Unterdrückungsmethode von Signalreflexionen im Hochgeschwindigkeits‑PCB‑Layout

Mit der fortschreitenden Entwicklung der Elektronik sowie der Wissenschaft und Technologie entwickeln sich elektronische Systeme, die aus IC-Chips bestehen, rasant in Richtung großer Integrationsdichte, Miniaturisierung und hoher Geschwindigkeit. Gleichzeitig tritt jedoch auch ein Problem auf: Die Verkleinerung des Volumens elektronischer Systeme führt zu einer Erhöhung der Leitungsdichte der Schaltungen, während die Signalfrequenz stetig steigt und die Flankenanstiegszeit der Signale kürzer wird. Wenn die Verzögerung der Signalübertragung in den Verbindungen größer ist als 10 % der Signalanstiegszeit, zeigen die Leiterbahnen auf der Leiterplatte das Verhalten von Übertragungsleitungen, wodurch eine Reihe von Problemen wie Signalreflexion und Übersprechen zunehmend hervortritt. Das Auftreten von Hochgeschwindigkeitsproblemen stellt eine größere Herausforderung für das Hardwaredesign dar, und wenn bestimmte aus logischer Sicht korrekte Entwürfe nicht angemessen behandelt werden, kann das gesamte Design scheitern. Daher ist die Lösung der Probleme von Hochgeschwindigkeitsschaltungen zu einem der entscheidenden Faktoren für den Erfolg eines Systems geworden.

Prinzipien der Reflexion und ihr Einfluss

• Prinzipien der Reflexion

Der unmittelbare Grund für Reflexion liegt in der Unverträglichkeit der Impedanz von Übertragungsleitungen, die zur unvollständigen Absorption der Signalenergie am Endpunkt führt. Das Reflexionsproblem spiegelt die Signalqualität eines einzelnen Netzwerks wider und steht im Zusammenhang mit den physikalischen Eigenschaften des Signalpfads eines einzelnen Netzwerks und des Rückkanals. Üblicherweise beziehen sich die physikalischen Eigenschaften vonLeiterplattenroutinghat großen Einfluss auf Übertragungsleitungen, hauptsächlich einschließlich Leitungs­material, Leitungs­breite, Leitungs­dicke, Abstand zu anderen Leiterbahnen und Ebenen sowie der Dielektrizitätskonstante des angrenzenden Materials. Wenn Signale entlang eines einzelnen Netzes übertragen werden, entsteht eine transiente Impedanzänderung der Verbindungsleitungen. Bleibt die von den Signalen wahrgenommene Verbindungsimpedanz unverändert, wird Verzerrungsfreiheit aufrechterhalten. Ändert sich jedoch die von den Signalen wahrgenommene Verbindungsimpedanz fortlaufend, entsteht Verzerrung, wobei an der Änderungsstelle Reflexionen erzeugt werden. Das reflektierte Signal wird zum Sendende der Signale zurückübertragen und dort erneut reflektiert, bis es mit der Abnahme der Energie abschwillt. Schließlich werden Spannung und Strom der Signale stabil.

• Berechnung der Reflexion

Wenn Signale entlang von Übertragungsleitungen nach vorne übertragen werden, ist zu jedem Zeitpunkt eine transiente Impedanz spürbar. Wenn die von den Signalen wahrgenommene Impedanz konstant ist, werden sie normal weitergeleitet. Sobald sich die wahrgenommene Impedanz ändert, kommt es immer zu Reflexionen, unabhängig von deren Ursache. Die wichtige Kenngröße zur Messung des Reflexionsanteils ist der Reflexionskoeffizient, der das Verhältnis zwischen der Reflexionsspannung und der ursprünglichen Signalspannung angibt. Der Reflexionskoeffizient kann gemäß der Formel definiert werden.

