Das Design von Leiterplatten (Printed Circuit Boards, PCB) ist für die Arbeit von Elektroingenieuren von entscheidender Bedeutung, und es ist offensichtlich nicht einfach, eine perfekte Leiterplatte zu entwerfen. Eine perfekte Leiterplatte ergibt sich nicht nur aus der sinnvollen Auswahl und Anordnung der Bauteile, sondern auch aus ihrer hohen Signalleitfähigkeit. In dieser Arbeit werden Kenntnisse über Leitungstechniken beim Entwurf von Hochgeschwindigkeitssignalschaltungen auf Leiterplatten vorgestellt und erläutert, um Ihre ingenieurtechnische Arbeit zu unterstützen.
Leiterplattenrouting basierend auf einer mehrlagigen Platine
Bei der Leiterplattengestaltung möchten die meisten Ingenieure die Hochsignalleitungen mithilfe von Multilayer-Platinen fertigstellen. Neben ihrer Rolle als Kern der Leiterplatte ist diese Art von Multilayer-Platine auch in der Lage, die Schaltungsstörungen zu verringern, was eine Hauptmethode für Ingenieure ist, die mit einem solchen Problem konfrontiert sind. Beim Entwurf von Hochgeschwindigkeitssignalschaltungen auf Leiterplatten auf Basis der Verwendung von Multilayer-Platinen müssen Ingenieure die Platinengröße verkleinern, indem sie die Anzahl der Lagen sinnvoll bestimmen, um die mittleren Lagen bestmöglich für Abschirmungen zur Realisierung einer nahegelegenen Masse zu nutzen. All dies kann die parasitäre Induktivität wirksam verringern, die Signalleitungslänge verkürzen, die Übersprechstörungen zwischen Signalen reduzieren usw. Alle diese Methoden sind für die Zuverlässigkeit von Hochgeschwindigkeitssignalschaltungen äußerst vorteilhaft.
Abgesehen von den oben genannten Methoden zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der PCB-Signalübertragung mit Hilfe von Mehrlagenplatinen zeigen einige maßgebliche Daten, dass bei Verwendung desselben Materials das von einer Vierlagenplatine erzeugte Rauschen um 20 dB geringer ist als das einer Zweilagenplatine. Was die Leiterbahnkrümmung betrifft, gilt: Je weniger Biegungen auftreten, desto besser. Am besten wird eine durchgehende Leiterbahn verwendet, und wenn eine Biegung erforderlich ist, kann eine 45-Grad-Leiterbahn oder eine Bogenleiterbahn eingesetzt werden, sodass die nach außen gerichtete Emission von Hochgeschwindigkeitssignalen und die gegenseitige Kopplung verringert und sowohl die Strahlung als auch die Reflexion reduziert werden.
Den Anschlussstift zwischen Bauteilen in Hochgeschwindigkeitsschaltungen so kurz wie möglich halten
Im Prozess des Leiterplattendesigns und der Leiterführung für Hochgeschwindigkeitssignale müssen Ingenieure die Anschlussleitungen zwischen den Bauteilen in Hochgeschwindigkeitsschaltungen so kurz wie möglich halten. Denn je länger die Leitung ist, desto größer sind sowohl die verteilte Induktivität als auch die verteilte Kapazität, was zu Reflexionen und Schwingungen in der Hochgeschwindigkeitsschaltung führt.
Neben der Verkürzung der Anschlussstifte zwischen Bauteilen in Hochgeschwindigkeitsschaltungen sollte im Prozess des PCB-Routings auch der Wechsel der Leiterlagen zwischen den Anschlussstiften der Bauteile in jeder Hochgeschwindigkeitsschaltung verkürzt werden, was bedeutet, dass die Durchkontaktierungen im Prozess der Bauteilverbindung so gering wie möglich gehalten werden sollten. Im Allgemeinen kann eine Durchkontaktierung etwa 0,5 pF verteilte Kapazität mit sich bringen, was offensichtlich zu einer Erhöhung der Schaltungsverzögerung führt. Gleichzeitig, im Prozess derHochgeschwindigkeitsschaltungBeim Routing ist die durch kurzstreckige parallele Führung von Signalleitungen induzierte Kreuzstörung vollständig zu berücksichtigen. Wenn eine parallele Verlegung nicht umgangen werden kann, kann auf der Rückseite der parallelen Signalleitungen eine großflächige Massefläche vorgesehen werden, um die Störungen zu verringern. In zwei benachbarten Lagen muss die Leiterführung senkrecht zueinander verlaufen.
