Con il continuo progresso delle tecnologie elettroniche, l’aumento dell’alta frequenza del clock nei sistemi digitali e il tempo di salita sempre più breve, il sistema PCB è diventato una struttura di sistema ad alte prestazioni, ben più di una semplice piattaforma di supporto per i componenti. Dal punto di vista delle prestazioni elettriche, l’interconnessione tra segnali ad alta velocità non è più rapida o trasparente e l’influenza dell’interconnessione tra conduttori suPCB ad alta velocitàe le proprietà del piano della scheda non possono più essere trascurate. Gestire con successo i problemi di integrità del segnale, inclusi riflessione, diafonia, ritardo, chiamata e adattamento di impedenza causati dall’interconnessione di segnali ad alta velocità ed assicurare la qualità della trasmissione del segnale determina il successo del progetto.
Teoria di base dell’integrità del segnale nei PCB
• Circuito ad alta velocità e il suo principio di determinazione
Il termine che definisce un circuito ad alta velocità si presenta principalmente in due versioni. Da un lato, in un circuito, quando il ritardo dei segnali digitali sulle linee di trasmissione supera il 20% del tempo di salita del fronte, questo circuito può essere considerato un circuito ad alta velocità. Dall’altro lato, in un circuito, quando la frequenza del circuito digitale analogico raggiunge o supera i 45 MHz–50 MHz, il circuito è considerato un circuito ad alta velocità.
Fondamentalmente, seL(la lunghezza dei lead) è maggiore diTr, il circuito è considerato un circuito ad alta velocità; seLè minore diTril circuito è considerato un circuito a bassa velocità. Qui,Trsi riferisce al tempo di salita del fronte del impulso.
• Velocità di trasmissione del segnale e tempo di salita del fronte dell’impulso
La velocità di trasmissione del segnale nell'aria è 3 x 108m/s; la costante dielettrica dell’FR4, che è il materiale del PCB, è indicata come εrcioè 4. La velocità di trasmissione del segnale nel PCB può essere calcolata utilizzando la formula
.
Vpè uguale a 15 cm/ns, cioè circa 6 pollici/ns. Tempo di salita del fronte dell’impulsoTr=1/(10 xfclk) e il tempo di salita del segnale a 100 MHz è di 1 ns. Quando il ritardo dei segnali sul routing del PCB supera il 20% del tempo di salita, si verificherà un evidente rimbalzo sui segnali. Per un’onda quadra il cui tempo di salita è 1 ns (100 MHz), quando la lunghezza del routing del PCB supera 0,2 ns x 6 = 1,2 pollici, si verificherà un forte rimbalzo sui segnali. Pertanto, la lunghezza critica è 1,2 pollici (circa 3 cm).
• Impedenza caratteristica
L’impedenza caratteristica è un parametro importante nell’adattamento di impedenza che influisce sulla riflessione, il ringing, l’overshoot e l’undershoot ed è direttamente correlata all’integrità della trasmissione di segnali ad alta velocità, risultando quindi molto importante nella progettazione ad alta velocità.
I segnali si trasmettono lungo le linee di trasmissione, il cui rapporto tra tensione e corrente è considerato come impedenza transitoria. L’impedenza transitoria sulle linee di trasmissione è calcolata mediante la formula
. In questa formula,Clsi riferisce alla capacità per ogni unità di lunghezza, la cui unità è pF/pollice (di solito è 3,3 pF/pollice). Quando l’impedenza transitoria lungo le linee di trasmissione è un valore costante, questo valore è considerato come l’impedenza caratteristica delle linee di trasmissione. Per le microstrip e le stripline su PCB, la loro impedenza caratteristica può essere calcolata con lo strumento di progettazione di linee di trasmissione Polar Si9000, mostrato in Figura 1.
Elementi che influenzano l'integrità del segnale e soluzioni
• Adattamento di impedenza
Nel design di circuiti ad alta velocità è necessario il matching di impedenza per garantire una trasmissione dei dati rapida e corretta. Il sistema di acquisizione dati è generalmente composto da sensore, strumento di condizionamento del segnale, chip di acquisizione dati AD, FPGA e SDRAM, come mostrato in Figura 2.
