Hochgeschwindigkeits-Layout-Tipps

Die meisten PCB-Designs beginnen mit einem korrekten und verifizierten Schaltplan in der Hand. Anschließend muss die harte Arbeit der Umwandlung des schematischen Entwurfs in eine endgültige Leiterplatte unternommen werden. Sehr oft funktioniert die Leiterplatte nicht, obwohl das ursprüngliche Schaltungsdesign sorgfältig durchgeführt wurde. Selbst wenn ein Schaltplan mit einer Simulation verifiziert wurde, berücksichtigt die Simulation des Designs nicht, dass die Besonderheiten des PCB-Layouts unvorhergesehene Fehlerquellen in eine Designimplementierung einbringen können. Dies gilt insbesondere, wenn es darum geht, neuere und schnellere Komponenten mit den damit verbundenen höheren Taktraten in einem Design zu verwenden. Auch die Datenübertragungsgeschwindigkeiten zwischen Geräten nehmen stetig zu und unterliegen den gleichen Arten von Fehlerquellen. Diese Geschwindigkeitssteigerungen ermöglichen kleine Kapazitäts- und Induktivitätswerte, die PCB-Layouts inhärent sind, um zu bewirken, dass die PCB-Implementierung eines Designs fehlschlägt.

Neben der Sicherstellung, dass eine Leiterplatte funktionsfähig ist, sind zusätzliche Anforderungen in Bezug auf die Toleranz Ihres Designs gegenüber abgestrahltem Rauschen und die Menge an abgestrahltem Rauschen, die es beiträgt, von großer Bedeutung, um ein endgültiges Design genehmigen zu lassen. Daher muss bei der Entwicklung Ihrer nächsten PCB-Anwendung, die Hochgeschwindigkeitssignale enthält, große Sorgfalt darauf verwendet werden, Probleme mit elektromagnetischen Interferenzen zu mindern.

Beispiele für Hochgeschwindigkeitssignale umfassen Taktsignale und Hochgeschwindigkeitskommunikationsports. Mit einigen einfachen Regeln können die Signalintegrität und die elektromagnetischen Interferenzpegel Ihres nächsten Designs verbessert werden – komplexe mathematische Modelle oder komplizierte und teure Simulationstools sind nicht erforderlich. Dieser Artikel stellt eine Reihe dieser einfachen Regeln vor, die befolgt werden können, um den Erfolg Ihres nächsten Designs mit Hochgeschwindigkeitssignalen sicherzustellen.

Hintergrund

In diesem Abschnitt werden wir einige der Quellen von Hochgeschwindigkeits-Layoutfehlern und verwandte Konzepte besprechen, während der nächste Abschnitt allgemeine Regeln zur Minderung dieser Fehlerquellen bereitstellt.

1. Elektromagnetische Interferenz und elektromagnetische Verträglichkeit

Elektromagnetische Interferenz ist Hochfrequenzrauschen, das den Betrieb eines Geräts stört. Andererseits bezieht sich die elektromagnetische Verträglichkeit auf die Begrenzung der elektromagnetischen Interferenz, die ein Gerät aussendet. Alle Geräte geben ein gewisses Maß an elektromagnetischen Störungen ab und absorbieren gleichzeitig eine gewisse Menge an elektromagnetischen Störungen. Das Ziel eines PCB-Designers sollte es sein, beide Größen auf ein vernünftiges Maß zu reduzieren. Beachten Sie auch, dass es etablierte FCC- und CISPR-Standards für die EMI-Stufe gibt, die Geräte aussenden dürfen.

2. Taktsignale

Taktsignale, die üblicherweise zum Ansteuern von Mikroprozessoren und Kommunikationsports verwendet werden, sollten eine perfekte Rechteckwelle sein, sind es aber nicht in Wirklichkeit. Sie sind tatsächlich eine Kombination von Signalen bei der nominellen Taktfrequenz und den harmonischen Frequenzen oberhalb der Taktfrequenz. Daher muss die EMI sowohl bei der Frequenz des in einem Design verwendeten Takts als auch bei den Harmonischen der Taktfrequenz über der nominalen Taktfrequenz berücksichtigt werden.

3. Übertragungsleitungen

Bei höheren Frequenzen beginnen Übertragungsleitungseffekte sogar auf Leiterplattenebene ins Spiel zu kommen. Wann immer die Frequenz einer Signalleitung dazu führt, dass das Signal eine Wellenlänge in der Größenordnung der zugeordneten PCB-Leiterbahn hat, sollte die charakteristische Impedanz der Leiterbahn berücksichtigt werden, um Reflexionen aufgrund von Impedanzfehlanpassungen zu vermeiden. Im allgemeinsten Sinne muss sich der PCB-Designer die Zeit nehmen, die Impedanz der Leiterbahnen anzupassen, die mit den Transceivern verbunden sind, die diese Leiterbahnen verbinden. Die Verwendung eines Mikrostreifens (eine Leiterbahn mit definierter Breite über einer Stromversorgungsebene) oder einer Streifenleitung (eine Leiterbahn mit definierter Breite zwischen zwei Stromversorgungsebenen) sind gängige Methoden zur Steuerung der Impedanz einer Übertragungsleitung auf PCB-Ebene.

