La progettazione di circuiti stampati (PCB) è essenziale per il lavoro degli ingegneri elettrici e non è apparentemente facile progettare un PCB perfetto. Un PCB perfetto deriva non solo dalla razionalità nella selezione e distribuzione dei componenti, ma anche dalla sua elevata conducibilità del segnale. In questa tesi verranno introdotte e illustrate le conoscenze sulle tecniche di instradamento nella progettazione di circuiti a segnale ad alta velocità su PCB, al fine di fornire un certo aiuto per il vostro lavoro di ingegneria.
Instradamento PCB basato su scheda multistrato
Quando progettano PCB, la maggior parte degli ingegneri preferisce completare il routing dei segnali ad alta velocità utilizzando schede multistrato. Oltre al suo ruolo di nucleo del PCB, questo tipo di scheda multistrato è anche in grado di ridurre le interferenze del circuito, che rappresentano un metodo principale per gli ingegneri che si trovano ad affrontare tale problema. Quando si progetta il circuito a segnale ad alta velocità su PCB basato sull’utilizzo di una scheda multistrato, gli ingegneri devono ridurre le dimensioni della scheda determinando in modo razionale il numero di strati, sfruttare al meglio lo strato intermedio per l’impostazione dello schermo al fine di realizzare una messa a terra ravvicinata, il che può ridurre efficacemente l’induttanza parassita, accorciare la lunghezza di trasmissione del segnale, diminuire l’interferenza incrociata tra i segnali e così via. Tutti questi metodi sono molto vantaggiosi per l’affidabilità del circuito a segnale ad alta velocità.
Oltre ai metodi sopra menzionati per aumentare l’affidabilità della trasmissione del segnale PCB con l’aiuto di schede multistrato, alcuni dati autorevoli mostrano che, quando si utilizza lo stesso materiale, il rumore generato da una scheda a quattro strati è inferiore di 20 dB rispetto a quello di una scheda a due strati. Per quanto riguarda la piegatura delle piste, meno pieghe ci sono, meglio è. È preferibile utilizzare piste diritte e, quando è necessaria una piega, si può usare una linea a 45 gradi o una linea ad arco, in modo che l’emissione verso l’esterno venga ridotta per i segnali ad alta velocità e per l’accoppiamento reciproco, diminuendo così sia la radiazione sia la riflessione.
Rendere il pin di collegamento tra i componenti nei circuiti ad alta velocità il più corto possibile
Nel processo di progettazione e instradamento di circuiti a segnali ad alta velocità su PCB, gli ingegneri devono rendere il più corto possibile il pin di collegamento tra i componenti nel circuito ad alta velocità. Poiché quanto più lungo è il collegamento, tanto maggiori saranno sia l’induttanza distribuita sia la capacità distribuita, il che porterà a riflessioni e oscillazioni nel circuito ad alta velocità.
Oltre all’accorciamento del pin di collegamento tra i componenti in un circuito ad alta velocità, nel processo di instradamento del PCB si dovrebbe ridurre anche l’alternanza degli strati di collegamento tra i pin dei componenti su ciascun circuito ad alta velocità, il che significa che i fori passanti nel processo di connessione dei componenti dovrebbero essere il meno possibile. In generale, un foro passante può introdurre circa 0,5 pF di capacità distribuita, il che porterà evidentemente a un aumento del ritardo del circuito. Nel frattempo, nel processo dicircuito ad alta velocitàinstradamento, l’interferenza incrociata indotta dall’instradamento parallelo a corto raggio delle linee di segnale deve essere pienamente presa in considerazione. Se non è possibile evitare la distribuzione parallela, è possibile predisporre un’ampia area di massa sul retro delle linee di segnale parallele per ridurre l’interferenza. Nei due strati adiacenti, la direzione dell’instradamento deve essere verticale.