L’AD9649 è utilizzato come chip AD con un’alimentazione di 1,8 V e campionamento parallelo tramite una linea dati a 14 bit. La frequenza di campionamento è impostata a 20M. Il PCI9054 è scelto come chip di interfaccia PCI, supportando la trasmissione dati DMA. Il 93LC66B è scelto come chip di configurazione PCI. L’HY57V561620FTP-H è utilizzato come memoria di archiviazione dati, composta da 4 BANK, ciascuna con uno spazio di memoria di 4M x 16 bit, 13 linee di indirizzo di riga e 9 linee di indirizzo di colonna. L’EP1C6F256C8 è scelto come FPGA con una tensione di terminale di 3,3 V e una tensione di core di 1,5 V. La larghezza del bus PCI è di 32 bit con un clock a 33 MHz scelto come clock di scrittura e lettura e la velocità massima di scrittura e lettura raggiunge 132 MByte al secondo, in grado di supportare la trasmissione ad alta velocità dei dati accumulati.
Nel processo di progettazione dei PCB occorre prendere in considerazione i seguenti elementi:
a.Come parte mista digitale e analogica, l’AD è uno dei punti chiave nella progettazione PCB. A causa dell’alta frequenza della parte digitale, la parte analogica è piuttosto sensibile alle interferenze. Se non viene implementata un’elaborazione adeguata, i segnali digitali tenderanno a interferire con i segnali analogici, causando problemi di EMI. I principi corretti che i progettisti devono seguire dovrebbero essere: primo, la massa digitale e la massa analogica devono essere separate sul PCB con segnali misti; secondo, i componenti elettronici analogici e digitali devono essere classificati, con la massa analogica distribuita nell’area analogica e la massa digitale distribuita nell’area digitale; terzo, la massa analogica e la massa digitale devono essere collegate con perle di ferrite intorno alla regione di separazione. Queste misure sono in grado di realizzare la separazione tra massa digitale e massa analogica.
b.La SDRAM è applicata in un sistema di accumulo dati e il manuale indica chiaramente che le linee dati collegate con l’FPGA devono essere configurate con un adattamento d’impedenza di 50Ω per garantire la trasmissione ad alta velocità, come mostrato in Figura 3.
Dopo che l'FPGA ha scritto i dati accumulati nella SDRAM, è necessario eseguire costantemente il refresh per mantenere i dati e il periodo di refresh di ogni riga deve essere inferiore a 64 millisecondi.
I passaggi dell’adattamento di impedenza tramite il software Polar Si9000 sono mostrati come segue:
a.Le linee di segnale ad alta velocità dovrebbero attraversare la superficie superiore del PCB ed è necessario evitare i fori il più possibile. Nel software viene selezionato il modello di struttura a linea microstrip, come mostrato in Figura 4.
L’adattamento di impedenza a 50Ω viene generalmente effettuato sul routing a singolo terminale e l’adattamento di impedenza a 90Ω viene generalmente effettuato sul routing differenziale (come USB2.0 D+, D-).
b.Valore di adattamento d'impedenza necessario e valori specifici diFabbricazione di PCBLe tecniche vengono inserite sull'interfaccia software con parametri che includono lo spessore del dielettrico, la costante dielettrica del materiale PCB, lo spessore del foglio di rame, lo spessore della vernice verde e la costante dielettrica della vernice verde.
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Articolo
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Descrizione
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Valore di riferimento e calcolato
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| H1 |
Spessore dielettrico (PP o materiale del circuito stampato) |
3,5-8,5 milioni |
| Er1 |
Costante dielettrica del materiale della scheda |
4-4,6 |
| W1 |
Larghezza di instradamento del segnale |
Basato sul valore di impedenza |
| C1 |
Spessore dell’IOL verde del materiale del substrato |
0,8mil |
| C2 |
Spessore di olio verde su rame |
0,5 mil |
| CEr |
Costante dielettrica dell’olio verde |
3,3 |
| Zo |
Valore di impedenza da adattare |
Terminale singolo: 50Ω
Differenziale: 90Ω |
Parametri specifici della tecnica di fabbricazione possono essere conosciuti attraverso la comunicazione conProduttore di PCBin modo che si possa determinare la larghezza delle piste. Per le linee microstrip differenziali, anche la distanza tra le piste (S1) deve essere determinata.
c.Se la larghezza calcolata delle piste è relativamente grande e il routing del PCB non può essere completato, è necessario comunicare ulteriormente con i produttori di PCB per regolare i parametri della tecnica di fabbricazione, in modo da soddisfare i requisiti di progettazione.
