete Leiterbreite relativ groß ist und das PCB-Routing nicht abgeschlossen werden kann, muss mehr mit den PCB-Herstellern kommuniziert werden, um die Parameter in der Herstellungstechnik mit den erfüllten Designanforderungen anzupassen.

• Übersprechen

Übersprechen bezieht sich auf unerwartete Spannungsrauschinterferenzen auf benachbarten Übertragungsleitungen als Ergebnis einer elektromagnetischen Kopplung, wenn Signale auf Übertragungsleitungen übertragen werden. Zu viel Übersprechen kann zu einem falschen Auslösen des Schaltkreises führen, so dass das System nicht normal funktioniert. Übersprechen wird durch elektromagnetische Kopplung erzeugt und die Kopplung wird in kapazitive Kopplung und induktive Kopplung unterteilt. Ersteres ist tatsächlich eine elektromagnetische Störung, die durch induktiven Strom verursacht wird, der als Ergebnis einer Spannungsänderung an der Störungsquelle verursacht wird, während letzteres tatsächlich eine elektromagnetische Störung ist, die durch eine induktive Spannung verursacht wird, die als Ergebnis einer Stromänderung an der Störungsquelle verursacht wird. Wenn sich der Zustand der Störquelle ändert, wird eine Reihe von Störimpulsen auf gestörten Objekten erzeugt, was in Hochgeschwindigkeitssystemen sehr häufig vorkommt.

Maßnahmen zum Umgang mit Übersprechen werden wie folgt angezeigt:
a. Orthogonalität sollte bei Routing-Richtungen zwischen benachbarten Ebenen beibehalten werden. Die gleiche Richtung sollte in benachbarten Ebenen mit unterschiedlichen Signalleitungen vermieden werden, um das Übersprechen zu reduzieren. Besonders wenn die Signalgeschwindigkeit relativ hoch ist, sollte die Erdung in Betracht gezogen werden, um Routing-Ebenen zu trennen, und Signalleitungen sollten durch Erdungssignalleitungen getrennt werden.
b. Um das Übersprechen zwischen den Leitungen zu verringern, sollte der Abstand zwischen den Leitungen groß genug sein. Wenn der Abstand zwischen den Linienmitten nicht weniger als das Dreifache der Linienbreite beträgt, können 70 % des elektrischen Felds vor gegenseitiger Beeinflussung geschützt werden, was dem 3-W-Prinzip entspricht.
c. In der Situation, in der Hochgeschwindigkeits-Signalleitungen die Anforderung erfüllen, kann auf eine Anpassung an den Verbindungsanschluss zugegriffen werden, um Reflexionen zu reduzieren oder zu eliminieren und Nebensprechen zu verringern.

Anwendung der Signalintegritäts-Designmethode

Im Prozess des PCB-Designs wurden viele Designregeln basierend auf der Signalintegritätstheorie zusammengefasst. Unter Bezugnahme auf diese PCB-Designregeln kann die Signalintegrität besser erreicht werden. Im Prozess des PCB-Designs müssen Designinformationen im Detail bekannt sein, einschließlich:
a. Position des Komponentenlayouts, ob es spezielle Anforderungen an Komponenten mit großer Leistung und Wärmeableitung an Chipkomponenten gibt.
b. Klassifizierung von Signalen, Geschwindigkeitsrate, Übertragungsrichtung und Anforderungen an die Impedanzanpassung.
c. Signaltreiberkapazität, Schlüsselsignal und Schutzmaßnahmen.
d. Art der Stromversorgung, Erdung, Anforderungen an die Geräuschgrenze von Strom und Erdung, Einstellung der Stromversorgungsebene und der Erdungsebene und Aufteilung.
e. Typ und Geschwindigkeit der Taktleitungen, Quelle der Taktleitungen, Richtung, Verzögerungsbedarf des Takts und maximale Routing-Anforderung.

Hilfreiche Ressourcen:
• 3 Routing-Techniken beim Hochgeschwindigkeits-Leiterplattendesign
• Unterdrückungsmethode der Signalreflexion im Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenlayout
• Signalintegritätsanalyse und Hochgeschwindigkeits-Leiterplattendesign Digital-Analog Mixed Circuit
• Impedanzkontrolle von Vias und ihr Einfluss auf die Signalintegrität im PCB-Design
• PCB-Fertigungsservice mit vollem Funktionsumfang von PCBCart – Mehrere Mehrwertoptionen
• Erweiterter PCB-Bestückungsservice von PCBCart - Beginnen Sie ab 1 Stück