Herausforderungen der Hochgeschwindigkeits‑PCB‑Entwicklung in Bezug auf Signalintegrität und deren Lösungen

Mit dem stetigen Fortschritt der elektronischen Technologien, der zunehmenden hohen Taktfrequenz in digitalen Systemen und der immer kürzer werdenden Anstiegszeit der Flanken ist das PCB-System zu einer Hochleistungs-Systemstruktur geworden, weit mehr als nur eine Plattform zur Unterstützung von Bauteilen. Aus Sicht der elektrischen Leistung ist die Verbindung zwischen Hochgeschwindigkeitssignalen nicht mehr reibungslos oder transparent, und der Einfluss der Verbindung zwischen Leitungen aufHochgeschwindigkeits‑Leiterplatteund die Eigenschaften der Leiterplatte können nicht länger vernachlässigt werden. Probleme der Signalintegrität, einschließlich Reflexion, Übersprechen, Verzögerung, Klingeln und Impedanzanpassung, die durch Hochgeschwindigkeits-Signalverbindungen verursacht werden, erfolgreich zu bewältigen und die Qualität der Signalübertragung sicherzustellen, bestimmt den Erfolg des Designs.

Grundlagen der Signalintegrität von Leiterplatten

• Hochgeschwindigkeits-Schaltung und ihr Bestimmungsprinzip

Der Begriff der Hochgeschwindigkeitsschaltung wird im Wesentlichen in zwei Varianten definiert. Zum einen kann eine Schaltung als Hochgeschwindigkeitsschaltung betrachtet werden, wenn in ihr die Verzögerung digitaler Signale auf Übertragungsleitungen mehr als 20 % der Anstiegszeit beträgt. Zum anderen wird eine Schaltung als Hochgeschwindigkeitsschaltung angesehen, wenn in ihr die Frequenz des digitalen Analogschaltkreises 45 MHz bis 50 MHz erreicht oder überschreitet.

Grundsätzlich, wennL(Länge der Leads) ist mehr alsT_r, die Schaltung als Hochgeschwindigkeitsschaltung betrachtet wird; wennList kleiner alsT_rwird die Schaltung als Niedriggeschwindigkeitsschaltung betrachtet. Hier,T_rbezieht sich auf die Anstiegszeit der Pulsflanke.

• Signalübertragungsgeschwindigkeit und Pulsanstiegszeit

Die Übertragungsgeschwindigkeit des Signals in der Luft beträgt 3 x 10⁸m/s; die Dielektrizitätskonstante von FR4, dem Material der Leiterplatte, wird als ε dargestellt_rDas ist 4. Die Signalübertragungsgeschwindigkeit in Leiterplatten kann mit der Formel berechnet werden.

V_pist gleich 15 cm/ns, das sind ungefähr 6 Zoll/ns. Anstiegszeit der PulsflankeT_r=1/(10 xf_clk) und die Anstiegszeit des 100‑MHz-Signals beträgt 1 ns. Wenn die Verzögerung der Signale auf der Leiterplattenführung mehr als 20 % der Anstiegszeit beträgt, treten deutliche Reflexionen auf den Signalen auf. Für ein Rechtecksignal mit einer Anstiegszeit von 1 ns (100 MHz) kommt es zu starken Reflexionen auf den Signalen, wenn die Leiterbahnlänge der Leiterplatte mehr als 0,2 ns × 6 = 1,2 Zoll beträgt. Daher beträgt die kritische Länge 1,2 Zoll (ungefähr 3 cm).

• Charakteristische Impedanz

Der Wellenwiderstand ist ein wichtiger Parameter bei der Impedanzanpassung, der Reflexion, Klingeln, Überschwingen und Unterschwingen beeinflusst und in direktem Zusammenhang mit der Integrität der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung steht, was in Hochgeschwindigkeitsdesigns von großer Bedeutung ist.

Signale werden entlang von Übertragungsleitungen übertragen, deren Verhältnis zwischen Spannung und Strom als transiente Impedanz betrachtet wird. Die transiente Impedanz auf Übertragungsleitungen wird mit der Formel berechnet. In dieser Formel,C_lbezieht sich auf die Kapazität pro Längeneinheit mit der Einheit pF/Zoll (sie beträgt üblicherweise 3,3 pF/Zoll). Wenn die transiente Impedanz entlang von Übertragungsleitungen einen konstanten Wert hat, wird dieser Wert als die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitungen betrachtet. Für Mikrostreifenleitungen und Streifenleitungen auf Leiterplatten (PCB) kann ihre charakteristische Impedanz mit dem Übertragungsleitungs-Designwerkzeug Polar Si9000 berechnet werden, das in Abbildung 1 dargestellt ist.

