Con el próximo desarrollo de la ciencia y la tecnología electrónicas, el sistema electrónico compuesto por circuitos integrados (IC) se está desarrollando rápidamente hacia una gran escala, la miniaturización y la alta velocidad. Al mismo tiempo, surge también un problema: la reducción del volumen del sistema electrónico conduce al aumento de la densidad de enrutamiento del circuito, mientras que la frecuencia de la señal se incrementa constantemente y el tiempo de transición de flanco de la señal se acorta. Cuando el retardo de interconexión de las señales es mayor que el tiempo de transición de la señal en un 10%, las pistas de señal en la placa presentan el efecto de líneas de transmisión, haciendo que una serie de problemas como la reflexión de señal y la diafonía se vuelvan cada vez más prominentes. La aparición del problema de alta velocidad plantea un desafío mayor para el diseño de hardware y, si algunos diseños que se consideran correctos desde la perspectiva lógica no se tratan adecuadamente, todo el diseño fracasará. Por lo tanto, cómo resolver los problemas de los circuitos de alta velocidad se ha convertido en uno de los elementos esenciales que determinan el éxito del sistema.
Principios de la reflexión y su influencia
• Principios de reflexión
La razón directa de la reflexión radica en la incompatibilidad de la impedancia de las líneas de transmisión, lo que conduce a la absorción incompleta de la energía de la señal en el terminal. El problema de la reflexión refleja la calidad de la señal de una sola red, relacionado con las propiedades físicas de la ruta de la señal de una sola red y la ruta de retorno. Por lo general, las propiedades físicas deEnrutamiento de PCBtiene una gran influencia en las líneas de transmisión, incluyendo principalmente el material del ruteo, el ancho del ruteo, el grosor del ruteo, la distancia entre otros planos de ruteo y planos, y la constante dieléctrica del material adyacente. Cuando las señales se transmiten a lo largo de una única red, se generará un cambio transitorio de impedancia en las líneas de interconexión. Si la impedancia de interconexión percibida por las señales se mantiene sin cambios, se conservará la no distorsión. Si la impedancia de interconexión percibida por las señales sigue cambiando, se generará distorsión con reflexión producida en el punto de cambio. La señal reflejada será transmitida de vuelta al extremo emisor de las señales y será reflejada nuevamente hasta que se reduzca con la disminución de la energía. Finalmente, el voltaje y la corriente de las señales se estabilizarán.
• Cálculo de la reflexión
Cuando las señales se transmiten hacia adelante a lo largo de las líneas de transmisión, se sentirá una impedancia transitoria en cualquier momento. Si la impedancia que sienten las señales es constante, se transmitirán hacia adelante con normalidad. Siempre que la impedancia sentida cambie, se producirá reflexión sin importar la causa. El índice significativo que mide la cantidad de reflexión es el coeficiente de reflexión, que indica la relación entre el voltaje reflejado y el voltaje de la señal original. El coeficiente de reflexión puede definirse según la fórmula
.
En esta fórmula, Z1se refiere a la impedancia después del cambio mientras que Z0la impedancia antes del cambio. Supongamos que la impedancia característica del ruteo en la PCB es de 50 Ω. En el proceso de transmisión, se encuentra una resistencia de 150 Ω y entonces el coeficiente de reflexión es (150-50)/(150+50)=1/2 (en esta circunstancia, no se considera la influencia de la capacitancia e inductancia parásitas, tomando la resistencia como una resistencia pura ideal). Este resultado indica que la mitad de la energía de la señal original se transmite de vuelta al terminal de origen. Si el voltaje de las señales de transmisión es de 5 V, el voltaje de reflexión es de 2,5 V.
• Influencia de la reflexión
1). Distorsión de la señal causada por la reflexión
Si un conductor no se termina correctamente, el pulso de señal desde el extremo de conducción se reflejará en el terminal de recepción. Cuando las señales reflejadas son bastante fuertes, la forma de onda superpuesta posiblemente cambiará la condición lógica, lo que conduce a efectos imprevistos y provoca distorsión del contorno de la señal. Cuando la distorsión se vuelve tan evidente, es posible que se produzcan numerosos errores y que el diseño falle. Al mismo tiempo, las señales distorsionadas son más sensibles al ruido, lo que también provocará el fallo del diseño.