Es ist auch üblich, dass Transceiver Eingänge mit hoher Impedanz haben. In diesem Fall muss die Verbindungsbahn so terminiert werden, dass sie der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung entspricht, mit der sie verbunden ist. Es gibt mehrere gebräuchliche Terminierungstechniken, aber deren Erforschung bleibt dem Leser überlassen, da sie den Rahmen dieses Artikels sprengen würden.

4. Übersprechen

Wenn zwei Leiterbahnen nebeneinander angeordnet sind, sind sie induktiv und kapazitiv gekoppelt (allgemein als Übersprechen bezeichnet) auf eine Weise, die es einer ermöglichen kann, den Betrieb der anderen zu beeinträchtigen. Der einfachste Weg, diese Art von Rauschen zu eliminieren, besteht darin, die Spuren durch einen größeren Abstand zu trennen. Übersprechen kann auch durch die Verwendung von Power Planes zur Unterdrückung von Übersprechpegeln gemildert werden.

5. Differenzsignale

Eine andere Möglichkeit, mit Rauschen in einem Kommunikationspfad umzugehen, ist die Verwendung von Differenzsignalen. Differenzsignale haben gleiches und entgegengesetztes Potential. Dementsprechend sind zwei Leiterbahnen dafür verantwortlich, ein Signal zwischen Geräten zu übertragen, und der Wert des Signals wird durch die Potentialdifferenz auf den beiden Leiterbahnen bestimmt, nicht durch das absolute Potential der einzelnen Leiterbahnen. Dadurch bleiben Differenzsignale immun gegen Übersprechen und effektiv immun gegen abgestrahltes Rauschen.

6. Rückstrom- und Schleifenbereiche

Bei Hochfrequenz-Layouts muss auch der Rückweg eines Signals berücksichtigt werden. Beim Arbeiten mit Gleichstromkreisen ist der Rückweg der Weg mit dem geringsten Widerstand, aber bei der Betrachtung von Wechselstromsignalen ist der Rückweg der Weg mit der niedrigsten Impedanz. Das Ergebnis ist, dass der Rückweg eines Hochfrequenzsignals direkt neben der Spur dieses Signals liegt. Normalerweise ist der Unterschied im Rückweg kein Problem, wenn die Signalspur über eine Erdungsebene geführt wird, aber es kann ein Problem sein, wenn die Erdungsebene unter der Signalspur unterbrochen wird. Das Ergebnis ist eine Unterbrechung im Rückweg des Signals wird eine Schleife sein. Schleifen sollten vermieden werden, da sie viel effektivere EMI-Strahler sind und die EMV eines Designs negativ beeinflussen.

Praktische Designtipps

Nachdem wir nun eine kurze Erörterung der Quellen von Hochgeschwindigkeitssignalrauschen präsentiert haben, können wir mit der Erörterung spezifischerer Layout-Tipps fortfahren.

Bevor Sie Ihr nächstes Hochgeschwindigkeits-PCB-Design in Angriff nehmen, müssen Sie sich zunächst die Gesamtanforderungen des Designs ansehen. Gute Fragen sind:Was ist die höchste Frequenz im System? Müssen Sie einen Mikrostreifen oder eine Streifenleitung verwenden, um den Grad der Rauschunterdrückung zu erreichen, der für das Design erforderlich ist? Was sind die sensiblen Signale in Ihrem Design? Welche Mindesttoleranzen fordert der Leiterplattenhersteller? Gibt es sensible Verbindungen zwischen funktionalen Gruppen des Designs? Mit diesen Antworten in der Hand kann eine allgemeine Ansicht des Aufbaus und der Zusammensetzung des Boards bestimmt werden.

1. Boardstapel

Eine der grundlegendsten Überlegungen für ein neues Schaltungsdesign ist der PCB-Stackup. Wenn keine empfindlichen Signale zu schützen sind, kann die Verwendung einer standardmäßigen 2-Lagen-Leiterplatte in Ordnung sein. Wenn Sie Signale als Streifenleitungen führen müssen, müssen Sie einen 6-Lagen-Stackup verwenden. Eine 4-Lagen-Leiterplatte kann auch eine gute Zwischenoption sein.