In dieser Formel, Z₁bezieht sich auf die Impedanz nach der Änderung, während Z₀die Impedanz vor der Änderung. Angenommen, der Wellenwiderstand der PCB-Leitung beträgt 50 Ω. Im Übertragungsprozess wird ein Widerstand von 150 Ω angetroffen, dann ist der Reflexionskoeffizient (150-50)/(150+50)=1/2 (unter der Annahme, dass in diesem Fall der Einfluss parasitärer Kapazitäten und Induktivitäten nicht berücksichtigt wird und der Widerstand als idealer ohmscher Widerstand betrachtet wird). Dieses Ergebnis zeigt, dass die Hälfte der Energie des ursprünglichen Signals zur Quelle zurückreflektiert wird. Beträgt die Spannung des Übertragungssignals 5 V, so beträgt die Reflexionsspannung 2,5 V.

• Einfluss der Reflexion

1). Durch Reflexion verursachte Signalverzerrung

Wenn eine Leitung nicht korrekt terminiert ist, wird der Signalimpuls vom treibenden Ende am Empfangsterminal reflektiert. Sind die reflektierten Signale sehr stark, kann die überlagerte Wellenform den Logikzustand verändern, was zu unvorhergesehenen Effekten und Signalformverzerrungen führt. Wenn die Verzerrung so deutlich wird, können zahlreiche Fehler auftreten, wodurch das Design fehlschlägt. Gleichzeitig sind verzerrte Signale empfindlicher gegenüber Rauschen, was ebenfalls zu einem Designfehler führen kann.

2). Überschwingen und Unterschwingen durch Reflexion verursacht

Überschwingen bedeutet, dass der erste Spitzen- oder Talwert die Spannung überschreitet. Beim steigenden Signalverlauf bedeutet es, dass der erste Spitzenwert die höchste Spannung überschreitet, während es beim fallenden Signalverlauf bedeutet, dass der erste Talwert die niedrigste Spannung unterschreitet. Übermäßiges Überschwingen kann Schutzdioden zerstören und zu vorzeitigem Ausfall führen. Unterschwingen bedeutet, dass der nächste Tal- oder Spitzenwert möglicherweise falsche Taktsignale erzeugt, was zu Fehllese- und Fehlschreibvorgängen des Systems führt.

3). Oszillation

Oszillation ist ebenfalls ein Symptom, das durch Reflexion verursacht wird. Mit derselben Eigenschaft wie das Überschwingen wird wiederholtes Überschwingen und Unterschwingen innerhalb eines Taktzyklus als Oszillation bezeichnet. Es ist das Ergebnis der Tatsache, dass die durch Reflexion erzeugte überschüssige Energie in Schaltungen nicht rechtzeitig absorbiert werden kann.

Methode zur Unterdrückung von Reflexion

Die Hauptelemente, die Reflexionen verursachen, umfassen die geometrische Form der Leitung (Breite, Länge, Winkel der Biegungen), den Übergang innerhalb derselben Netzführungsebene, die Übertragung über Steckverbinder, Diskontinuitäten zwischen Versorgung und Masse, eine fehlerhafte topologische Struktur sowie die Inkompatibilität des Netzabschlusses. Die wichtigsten Unterdrückungsmethoden werden im folgenden Abschnitt vorgestellt.

• Eskalation der Systemfrequenz

Die Flankensteilheit des Signals wird in geeigneten Situationen verringert, sodass die Reflexionen auf den Übertragungsleitungen einen stabilen Zustand erreichen, bevor die Verbindung zwischen einem Signal und der Übertragungsleitung hergestellt wird. Einerseits müssen die Designvorschriften eingehalten werden, andererseits sollten langsame Bauelemente ausgewählt werden, um eine Vermischung unterschiedlicher Signalarten zu vermeiden.