2). Sobreimpulso y subimpulso causados por la reflexión
La sobresaturación se refiere al hecho de que el primer valor de pico o de valle excede el voltaje. Para el flanco de subida, se refiere a que el primer valor de pico excede el voltaje más alto, mientras que para el flanco de bajada, se refiere a que el primer valor de valle excede el voltaje más bajo. Una sobresaturación exagerada posiblemente destruirá los diodos de protección, lo que provocará una falla prematura. La suboscilación se refiere al hecho de que el siguiente valor de valle o de pico posiblemente generará señales de reloj falsas, lo que conducirá a operaciones de lectura y escritura erróneas del sistema.
3). Oscilación
La oscilación también es un síntoma causado por la reflexión. Con la misma propiedad que el sobreimpulso, la repetición de sobreimpulsos y subimpulsos se denomina oscilación dentro de un ciclo de reloj. Es el resultado de que la energía redundante generada por la reflexión no logra ser absorbida a tiempo en los circuitos.
Método de supresión de reflejos
Los principales elementos que provocan reflexión incluyen la forma geométrica del ruteo (ancho, longitud, ángulos de giro), la conversión del mismo plano de ruteo de la red, la transmisión a través de conectores, la discontinuidad entre potencia y tierra, la estructura topológica incorrecta y la incompatibilidad del extremo de la red. Los principales métodos de supresión se presentarán en la siguiente parte.
• Escalada de frecuencia del sistema
La velocidad de transición del flanco de la señal se reduce en las situaciones posibles para que la reflexión de las líneas de transmisión alcance un estado estable antes de la conexión entre una señal y la línea de transmisión. Por un lado, deben cumplirse las normas de diseño; por otro lado, se deben seleccionar componentes de baja velocidad para evitar la mezcla entre diferentes tipos de señales.
• Optimización del procesamiento de señales
Debido a las estrictas exigencias en cuanto a la secuenciación temporal, es necesario determinar de antemano los componentes y nodos que puedan causar problemas de alta velocidad. Todo tipo de requisitos relacionados con la disposición de los componentes y el ruteo deben ajustarse y, finalmente, se controlará el índice de diseño de la integridad de la señal. Los principales métodos de procesamiento incluyen:
1).Relativamente delgadoPlacas PCBse aplican con el fin de disminuir los parámetros parasitarios de los orificios pasantes.
2).El número de capas debe disponerse de manera adecuada. Las capas intermedias deben aprovecharse plenamente para establecer blindajes que permitan implementar mejor la puesta a tierra adyacente, lo que reducirá eficazmente la inductancia parasitaria, acortará la longitud de transmisión de las señales y aumentará considerablemente la diafonía entre señales.
3).La forma geométrica de las líneas de señal en la PCB debe controlarse reduciendo los giros y minimizando los puntos de discontinuidad de impedancia en el ruteo. Especialmente para el ruteo en circuitos de alta frecuencia, se deben emplear líneas completamente rectas. Cuando se requieran giros, se pueden utilizar líneas quebradas o arcos de 45°, lo que reducirá la radiación externa de las señales de alta frecuencia y el acoplamiento entre señales de alta frecuencia.
4).El enrutamiento de las líneas de señal importantes debe disponerse en el mismo plano para reducir orificios pasantes innecesarios.
5).Se debe garantizar la integridad del plano para proporcionar una ruta de retorno de baja impedancia para las líneas de señal. El objetivo es reducir el acoplamiento de impedancia en modo común y el ruido de conmutación en modo común, a fin de disminuir o eliminar los problemas de integridad de señal relacionados con el sistema de alimentación.
6).Aplicación de la estructura topológica de enrutamiento correcta.
La estructura topológica del ruteo se refiere a la secuencia de ruteo y a la estructura de una línea de señal. En los circuitos prácticos, siempre existe una situación en la que una única fuente de excitación impulsa múltiples cargas y la fuente de excitación y las cargas se ajustan a la topología de la estructura. Diferentes estructuras topológicas tienen una influencia claramente distinta sobre las señales. Por lo general, en el ruteo de PCB se aplican dos tipos de estructuras topológicas básicas: la topología en cadena (daisy chain) y la topología en forma de estrella, como se muestra en la Figura 1 a continuación.
a. Conexión en cadena
El ruteo comienza desde el terminal de conducción y llega secuencialmente a cada terminal de recepción. Si se aplica una resistencia en serie para cambiar las propiedades de la señal, la posición de la resistencia en serie debe estar muy cerca del terminal de conducción. En términos de control de interferencias de armónicos superiores, la cadena en margarita ofrece el mejor efecto de ruteo. Sin embargo, este tipo de ruteo presenta la menor enrutablez, inferior al 100%. En diseños prácticos, la longitud de las ramas en una cadena en margarita debe ser lo más corta posible. El espacio de ruteo de esta estructura topológica es pequeño y se puede aplicar una sola resistencia para compatibilizar con la terminación. Además, este tipo de estructura de ruteo hace que la recepción de la señal no esté sincronizada en los diferentes terminales de recepción de señal.
b. Topología en estrella
Este tipo de encaminamiento es capaz de evitar eficazmente la falta de sincronización de las señales de reloj, pero presenta la desventaja de que se requiere una resistencia terminal en cada rama. El valor de la resistencia terminal debe ser compatible con la impedancia característica en línea. Para los sistemas en los que diferentes señales tienen requisitos simultáneos en el terminal de recepción, la topología en estrella es la más adecuada.