Messa a terra circostante sulle linee di segnale particolarmente importanti o su parti locali
Nel processo di progettazione del routing PCB, si consiglia agli ingegneri di utilizzare una schermatura di massa attorno alle linee di segnale particolarmente importanti o a parti locali. Il routing viene eseguito su segnali meno suscettibili alle interferenze, come il segnale di clock e il segnale analogico ad alta velocità, mentre il filo di massa di protezione viene aggiunto alla periferia, con le linee di segnale da proteggere al centro. Questo perché tutti i tipi di instradamento dei segnali non possono formare anelli, e lo stesso vale per il filo di massa. Tuttavia, se si forma un circuito di routing ad anello, nel sistema si verificheranno forti interferenze. Il vantaggio del routing con filo di massa che circonda le linee di segnale consiste nell’evitare efficacemente la formazione di anelli durante il processo di instradamento. Si consiglia di predisporre uno o più condensatori di disaccoppiamento ad alta frequenza vicino a ciascun blocco di circuito integrato. Quando il filo di massa analogico o quello digitale viene collegato alla massa comune, è necessario utilizzare un collegamento di strozzatura ad alta frequenza. Alcune linee di segnale ad alta velocità richiedono un trattamento speciale. Ad esempio, il segnale differenziale deve trovarsi sullo stesso strato ed essere instradato il più possibile in modo parallelo e ravvicinato. Nessun segnale può essere inserito tra le linee di segnale differenziali e ciascuna deve avere la stessa lunghezza.
Oltre ai metodi sopra menzionati, durante la progettazione del routing dei segnali sul PCB, gli ingegneri dovrebbero cercare di evitare diramazioni del cablaggio dei segnali ad alta velocità o la formazione di stub. Poiché può essere generata una radiazione elettromagnetica relativamente elevata quando i conduttori di segnale ad alta frequenza sono posizionati sullo strato superficiale, i conduttori di segnale ad alta frequenza dovrebbero essere disposti tra le piste di alimentazione e di massa, in modo che la radiazione generata venga notevolmente ridotta grazie all’assorbimento elettromagnetico da parte dell’alimentazione e dello strato inferiore.
Naturalmente, in un progetto pratico, la teoria non viene mai prima della pratica. Vorrei condividere alcune delle mie esperienze in termini di progettazione del routing PCB. Per prima cosa, se non sei l’unico progettista del routing di un PCB, allora dedica abbastanza tempo a controllare il lavoro dei router. Una piccola precauzione è molto meglio di una grande opera di correzione. È un’idea sciocca aspettarsi che i router capiscano ciò che pensi. I tuoi consigli e le tue istruzioni sono la cosa più importante nella fase iniziale della progettazione del routing. Più informazioni puoi fornire e più ti coinvolgi nel progetto, migliori saranno i PCB che otterrai. Ecco un buon metodo: puoi fissare un punto di completamento provvisorio per l’ingegnere di progettazione del PCB, in modo che la procedura di instradamento si svolga rigorosamente secondo i tuoi passaggi. Questo metodo è come un anello chiuso, in cui il routing non uscirà dal tracciato e la possibilità di dover rifare il lavoro potrà essere ridotta al minimo.
Le istruzioni che dovresti fornire ai tuoi ingegneri di instradamento includono: la breve descrizione della funzione del circuito; lo schizzo del PCB con le etichette dei punti di ingresso e di uscita;Strato PCBinformazioni come lo spessore, il numero di strati, le informazioni dettagliate di ciascun livello di segnale e piano di massa; il tipo di segnale richiesto da ciascun livello; i requisiti relativi alla posizione dei componenti importanti; le posizioni specifiche dei componenti di bypass; il significato delle piste stampate; il significato dei circuiti che richiedono piste stampate a impedenza controllata; i circuiti che richiedono la lunghezza di instradamento; le dimensioni dei componenti; le piste stampate, i circuiti o i componenti che richiedono distanza o vicinanza; il tipo di componenti posizionati sul lato superiore o inferiore.
Risorse utili
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