Desafíos de integridad de señal en el diseño de PCB de alta velocidad y sus soluciones

Con el constante progreso de las tecnologías electrónicas, el aumento de la alta frecuencia del reloj en los sistemas digitales y el tiempo de subida cada vez más corto, el sistema de PCB se ha convertido en una estructura de sistema de alto rendimiento, mucho más que una simple plataforma de soporte para componentes. Desde la perspectiva del rendimiento eléctrico, la interconexión entre señales de alta velocidad ya no es expedita ni transparente y la influencia de la interconexión entre conductores enPCB de alta velocidady las propiedades del plano de la placa ya no pueden pasarse por alto. Tratar con éxito los problemas de integridad de señal, incluidos la reflexión, la diafonía, el retardo, la llamada y la adaptación de impedancias causados por la interconexión de señales de alta velocidad y garantizar la calidad de la transmisión de la señal determina el éxito del diseño.

Teoría básica de la integridad de señal en PCB

• Circuito de alta velocidad y su principio de determinación

El término que define un circuito de alta velocidad se presenta principalmente en dos versiones. Por un lado, en un circuito, cuando el retardo de las señales digitales en las líneas de transmisión supera el 20% del tiempo de subida, este circuito puede considerarse como un circuito de alta velocidad. Por otro lado, en un circuito, cuando la frecuencia del circuito digital analógico alcanza o supera los 45 MHz a 50 MHz, el circuito se considera de alta velocidad.

Básicamente, siL(la longitud de los cables) es mayor queT_r, el circuito se considera un circuito de alta velocidad; siLes menor queT_r, el circuito se considera un circuito de baja velocidad. Aquí,T_rse refiere al tiempo de subida del flanco del pulso.

• Velocidad de transmisión de la señal y tiempo de subida del flanco del pulso

La velocidad de transmisión de la señal en el aire es de 3 x 10⁸m/s; la constante dieléctrica del FR4, que es el material de la PCB, se muestra como ε_res decir, 4. La velocidad de transmisión de la señal en una PCB se puede calcular usando la fórmula.

V_pes igual a 15 cm/ns, que es aproximadamente 6 pulgadas/ns. Tiempo de subida del flanco del pulsoT_r=1/(10 xf_clic) y el tiempo de flanco de subida de la señal de 100 MHz es de 1 ns. Cuando el retardo de las señales en el ruteo de la PCB es superior al 20% del tiempo de flanco de subida, se producirán reflexiones evidentes en las señales. Para una onda cuadrada cuyo tiempo de subida es de 1 ns (100 MHz), cuando la longitud del ruteo de la PCB es superior a 0,2 ns x 6 = 1,2 pulgadas, se producirán reflexiones graves en las señales. Por lo tanto, la longitud crítica es de 1,2 pulgadas (aproximadamente 3 cm).

• Impedancia característica

La impedancia característica es un parámetro importante en el acoplamiento de impedancias que influye en la reflexión, el ringing, el sobreimpulso y el subimpulso, y se relaciona directamente con la integridad de la transmisión de señales de alta velocidad, lo cual es muy importante en el diseño de alta velocidad.

Las señales se transmiten a lo largo de las líneas de transmisión, cuya relación entre tensión y corriente se considera como impedancia transitoria. La impedancia transitoria en las líneas de transmisión se calcula mediante la fórmula. En esta fórmula,C_lse refiere a la capacidad por cada unidad de longitud cuya unidad es pF/pulgada (normalmente es 3,3 pF/pulgada). Cuando la impedancia transitoria a lo largo de las líneas de transmisión es un valor constante, este valor se considera como la impedancia característica en las líneas de transmisión. Para las microcintas y las líneas strip en PCB, su impedancia característica puede calcularse mediante la herramienta de diseño de líneas de transmisión Polar Si9000, que se muestra en la Figura 1.