Elemente, die die Signalintegrität beeinflussen, und Lösungen

• Impedanzanpassung

In der Hochgeschwindigkeitsschaltungsentwicklung ist Impedanzanpassung erforderlich, um eine schnelle und korrekte Datenübertragung sicherzustellen. Ein Datenerfassungssystem besteht im Allgemeinen aus Sensor, Signalaufbereitungsgerät, AD-Datenerfassungs-Chip, FPGA und SDRAM, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Der AD9649 wird als AD-Chip mit einer 1,8-V-Stromversorgung und paralleler Abtastung über eine 14-Bit-Datenleitung eingesetzt. Die Abtastfrequenz ist auf 20 M eingestellt. Der PCI9054 wird als PCI-Schnittstellenchip verwendet und unterstützt DMA-Datenübertragung. Der 93LC66B wird als PCI-Konfigurationschip eingesetzt. Der HY57V561620FTP-H wird als Datenspeicher verwendet und besteht aus 4 BANKs, von denen jeder einen Speicherbereich von 4M x 16 Bit, 13 Zeilenadressleitungen und 9 Spaltenadressleitungen besitzt. Der EP1C6F256C8 wird als FPGA gewählt, mit einer Abschluss­spannung von 3,3 V und einer Kernspannung von 1,5 V. Die Breite des PCI-Busses beträgt 32 Bit, mit einem 33-MHz-Takt als Lese- und Schreibtakt; die maximale Lese- und Schreibgeschwindigkeit erreicht 132 MByte pro Sekunde und kann die Hochgeschwindigkeitsübertragung der gesammelten Daten unterstützen.

Bei der Leiterplattengestaltung sollten die folgenden Elemente berücksichtigt werden:

a.Als Mischteil von Digital- und Analogtechnik ist AD einer der Schlüsselpunkte im PCB-Design. Aufgrund der hohen Frequenz des Digitalteils ist der Analogteil äußerst empfindlich gegenüber Störungen. Wenn keine geeignete Verarbeitung umgesetzt wird, neigen digitale Signale dazu, analoge Signale zu stören, sodass EMI-Probleme auftreten. Die richtigen Prinzipien, denen Designer folgen sollten, sind: Erstens sollten digitale Masse und analoge Masse auf einer Leiterplatte mit gemischten Signalen getrennt werden; zweitens werden analoge und digitale elektronische Bauteile klassifiziert, wobei die analoge Masse im Analogbereich und die digitale Masse im Digitalbereich verteilt wird; drittens werden analoge Masse und digitale Masse mit Ferritperlen um die Bereichssegmentierung herum verbunden. Diese Maßnahmen sind in der Lage, die Trennung zwischen digitaler Masse und analoger Masse zu realisieren.

b.SDRAM wird in Datenerfassungssystemen eingesetzt, und im Handbuch wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die mit dem FPGA verbundenen Datenleitungen mit einer Impedanzanpassung von 50 Ω konfiguriert werden müssen, um die Hochgeschwindigkeitsübertragung sicherzustellen, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Nachdem das FPGA die akkumulierten Daten in den SDRAM geschrieben hat, muss kontinuierlich ein Refresh durchgeführt werden, um die Daten zu erhalten, und die Refresh-Periode jeder Zeile muss kürzer als 64 Millisekunden sein.

Die Schritte der Impedanzanpassung mit der Polar-Si9000-Software werden wie folgt dargestellt:

a.Hochgeschwindigkeits-Signalleitungen sollten die Oberseite der Leiterplatte kreuzen, und Durchkontaktierungen sollten so weit wie möglich vermieden werden. Im Softwareprogramm wird ein Mikrostreifenleitungs-Strukturmodell ausgewählt, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Die Impedanzanpassung von 50 Ω wird im Allgemeinen bei einadrigen Leitungen durchgeführt, und die Impedanzanpassung von 90 Ω wird im Allgemeinen bei differentiellen Leitungen durchgeführt (z. B. USB2.0 D+, D-).

b.Erforderlicher Impedanzanpassungswert und spezifische Werte vonLeiterplattenherstellungDie Technik wird in der Softwareoberfläche mit Parametern ausgefüllt, einschließlich Dielektrikumdicke, Dielektrizitätskonstante des PCB-Materials, Kupferfoliendicke, Lötstoppmaskendicke und Dielektrizitätskonstante der Lötstoppmaske.