• Optimierung der Signalverarbeitung

Aufgrund strenger Anforderungen an die zeitliche Abfolge müssen Komponenten und Knoten, die Hochgeschwindigkeitsprobleme verursachen können, im Voraus bestimmt werden. Alle Arten von Anforderungen an die Bauteilanordnung und das Routing müssen angepasst werden, und der Designindex der Signalintegrität wird schließlich kontrolliert. Die wichtigsten Verarbeitungsmethoden umfassen:
1).Relativ dünnLeiterplattenwerden angewendet, um die parasitären Parameter von Durchkontaktierungen zu verringern.
2).Die Anzahl der Lagen sollte angemessen angeordnet werden. Die mittleren Lagen sollten vollständig genutzt werden, um Schirme einzurichten, um eine bessere benachbarte Erdung zu ermöglichen, was die parasitäre Induktivität wirksam verringert, die Übertragungslänge der Signale verkürzt und das Übersprechen zwischen Signalen erheblich reduziert.
3).Die geometrische Form der Signalleitungen auf der Leiterplatte sollte so gestaltet werden, dass Wendungen reduziert und Impedanzsprungstellen in der Leiterführung minimiert werden. Insbesondere bei der Leiterführung in Hochfrequenzschaltungen sollten möglichst vollständig gerade Leitungen verwendet werden. Wenn Wendungen erforderlich sind, können gebrochene Linien oder Bögen von 45° eingesetzt werden, was die externe Abstrahlung von Hochfrequenzsignalen und die Kopplung zwischen Hochfrequenzsignalen verringert.
4).Die Führung wichtiger Signalleitungen sollte in derselben Ebene angeordnet werden, um unnötige Durchkontaktierungen zu reduzieren.
5).Die Ebenenintegration sollte sichergestellt werden, um einen Reflow-Pfad mit niedriger Impedanz für Signalleitungen bereitzustellen. Dies zielt darauf ab, die Gleichtaktimpedanzkopplung und das Gleichtaktschaltgeräusch zu verringern oder zu beseitigen, um Signalintegritätsprobleme im Zusammenhang mit dem Stromversorgungssystem zu reduzieren oder zu eliminieren.
6).Anwendung der korrekten topologischen Routing-Struktur.

Die topologische Struktur der Leiterführung bezieht sich auf die Leitungsreihenfolge und die Struktur einer Signalleitung. In praktischen Schaltungen gibt es immer die Situation, dass eine einzelne Treiberquelle mehrere Lasten ansteuert und Treiberquelle und Lasten der Topologie der Struktur entsprechen. Unterschiedliche topologische Strukturen haben offensichtlich einen unterschiedlichen Einfluss auf Signale. Üblicherweise werden bei der Leiterplattenführung zwei grundlegende topologische Strukturen angewendet, nämlich Daisy-Chain- und Stern-Topologie, wie in Abbildung 1 unten dargestellt.

a. Daisy Chain

Das Routing beginnt am sendenden Terminal und erreicht nacheinander jedes empfangende Terminal. Wenn ein Serienwiderstand eingesetzt wird, um die Signaleigenschaften zu verändern, sollte die Position des Serienwiderstands möglichst nahe am sendenden Terminal liegen. Hinsichtlich der Kontrolle höherer Oberwellenstörungen bietet die Daisy-Chain-Führung den besten Routing-Effekt. Allerdings weist diese Art des Routings die geringste Routbarkeit auf, weniger als 100 %. In praktischen Designs sollte die Abzweiglänge in einer Daisy-Chain so kurz wie möglich sein. Der Routing-Spielraum dieser topologischen Struktur ist gering, und ein einzelner Widerstand kann zur Anpassung an den Abschluss verwendet werden. Außerdem führt diese Art von Routing-Struktur dazu, dass die Signalempfangszeiten an den verschiedenen Empfangsterminals nicht mehr synchron sind.

b. Sterntopologie

Diese Art der Leitungsführung kann eine Nichtsynchronisation der Taktsignale wirksam vermeiden, weist jedoch den Nachteil auf, dass jeder Abzweig einen Abschlusswiderstand benötigt. Der Widerstandswert des Abschlusswiderstands sollte mit der Leitungscharakteristikimpedanz kompatibel sein. Für Systeme, bei denen unterschiedliche Signale gleichzeitig am Empfangsterminal benötigt werden, ist die sternförmige Topologie am besten geeignet.

• Kündigungsmethoden

Der Wellenwiderstand auf dem Signalübertragungsweg sollte konstant gehalten werden, das heißt, der Reflexionskoeffizient beträgt 0, was bedeutet, dass es keine Reflexion auf dem Übertragungsweg gibt. Dieser Zustand wird Impedanzanpassung genannt. In diesem Fall werden Signale ideal bis zum Endpunkt übertragen. Üblicherweise sollte die Länge der Übertragungsleitung mit dieser Bedingung kompatibel sein..