Elementos que influyen en la integridad de la señal y soluciones

• Adaptación de impedancia

La adaptación de impedancia se requiere en el diseño de circuitos de alta velocidad para garantizar una transmisión de datos rápida y correcta. El sistema de adquisición de datos generalmente está compuesto por un sensor, un instrumento de acondicionamiento de señal, un chip de adquisición de datos AD, un FPGA y una SDRAM, como se muestra en la Figura 2.

El AD9649 se aplica como chip AD con una fuente de alimentación de 1,8 V y muestreo paralelo mediante una línea de datos de 14 bits. La frecuencia de muestreo se establece en 20M. Se selecciona el PCI9054 como chip de interfaz PCI, que admite transmisión de datos DMA. Se selecciona el 93LC66B como chip de configuración PCI. El HY57V561620FTP-H se aplica como almacenamiento de datos, compuesto por 4 BANKs, cada uno de los cuales tiene un espacio de memoria de 4M x 16 bits, 13 líneas de dirección de fila y 9 líneas de dirección de columna. El EP1C6F256C8 se elige como FPGA con un voltaje terminal de 3,3 V y un voltaje de núcleo de 1,5 V. El ancho del bus PCI es de 32 bits con un reloj de 33 MHz seleccionado como reloj de escritura y lectura, y la velocidad máxima de escritura y lectura alcanza los 132 MByte por segundo, capaz de soportar la transmisión de alta velocidad de datos acumulados.

En el proceso de diseño de PCB se deben tener en cuenta los siguientes elementos:

a.Como parte mixta de digital y analógico, el AD es uno de los puntos clave en el diseño de PCB. Debido a la alta frecuencia de la parte digital, la parte analógica es bastante sensible a las interferencias. Si no se implementa un procesamiento adecuado, las señales digitales tenderán a interferir con las señales analógicas, de modo que se producirán problemas de EMI. Los principios correctos que deben seguir los diseñadores son: primero, la tierra digital y la tierra analógica deben estar separadas en la PCB con señales mixtas; segundo, los componentes electrónicos analógicos y digitales se clasifican, distribuyendo la tierra analógica en el área analógica y la tierra digital en el área digital; tercero, la tierra analógica y la tierra digital se conectan con perlas magnéticas alrededor de la región de segmentación. Estas medidas son capaces de implementar la separación entre la tierra digital y la tierra analógica.

b.La SDRAM se aplica en el sistema de acumulación de datos y el manual indica claramente que las líneas de datos que están conectadas con el FPGA deben configurarse con una adaptación de impedancia de 50 Ω para garantizar la transmisión de alta velocidad, como se muestra en la Figura 3.

Después de que el FPGA escriba los datos acumulados en la SDRAM, es necesario realizar refrescos de forma constante para mantener los datos, y el período de refresco de cada fila debe ser inferior a 64 milisegundos.

Los pasos de adaptación de impedancia mediante el software Polar Si9000 se muestran a continuación:

a.Las líneas de señal de alta velocidad deben cruzar la superficie superior de la PCB y se deben evitar los orificios tanto como sea posible. En el software se selecciona el modelo de estructura de línea microstrip, como se muestra en la Figura 4.

La adaptación de impedancia de 50 Ω se realiza generalmente en el ruteo de terminal único y la adaptación de impedancia de 90 Ω se realiza generalmente en el ruteo diferencial (como USB2.0 D+, D-).

b.Valor de adaptación de impedancia necesario y valores específicos deFabricación de PCBLa técnica se completa en la interfaz de software con parámetros que incluyen el espesor del dieléctrico, la constante dieléctrica del material de PCB, el espesor de la lámina de cobre, el espesor de la máscara de soldadura verde y la constante dieléctrica de la máscara de soldadura verde.