• Diafonia
La diafonia si riferisce a un’interferenza di rumore di tensione imprevista sulle linee di trasmissione adiacenti, risultante dall’accoppiamento elettromagnetico quando i segnali vengono trasmessi sulle linee di trasmissione. Un’eccessiva diafonia può portare a falsi inneschi del circuito, impedendo al sistema di funzionare normalmente. La diafonia è generata dall’accoppiamento elettromagnetico e l’accoppiamento è suddiviso in accoppiamento capacitivo e accoppiamento induttivo. Il primo è in realtà un’interferenza elettromagnetica dovuta alla corrente indotta causata dalla variazione di tensione alla sorgente di interferenza, mentre il secondo è in realtà un’interferenza elettromagnetica dovuta alla tensione indotta causata dalla variazione di corrente alla sorgente di interferenza. Quando lo stato della sorgente di interferenza cambia, viene generata una serie di impulsi di interferenza sugli oggetti disturbati, fenomeno molto comune nei sistemi ad alta velocità.
Le misure per affrontare la diafonia sono riportate come segue:
a.L’ortogonalità deve essere mantenuta nelle direzioni di instradamento tra piani adiacenti. La stessa direzione deve essere evitata in piani adiacenti con linee di segnale diverse, al fine di ridurre il crosstalk. In particolare, quando la velocità del segnale è relativamente elevata, occorre considerare l’uso del piano di massa per separare i piani di instradamento e le linee di segnale devono essere separate da linee di segnale di massa.
b.Per ridurre il crosstalk tra le linee, la spaziatura tra le linee deve essere sufficientemente ampia. Quando la distanza tra i centri delle linee è almeno tre volte la larghezza della linea, il 70% del campo elettrico può essere impedito dal causare interferenze reciproche, il che è il principio 3W.
c.Nella situazione in cui le linee di segnale ad alta velocità soddisfano i requisiti, è possibile applicare il matching al terminale di giunzione per ridurre o eliminare le riflessioni e diminuire il crosstalk.
Applicazione del metodo di progettazione dell'integrità del segnale
Nel processo di progettazione PCB, sono state riassunte molte regole di progettazione basate sulla teoria dell’integrità del segnale. Con riferimento a questeRegole di progettazione PCB, si può ottenere una migliore integrità del segnale. Nel processo di progettazione PCB, le informazioni di progettazione devono essere conosciute in dettaglio, includendo:
a.Posizione di layout dei componenti, se ci sono requisiti speciali per i componenti con grande potenza e dissipazione del calore sui componenti a chip.
b.Classificazione dei segnali, velocità di trasmissione, direzione di trasmissione e requisiti di adattamento di impedenza.
c.Capacità di pilotaggio del segnale, segnale chiave e misure di protezione.
d.Tipi di alimentazione, massa, requisiti di limite del rumore per alimentazione e massa, impostazione del piano di alimentazione e del piano di massa e loro suddivisione.
e.Tipo e velocità delle linee di clock, sorgente delle linee di clock, direzione, requisito di ritardo del clock e requisito massimo di instradamento.
L’innovazione nell’elettronica richiede progetti PCB sofisticati per mantenere l’integrità del segnale ad alte velocità, risolvendo problemi come riflessione e diafonia. Un instradamento preciso, il posizionamento dei componenti e il corretto adattamento di impedenza sono fondamentali per garantire prestazioni impeccabili.
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Risorse utili:
•3 Tecniche di Instradamento nella Progettazione di Circuiti a Segnale ad Alta Velocità su PCB
•Metodo di soppressione della riflessione del segnale nel layout PCB ad alta velocità
•Analisi dell’integrità del segnale e progettazione PCB su circuiti misti digitale-analogici ad alta velocità
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