In dieser Ungleichung bezeichnet L die Länge der Übertragungsleitung;t_rbezieht sich auf die Anstiegszeit der Signale am Source-Anschluss;t_pd1bezieht sich auf die Lastübertragungsverzögerung pro Längeneinheit auf Übertragungsleitungen. Wenn die integrierte Pegelübertragung stattfindet, bevor die Reflexion am fernen Ende eintrifft, muss eine Abschlussanpassung am Leitungsende angewendet werden. Die Anschlussprinzipien von Übertragungsleitungen umfassen: Wenn entweder der Lastreflexionskoeffizient oder der Quellreflexionskoeffizient null ist, wird die Reflexion beseitigt. Üblicherweise werden zwei Strategien angewendet: Der Quellwiderstand wird an den Leitungswellenwiderstand angepasst, das heißt Quellabschluss, während der Lastwiderstand an den Leitungswellenwiderstand angepasst wird, das heißt Endabschluss.

1). Quellabschluss

Die Quellterminierung ist hauptsächlich eine serielle Terminierungsmethode, die durch das Einfügen eines Serienwiderstands in die Übertragungsleitungen an Positionen in der Nähe des Quellendes realisiert wird. Die Summe aus dem Widerstandswert des Serienwiderstands und des Treiberanschlusses sollte dem Widerstandswert der Übertragungsleitungen entsprechen. Das Prinzip der seriellen Terminierung zur Beseitigung der vom Lastanschluss reflektierten Spannung besteht darin, die zweite Reflexion in den Übertragungsleitungen zu verhindern, wie in Abbildung 2 dargestellt.

2). Endabschluss

Das Hauptprinzip des Endabschlusses besteht darin, einen Pull-up- oder Pull-down-Widerstand an Positionen in der Nähe des Lastanschlusses hinzuzufügen, um eine Impedanzanpassung zu erreichen. Der Endabschluss lässt sich im Allgemeinen in Parallelabschluss mit Einzelwiderstand, RC-Abschluss, Thevenin-Abschluss und Schottky-Dioden-Abschluss unterteilen, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Der Widerstandswert bei einer Einzelwiderstands-Parallelschluss-Terminierung ist gleich der Impedanz der Übertragungsleitungen. Die Werte der beiden Widerstände bei einer Thevenin-Terminierung sollten der folgenden Formel entsprechen:Z₀=R₁R₂/(R₁+R₂). Der Kapazitätswert bei RC-Abschluss folgt der Formel:C=3T/Z₀in demTbezieht sich auf die Anstiegszeit von Signalen, während Z₀bezieht sich auf die Impedanz von Übertragungsleitungen.

Aus Sicht des Systemdesigns sollte zunächst die parallele Terminierung gewählt werden, da sie im Vergleich zu den drei anderen Terminierungsmethoden am besten in der Lage ist, Rauschen, EMI und RFI zu verringern. Entsprechend den praktischen Gegebenheiten wird die geeignete Terminierungsmethode ausgewählt, und falls erforderlich, sollte ein Simulationsdesign durchgeführt werden.

Fazit

InHochgeschwindigkeits-PCB-DesignErfolgreiche Voraussetzungen umfassen ein vernünftiges Layout und Routing, die Vermeidung unnötiger Wendungen und Durchkontaktierungen, Impedanzkontinuität, integrierte Signalreferenzebenen und eine hervorragende Erdung. Um das Design und die Signalintegrität zu optimieren und eine höhere elektromagnetische Verträglichkeit zu erreichen, sollte eine Design-Simulationsverifizierung durchgeführt werden. Sie hilft Entwicklern, Designfehler rechtzeitig zu beheben und Mängel im PCB-Design auszugleichen.

Hilfreiche Ressourcen
•Tipps für High-Speed-Layout
•Herausforderungen der Hochgeschwindigkeits‑PCB‑Entwicklung in Bezug auf Signalintegrität und deren Lösungen
•Signalintegritätsanalyse und PCB-Design für hochfrequente digital-analoge Mischschaltungen
•Umfassender Leiterplatten-Fertigungsservice von PCBCart – zahlreiche wertsteigernde Optionen
•Fortschrittlicher Leiterplattenbestückungsservice von PCBCart – ab 1 Stück