La maggior parte dei progetti PCB inizia con uno schema corretto e verificato a disposizione. Il lavoro impegnativo di convertire poi il progetto dello schema in un PCB finale deve quindi essere intrapreso. Molto spesso, il PCB non funziona anche se il progetto originale del circuito è stato realizzato con cura. Anche se uno schema è stato verificato tramite simulazione, ciò che la simulazione del progetto non riesce a tenere in considerazione è che le specifiche delLayout PCBpuò inserire fonti di errore impreviste in un’implementazione di progetto. Ciò è particolarmente vero quando si tratta di utilizzare componenti più recenti e ad alta velocità con le loro associate frequenze di clock più elevate in un progetto. Inoltre, le velocità di trasferimento dei dati tra dispositivi stanno anch’esse aumentando continuamente e sono soggette agli stessi tipi di fonti di errore. Questi incrementi di velocità consentono alle piccole capacità e induttanze intrinseche nei layout PCB di causare il fallimento dell’implementazione su PCB di un progetto.
Oltre a garantire che un PCB sia funzionale, requisiti aggiuntivi riguardanti la tolleranza del progetto al rumore irradiato e la quantità di rumore irradiato che esso genera sono di grande importanza per ottenere l’approvazione del progetto finale. Pertanto, quando si sviluppa la prossima applicazione PCB che include segnali ad alta velocità, è necessario prestare grande attenzione per mitigare i problemi di interferenza elettromagnetica.
Esempi di segnali ad alta velocità includono i segnali di clock e le porte di comunicazione ad alta velocità. Con alcune semplici regole, l’integrità del segnale e i livelli di interferenza elettromagnetica del tuo prossimo progetto possono essere migliorati, senza bisogno di modelli matematici complessi o di strumenti di simulazione impegnativi e costosi. Questo articolo presenterà una serie di queste semplici regole che possono essere seguite per garantire il successo del tuo prossimo progetto con segnali ad alta velocità.
Contesto
In questa sezione discuteremo alcune delle fonti di errori di layout ad alta velocità e dei concetti correlati, mentre la sezione successiva fornirà regole generali per mitigare queste fonti di errore.
1. Interferenza Elettromagnetica e Compatibilità Elettromagnetica
Le interferenze elettromagnetiche sono rumori a radiofrequenza che interferiscono con il funzionamento di un dispositivo. D’altra parte,compatibilità elettromagneticasi riferisce alla limitazione dei livelli di interferenza elettromagnetica emessa da un dispositivo. Tutti i dispositivi emettono un certo grado di interferenza elettromagnetica e allo stesso tempo assorbono una certa quantità di interferenza elettromagnetica. L’obiettivo di un progettista di PCB dovrebbe essere quello di ridurre entrambe le quantità a livelli ragionevoli. È inoltre da notare che esistono standard FCC e CISPR stabiliti per il livello di EMI che i dispositivi sono autorizzati a emettere.
2. Segnali di clock
I segnali di clock, comunemente usati per pilotare microprocessori e porte di comunicazione, dovrebbero essere un’onda quadra perfetta, ma in realtà non lo sono. Sono infatti una combinazione di segnali alla frequenza di clock nominale e alle frequenze armoniche al di sopra della frequenza di clock. Di conseguenza, le EMI devono essere considerate sia alla frequenza del clock utilizzato in un progetto sia alle armoniche della frequenza di clock al di sopra della frequenza di clock nominale.
3. Linee di trasmissione
Alle frequenze più elevate, gli effetti della linea di trasmissione iniziano a entrare in gioco anche sulScheda PCBlivello. Ogni volta che la frequenza di una linea di segnale fa sì che detto segnale abbia una lunghezza d’onda dell’ordine della pista PCB associata, si dovrebbe considerare l’impedenza caratteristica della pista per evitare riflessioni dovute a disadattamenti di impedenza. Nel senso più generale, il progettista PCB deve prendersi il tempo necessario per adattare l’impedenza delle piste associate ai ricetrasmettitori che tali piste collegano. L’uso di una microstrip (una pista di larghezza definita sopra un piano di alimentazione) o di una stripline (una pista di larghezza definita tra due piani di alimentazione) sono modi comuni per controllare l’impedenza di una linea di trasmissione a livello PCB.
È anche comune che i ricetrasmettitori abbiano ingressi ad alta impedenza. In questo caso, la traccia di collegamento deve essere terminata in modo che corrisponda all’impedenza caratteristica della linea di trasmissione a cui è collegata. Esistono diverse tecniche di terminazione comuni, ma la loro ricerca sarà lasciata al lettore, poiché esulano dallo scopo di questo articolo.
4. Diafonia
Quando due tracce sono posizionate una accanto all’altra, esse sono accoppiate induttivamente e capacitamente (comunemente indicato come diafonia) in modo tale da poter compromettere il funzionamento l’una dell’altra. Il modo più semplice per eliminare questo tipo di rumore è separare le tracce con una distanza maggiore. La diafonia può anche essere mitigata mediante l’uso di piani di alimentazione per sopprimere i livelli di diafonia.
5. Segnali differenziali
Un altro modo per gestire il rumore in un percorso di comunicazione è utilizzare segnali differenziali. I segnali differenziali sono uguali e opposti in potenziale. Di conseguenza, due tracce sono responsabili del trasporto di un segnale tra i dispositivi e il valore del segnale è determinato dalla differenza di potenziale sulle due tracce, non dal potenziale assoluto delle singole tracce. Questo rende i segnali differenziali immuni al diafonia ed efficacemente immuni al rumore irradiato.