Se pueden conocer parámetros específicos de la técnica de fabricación mediante la comunicación conFabricante de PCBde modo que se pueda determinar el ancho de las pistas. Para las líneas microstrip diferenciales, también se debe determinar la distancia entre las pistas (S1).

c.Si el ancho calculado de las pistas es relativamente grande y el ruteo de la PCB no puede completarse, es necesario comunicarse más con los fabricantes de PCB para ajustar los parámetros de la técnica de fabricación cumpliendo con los requisitos de diseño.

• Diafonía

La diafonía se refiere a la interferencia inesperada de ruido de tensión en líneas de transmisión adyacentes como resultado del acoplamiento electromagnético cuando se están transmitiendo señales en las líneas de transmisión. Demasiada diafonía puede provocar disparos falsos del circuito, de modo que el sistema no pueda funcionar con normalidad. La diafonía se genera por acoplamiento electromagnético y el acoplamiento se divide en acoplamiento capacitivo y acoplamiento inductivo. El primero es en realidad una interferencia electromagnética producida por la corriente inducida que se genera como resultado del cambio de tensión en la fuente de interferencia, mientras que el segundo es en realidad una interferencia electromagnética producida por la tensión inducida que se genera como resultado del cambio de corriente en la fuente de interferencia. A medida que cambia el estado de la fuente de interferencia, se generará una serie de pulsos de interferencia en los objetos afectados, lo cual es muy común en sistemas de alta velocidad.

Las medidas para hacer frente a la diafonía se muestran a continuación:
a.Se debe mantener la ortogonalidad en las direcciones de ruteo entre planos adyacentes. Se debe evitar la misma dirección en planos adyacentes con diferentes líneas de señal para reducir la diafonía. Especialmente cuando la velocidad de la señal es relativamente alta, se debe considerar el uso de tierra para separar los planos de ruteo y las líneas de señal deben estar separadas por líneas de señal de tierra.
b.Para reducir la diafonía entre líneas, el espaciado entre ellas debe ser lo suficientemente grande. Cuando la distancia entre los centros de las líneas no es inferior a tres veces el ancho de la línea, se puede evitar que el 70% del campo eléctrico sufra interferencias mutuas, lo que se conoce como el principio 3W.
c.En la situación en la que las líneas de señal de alta velocidad cumplen el requisito, se puede aplicar adaptación en el terminal de unión para reducir o eliminar la reflexión y disminuir la diafonía.

Aplicación del método de diseño de integridad de señal

En el proceso de diseño de PCB, se han resumido muchas reglas de diseño basadas en la teoría de integridad de señal. Con referencia a estasReglas de diseño de PCB, se puede obtener una mejor integridad de la señal. En el proceso de diseño de PCB, es necesario conocer en detalle la información de diseño, incluyendo:
a.Posición de distribución de los componentes y si existen requisitos especiales para los componentes de gran potencia y disipación de calor en los componentes del chip.
b.Clasificación de señales, velocidad de transmisión, dirección de transmisión y requisito de adaptación de impedancia.
c.Capacidad de conducción de la señal, señal clave y medidas de protección.
d.Tipos de alimentación, tierra, requisitos de límite de ruido de la alimentación y la tierra, configuración del plano de alimentación y del plano de tierra y su división.
e.Tipo y velocidad de las líneas de reloj, fuente de las líneas de reloj, dirección, requisito de retardo del reloj y requisito máximo de encaminamiento.

La innovación en electrónica exige diseños de PCB sofisticados para mantener la integridad de la señal a altas velocidades, resolviendo problemas como la reflexión y la diafonía. El ruteo preciso, la colocación de componentes y la correcta adaptación de impedancias son cruciales para garantizar un rendimiento impecable.

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Recursos útiles:
•3 Técnicas de Enrutamiento en el Diseño de Circuitos de Señales de Alta Velocidad en PCB
•Método de supresión de la reflexión de señales en el diseño de PCB de alta velocidad
•Análisis de integridad de señal y diseño de PCB en circuitos mixtos digital-analógicos de alta velocidad
•Control de impedancia de los vías y su influencia en la integridad de la señal en el diseño de PCB
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