Spezifische Parameter der Fertigungstechnik können durch Kommunikation mit erfahren werdenLeiterplattenherstellerdamit die Breite der Leiterbahnen ermittelt werden kann. Bei differentiellen Mikrostreifenleitungen muss auch der Abstand zwischen den Leiterbahnen (S1) ermittelt werden.

c.Wenn die berechnete Breite der Leiter relativ groß ist und das Leiterplatten‑Routing nicht abgeschlossen werden kann, muss mit den Leiterplattenherstellern intensiver kommuniziert werden, um die Parameter in der Fertigungstechnik anzupassen und gleichzeitig die Designanforderungen zu erfüllen.

• Übersprechen

Übersprechen bezeichnet unerwartete Spannungrauschstörungen auf benachbarten Übertragungsleitungen infolge elektromagnetischer Kopplung, wenn Signale auf Übertragungsleitungen übertragen werden. Zu starkes Übersprechen kann zu einem Fehltriggern der Schaltung führen, sodass das System nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet. Übersprechen wird durch elektromagnetische Kopplung erzeugt, und Kopplung wird in kapazitive Kopplung und induktive Kopplung unterteilt. Erstere ist im Grunde elektromagnetische Störung, die durch einen induktiven Strom verursacht wird, der infolge einer Spannungsänderung an der Störquelle entsteht, während letztere im Grunde elektromagnetische Störung ist, die durch eine induktive Spannung verursacht wird, die infolge einer Stromänderung an der Störquelle entsteht. Wenn sich der Zustand der Störquelle ändert, wird auf den gestörten Objekten eine Reihe von Störimpulsen erzeugt, was in Hochgeschwindigkeitssystemen sehr häufig vorkommt.

Maßnahmen zur Bewältigung von Übersprechen werden wie folgt dargestellt:
a.Die Orthogonalität sollte bei den Leitungsführungsrichtungen zwischen benachbarten Ebenen beibehalten werden. Dieselbe Richtung sollte in benachbarten Ebenen mit unterschiedlichen Signalleitungen vermieden werden, um Übersprechen zu reduzieren. Insbesondere wenn die Signalgschwindigkeit relativ hoch ist, sollte Masse zur Trennung der Leitungsebenen in Betracht gezogen werden, und Signalleitungen sollten durch Masseleitungen voneinander getrennt werden.
b.Um das Übersprechen zwischen Leitungen zu verringern, sollte der Abstand zwischen den Leitungen ausreichend groß sein. Wenn der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Leitungen mindestens das Dreifache der Leiterbahnbreite beträgt, können 70 % des elektrischen Feldes von gegenseitiger Beeinflussung abgeschirmt werden, was als 3W-Prinzip bezeichnet wird.
c.In Situationen, in denen Hochgeschwindigkeitssignalleitungen die Anforderungen erfüllen, kann eine Anpassung am Anschlussklemmenpunkt vorgenommen werden, um Reflexionen zu verringern oder zu beseitigen und das Übersprechen zu reduzieren.

Anwendung der Signalintegritäts-Designmethode

Im Prozess des PCB-Designs wurden auf der Grundlage der Signalintegritätstheorie viele Designregeln zusammengefasst. Unter Bezugnahme auf diesePCB-Designregeln, kann eine bessere Signalintegrität erreicht werden. Im Prozess des PCB-Designs müssen die Designdaten im Detail bekannt sein, einschließlich:
a.Positionierung der Bauteile, einschließlich etwaiger spezieller Anforderungen an Bauteile mit hoher Leistung und Wärmeabgabe sowie an Chip-Bauteile.
b.Klassifizierung von Signalen, Übertragungsgeschwindigkeit, Übertragungsrichtung und Anforderungen an die Impedanzanpassung.
c.Signalsteuerungskapazität, Schlüsselsignal und Schutzmaßnahmen.
d.Arten von Stromversorgung und Masse, Anforderungen an die Rauschbegrenzung von Stromversorgung und Masse, Einrichtung der Stromversorgungsebene und Masseebene sowie deren Aufteilung.
e.Typ und Geschwindigkeitstakt der Taktleitungen, Quelle der Taktleitungen, Richtung, Verzögerungsanforderung des Takts und maximale Routinganforderung.

Elektronikinnovationen erfordern anspruchsvolle Leiterplattendesigns, um die Signalintegrität bei hohen Geschwindigkeiten aufrechtzuerhalten und Probleme wie Reflexionen und Übersprechen zu lösen. Präzises Routing, eine sorgfältige Platzierung der Bauteile und eine korrekte Impedanzanpassung sind entscheidend, um eine einwandfreie Leistung sicherzustellen.

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•3 Leiterführungstechniken für das PCB-Hochgeschwindigkeitssignalleitungsdesign
•Unterdrückungsmethode von Signalreflexionen im Hochgeschwindigkeits‑PCB‑Layout
•Signalintegritätsanalyse und PCB-Design für hochfrequente digital-analoge Mischschaltungen
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