Eine weitere Überlegung ist, wenn Sie den Stapel so erstellen können, dass die Leistungsebenen sehr nahe beieinander liegen, können Sie den Bedarf an kleinen Entkopplungskondensatoren reduzieren, die in Ihrem Design verwendet werden müssen. Wenn Sie schließlich die Quellen und Senken Ihres Hochgeschwindigkeitssignals nahe beieinander auf der Leiterplatte anordnen können, können Sie einen Großteil der EMI und EMV im Zusammenhang mit diesen Signalen eliminieren.

2. Stromversorgungs- und Masseebenen

Die grundlegendste Anforderung für ein Hochgeschwindigkeitsdesign ist die Implementierung einer vollständigen Masseebene. Es kann auch von großem Vorteil sein, auch eine komplette Leistungsebene einzubeziehen, aber das erfordert, dass das Design auf einem vierschichtigen oder höheren Aufbau basiert. Es ist auch von Vorteil, Signalspuren sehr nahe an Stromversorgungsebenen zu platzieren, was auch den im endgültigen Design verwendeten Aufbau beeinflussen sollte.

Beim Aufteilen von Teilen einer Leistungsebene ist es auch wichtig, daran zu denken, dass Hochgeschwindigkeitssignale einen Rückstrom haben, der dem Pfad der niedrigsten Impedanz und nicht des Widerstands folgt. Achten Sie darauf, den Rückweg eines Hochgeschwindigkeitssignals zwischen Quelle und Senke nicht zu unterbrechen. Wenn Sie eine Erdungsebene unterbrechen müssen, versuchen Sie, keine Signalspuren über diese Unterbrechung zu führen. Erwägen Sie in diesem Fall, die Masseebene neben der Signalspur mit einem 0-Ohm-Widerstand neu zu verbinden. Kurz gesagt:Verwenden Sie in Ihrem Design möglichst einheitliche und ununterbrochene Masse- und Stromversorgungsebenen.

3. Zusätzliche Themen

Entkopplungskondensatoren sind wichtig, um für Hochfrequenzsignale niederohmige Pfade zu Erde und Strom zu schaffen. Im Allgemeinen müssen Sie eine Reihe verschiedener Kondensatorwerte verwenden, um hochfrequentes Rauschen über einen Bereich von Frequenzen zu unterdrücken. Platzieren Sie beim Platzieren von Kondensatoren den Kondensator mit dem niedrigsten Wert, der dem zu schützenden Gerät am nächsten liegt, und fahren Sie dann mit Kappen mit immer größeren Werten fort. Stellen Sie außerdem sicher, dass der Kondensator zwischen dem Gerät und der Leistungsebene platziert ist, die der Kondensator entkoppelt. Dadurch wird sichergestellt, dass das Gerät tatsächlich durch den Kondensator entkoppelt wird.

Weitere allgemeine Tipps sind:
• Das Abrunden der Leiterbahnecken kann den von einem Signal abgestrahlten EMI-Pegel reduzieren. Dies liegt daran, dass die abrupten Änderungen in den Leiterbahnen zu höheren Kapazitätspegeln führen und auch Hochgeschwindigkeits-Signalreflexionen verursachen.
• Um das Übersprechen zwischen Signalleiterbahnen, einschließlich derer auf verschiedenen Ebenen, zu minimieren, stellen Sie sicher, dass sie sich auf der rechten Seite kreuzen Winkel.
• Vermeiden Sie Durchkontaktierungen in Signalspuren. Vias verändern den Wellenwiderstand der Leiterbahn und können Reflexionen verursachen. Wenn Sie Durchkontaktierungen mit differenziellen Signalspuren verwenden müssen, erwägen Sie außerdem, sie in beiden Spuren zu platzieren, um sicherzustellen, dass ihre Wirkung in beiden Spuren gleich ist.
• Berücksichtigen Sie den Stub, der durch die Verwendung von Durchkontaktierungen erzeugt wird. Erwägen Sie die Verwendung von Blind- oder Burred-Vias anstelle herkömmlicher Vias.
• Berücksichtigen Sie Verzögerungen bei der Verwendung einer Distributed-Clock-Lösung. Vermeiden Sie Verzweigungen und passen Sie Leiterbahnlängen von der Uhr zu den angeschlossenen Geräten an. Oft ist es ratsam, einen Uhrentreiber zu verwenden.

Hilfreiche Ressourcen
• Forschung zum Hochgeschwindigkeits-PCB-Design in eingebetteten Anwendungssystemen
• Differenzielle isometrische Verarbeitung und Simulationsüberprüfung des Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs
• Wie man Bildebenen für Hochgeschwindigkeits-PCBs entwirft
• Herausforderungen beim Hochgeschwindigkeits-PCB-Design in Bezug auf die Signalintegrität und ihre Lösungen
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