• Métodos de terminación
La impedancia característica en la ruta de transmisión de la señal debe mantenerse constante, es decir, el coeficiente de reflexión es 0, lo que significa que no hay reflexión en la ruta de transmisión. Esta situación se denomina compatibilidad de impedancia. En este momento, las señales se transmiten idealmente hasta el terminal. Generalmente, la longitud de la línea de transmisión debe ser compatible con la condición
.
En esta inecuación, L se refiere a la longitud de la línea de transmisión;trse refiere al tiempo de subida de las señales del terminal de origen;tpd1se refiere al retardo de transmisión de carga por unidad de longitud en las líneas de transmisión. Cuando la transferencia de nivel integrada tiene lugar antes de que la reflexión llegue al terminal lejano, es necesario aplicar la tecnología de adaptación de terminal. Los principios de conexión de terminales de las líneas de transmisión incluyen: si el coeficiente de reflexión de carga o el coeficiente de reflexión de fuente es cero, la reflexión se eliminará. Comúnmente se aplican dos estrategias: la impedancia de la fuente se hace compatible con la impedancia de la línea de transmisión, es decir, terminación en la fuente, mientras que la impedancia de carga se hace compatible con la impedancia de la línea de transmisión, es decir, terminación en el extremo.
1). Terminación de origen
La terminación en la fuente es principalmente un método de terminación en serie implementado mediante la inserción de una resistencia en serie en las líneas de transmisión en posiciones adyacentes al extremo cercano a la fuente. La suma del valor de resistencia de la resistencia en serie y del terminal de accionamiento debe ser igual al valor de resistencia de las líneas de transmisión. El principio de la terminación en serie para eliminar el voltaje reflejado desde el terminal de carga consiste en detener la segunda reflexión de las líneas de transmisión, como se muestra en la Figura 2.
2). Terminación final
El principio principal de la terminación en el extremo consiste en añadir una resistencia de pull-up o pull-down en posiciones adyacentes al terminal de carga para lograr la adaptación de impedancia. La terminación en el extremo puede dividirse comúnmente en terminación paralela con una sola resistencia, terminación RC, terminación de Thévenin y terminación con diodo Schottky, como se muestra en la Figura 3.
El valor de resistencia en la terminación en paralelo de una sola resistencia es igual a la impedancia de las líneas de transmisión. Los valores de dos resistencias en la terminación de Thévenin deben seguir la fórmula:Z0=R1R2/(R1+R2). El valor de la capacitancia en la terminación RC sigue la fórmula:C=3T/Z0en la queTse refiere al tiempo de subida de las señales mientras que Z0se refiere a la impedancia de las líneas de transmisión.
Desde la perspectiva del diseño del sistema, la terminación en paralelo debería elegirse primero porque es la más capaz de reducir el ruido, EMI y RFI en comparación con los otros tres métodos de terminación. De acuerdo con las circunstancias prácticas, se selecciona el método de terminación adecuado y, cuando sea necesario, se debe implementar un diseño de simulación.
Conclusión
Endiseño de PCB de alta velocidad, los requisitos previos para el éxito incluyen una distribución y un ruteo razonables, la evitación de giros y vías pasantes innecesarios, la continuidad de la impedancia, planos de referencia de señal integrados y una excelente puesta a tierra. Para optimizar el diseño y la integridad de la señal y obtener una mayor compatibilidad electromagnética, se debe implementar la verificación mediante simulación de diseño. Esto ayuda a los diseñadores a abordar a tiempo los defectos de diseño y compensar las deficiencias en el diseño de PCB.
Recursos útiles
•Consejos de diseño de alta velocidad
•Desafíos de diseño de PCB de alta velocidad en la integridad de señal y sus soluciones
•Análisis de integridad de señal y diseño de PCB en circuitos mixtos analógico-digitales de alta velocidad
•Servicio completo de fabricación de PCB de PCBCart - Múltiples opciones de valor añadido
•Servicio avanzado de ensamblaje de PCB de PCBCart - Desde 1 pieza