6. Aree di ritorno della corrente e dei loop
Quando si considerano layout ad alta frequenza, occorre tenere in considerazione anche il percorso di ritorno di un segnale. Quando si lavora con circuiti in corrente continua (DC), il percorso di ritorno sarà quello a resistenza più bassa, ma quando si considerano segnali in corrente alternata (AC) il percorso di ritorno sarà quello a impedenza più bassa. Il risultato è che il percorso di ritorno di un segnale ad alta frequenza sarà direttamente accanto alla traccia di detto segnale. Normalmente, la differenza nel percorso di ritorno non è un problema quando la traccia del segnale è instradata sopra un piano di massa, ma può diventarlo quando il piano di massa è interrotto sotto la traccia del segnale. Il risultato è che un’interruzione nel percorso di ritorno del segnale formerà un anello. Gli anelli devono essere evitati, poiché sono radiatori EMI molto più efficaci e avranno un impatto negativo sulla compatibilità elettromagnetica (EMC) di un progetto.
Consigli pratici di progettazione
Ora che abbiamo presentato una breve discussione sulle fonti di rumore dei segnali ad alta velocità, possiamo passare a discutere suggerimenti di layout più specifici.
Prima di affrontare il tuo prossimoprogettazione PCB ad alta velocitàdevi innanzitutto esaminare i requisiti generali del progetto. Buone domande da porsi sono: Qual è la frequenza più alta nel sistema? Avrai bisogno di utilizzare una microstrip o una stripline per ottenere il livello di soppressione del rumore richiesto dal progetto? Quali sono i segnali sensibili nel tuo progetto? Quali sono itolleranze minimerichiesto dal produttore di PCB? Esistono interconnessioni sensibili tra i gruppi funzionali del progetto? Con queste risposte a disposizione, è possibile determinare una visione generale dell’impilamento e della composizione della scheda.
1. Stackup della scheda
Una delle considerazioni più basilari per un nuovo progetto di circuito è laStruttura del PCB. Se non ci sono segnali sensibili da proteggere, potresti trovarti bene con un normale PCB a 2 strati. Se devi instradare i segnali come stripline, dovrai utilizzare uno stackup a 6 strati. Un PCB a 4 strati può anche essere una buona opzione intermedia.
Un altro aspetto da considerare è che, se riesci a creare lo stackup in modo che i piani di alimentazione siano molto vicini tra loro, puoi ridurre la necessità di utilizzare condensatori di disaccoppiamento di piccolo valore nel tuo progetto. Infine, se riesci a posizionare le sorgenti e i carichi dei tuoi segnali ad alta velocità vicini tra loro sul PCB, potrai eliminare una parte significativa delle EMI e delle EMC correlate a tali segnali.
2. Piani di alimentazione e di massa
Il requisito più fondamentale per un progetto ad alta velocità è l’implementazione di un piano di massa completo. Può anche essere molto utile includere un piano di alimentazione completo, ma ciò richiede che il progetto sia basato su uno stackup a quattro o più strati. È inoltre vantaggioso posizionare le tracce di segnale molto vicino ai piani di alimentazione, il che dovrebbe anche influenzare lo stackup utilizzato nel progetto finale.
Quando si suddividono parti di un piano di alimentazione, è anche importante ricordare che i segnali ad alta velocità hanno una corrente di ritorno che segue il percorso a minore impedenza e non a minore resistenza. Presta attenzione a non interrompere il percorso di ritorno di un segnale ad alta velocità tra la sua sorgente e il suo carico. Se devi interrompere un piano di massa, cerca di non far passare piste di segnale sopra questa interruzione. Nel caso in cui ciò avvenga, valuta di ricollegare il piano di massa lungo la pista di segnale con una resistenza da 0 Ohm. Più sinteticamente, utilizza piani di massa e di alimentazione il più possibile uniformi e continui nel tuo progetto.
3. Argomenti aggiuntivi
I condensatori di disaccoppiamento sono importanti per creare percorsi a bassa impedenza verso massa e alimentazione per i segnali ad alta frequenza. In generale, sarà necessario utilizzare diversi valori di capacità per sopprimere il rumore ad alta frequenza su un intervallo di frequenze. Quando si posizionano i condensatori, collocare il condensatore di valore più basso il più vicino possibile al dispositivo che si desidera proteggere e poi procedere con condensatori di valore via via maggiore. Assicurarsi inoltre che il condensatore sia posizionato tra il dispositivo e il piano di alimentazione che il condensatore sta disaccoppiando. Questo garantirà che il dispositivo sia effettivamente disaccoppiato dal condensatore.
Altri suggerimenti generali includono:
• L’arrotondamento degli angoli delle piste può ridurre il livello di EMI irradiato da un segnale. Questo perché i cambiamenti bruschi nelle piste portano a livelli più elevati di capacità e causano anche riflessioni dei segnali ad alta velocità.
• Per ridurre al minimo il crosstalk tra le tracce di segnale, incluse quelle su piani diversi, assicurati che si incrocino tra loro ad angolo retto.
• Evitare le vias nelle tracce di segnale. Le vias modificano l’impedenza caratteristica della traccia e possono causare riflessioni. Inoltre, se è necessario utilizzare vias con tracce di segnale differenziale, prendere in considerazione di posizionarle su entrambe le tracce per assicurarsi che il loro effetto sia uguale su entrambe.
• Considera il troncone creato dall'uso dei via. Valuta l'utilizzo di via ciechi o interrati al posto dei via convenzionali.
• Considerare i ritardi quando si utilizza una soluzione con clock distribuito. Evitare diramazioni e abbinare le lunghezze delle tracce dal clock ai dispositivi collegati. Spesso è consigliabile utilizzare un driver di clock.