Masseumgebung an besonders wichtigen Signalleitungen oder lokalen Teilen
Im Prozess des Leiterplatten-Routings wird empfohlen, bei besonders wichtigen Signalleitungen oder lokalen Bereichen eine umlaufende Masseführung zu verwenden. Beim Routen von Signalen, die weniger anfällig für Störungen sind, wie Taktsignale und hochfrequente analoge Signale, wird eine Schutzmasseleitung an den Rändern hinzugefügt, wobei sich die zu schützenden Signalleitungen in der Mitte befinden. Dies liegt daran, dass keine Art von Signalleitung Schleifen bilden darf, ebenso wenig wie die Masseleitung. Wenn jedoch ein Schleifen-Routing entsteht, treten im System starke Störungen auf. Der Vorteil einer Führung, bei der Signalleitungen von Masse umgeben sind, besteht darin, dass Schleifen im Routing-Prozess wirksam vermieden werden. Es wird empfohlen, in der Nähe jedes integrierten Schaltkreises einen oder mehrere Hochfrequenz-Entkopplungskondensatoren zu platzieren. Wenn analoge Masseleitungen oder digitale Leitungen mit der gemeinsamen Masse verbunden werden, sollte eine Hochfrequenz-Drosselstrecke eingesetzt werden. Einige Hochgeschwindigkeitssignalleitungen erfordern eine besondere Behandlung. Beispielsweise müssen differentielle Signale auf derselben Lage geführt und so eng wie möglich parallel geroutet werden. Zwischen differentiellen Signalleitungen darf kein anderes Signal eingefügt werden, und jede Leitung sollte die gleiche Länge haben.
Neben den oben genannten Methoden sollten Ingenieure beim Entwurf der PCB-Signalführung versuchen, Verzweigungen von Hochgeschwindigkeitssignalleitungen oder die Bildung von Stubs zu vermeiden. Da relativ starke elektromagnetische Strahlung entstehen kann, wenn Hochfrequenzsignalleitungen auf der Oberflächenschicht geführt werden, sollten Hochfrequenzsignalleitungen zwischen Stromversorgungs- und Masseleitungen platziert werden, sodass die erzeugte Strahlung aufgrund der elektromagnetischen Absorption durch die Stromversorgungs- und die untere Schicht deutlich verringert wird.
Natürlich geht in praktischen Projekten die Theorie der Praxis niemals voraus. Ich möchte einige meiner Erfahrungen im Hinblick auf das PCB‑Routing‑Design teilen. Zunächst einmal: Wenn du nicht der einzige Routing‑Designer einer Leiterplatte bist, dann nimm dir genügend Zeit, um das Design der Layouter zu überprüfen. Ein wenig Vorsicht ist viel besser als umfangreiche Nachbesserungen. Es ist eine dumme Idee zu erwarten, dass Layouter verstehen, was du denkst. Deine Hinweise und Anweisungen sind in der Anfangsphase des Routing‑Designs am wichtigsten. Je mehr Informationen du bereitstellen kannst und je stärker du in das Design eingebunden bist, desto bessere Leiterplatten wirst du erhalten. Hier ist eine gute Methode: Du kannst für den PCB‑Design‑Ingenieur einen vorläufigen Fertigstellungspunkt festlegen, sodass der Routing‑Vorgang strikt nach deinen Schritten abläuft. Diese Methode ähnelt einem geschlossenen Regelkreis, da das Routing nicht vom Kurs abkommt und so die Wahrscheinlichkeit von Nacharbeiten auf ein Minimum reduziert werden kann.
Dann sollten die Anweisungen, die Sie Ihren Routing-Ingenieuren geben, Folgendes enthalten: die kurze Beschreibung der Schaltungsfunktion; die PCB-Skizze mit Kennzeichnungen der Ein- und Ausgänge;PCB-SchichtInformationen wie die Dicke, die Anzahl der Lagen, die detaillierten Informationen zu jeder Signallage und Massefläche; die Art des Signals, das jede Lage benötigt; die Anforderungen hinsichtlich der Platzierung wichtiger Bauteile; die genauen Positionen von Bypass-Bauteilen; die Bedeutung von Leiterbahnen; die Bedeutung von Schaltungen, die Leiterbahnen mit kontrollierter Impedanz benötigen; die Schaltungen, für die eine Längenanpassung erforderlich ist; die Größe der Bauteile; die Leiterbahnen, Schaltungen oder Bauteile, die einen bestimmten Abstand oder eine bestimmte Nähe erfordern; die Art der Bauteile, die auf der Ober- oder Unterseite platziert werden.
Hilfreiche Ressourcen
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