Controllo dell’impedenza nel design PCB di circuiti digitali ad alta velocità

Le tecnologie di controllo dell’impedenza sono molto importanti nella progettazione di circuiti digitali ad alta velocità, in cui è necessario adottare metodi efficaci per garantire l’eccellente prestazione dei PCB ad alta velocità.

Calcolo dell’impedenza e controllo dell’impedenza delle linee di trasmissione ad alta velocità su PCB

• Modello equivalente sulle linee di trasmissione

La Figura 1 mostra l’effetto equivalente delle linee di trasmissione sui PCB, che è una struttura comprendente condensatori, resistori e induttori in serie e multipli (modello RLGC).

Il valore tipico della resistenza in tandem è compreso tra 0,25 e 0,55 ohm/piede e il valore di resistenza di più resistori di solito rimane piuttosto elevato. Con la resistenza, la capacità e l’induttanza parassite aggiunte nelle linee di trasmissione del PCB, l’impedenza complessiva sulle linee di trasmissione è indicata come impedenza caratteristica (Z₀). Il valore dell’impedenza caratteristica è relativamente piccolo a condizione che il diametro della linea sia grande, la linea sia vicina all’alimentazione/massa oppure la costante dielettrica sia elevata. La Figura 3 mostra il modello equivalente della linea di trasmissione con una lunghezza dz, sulla cui base l’impedenza caratteristica della linea di trasmissione può essere dedotta come formula:. In questa formula,Lsi riferisce all'induttanza per unità di lunghezza sulla linea di trasmissione mentreCsi riferisce alla capacità per unità di lunghezza sulla linea di trasmissione.

• Formula di calcolo dell'impedenza e del ritardo delle linee di trasmissione su PCB

Linee di trasmissione su PCB	Formula di calcolo dell’impedenza e del ritardo

Nelle formule sopra,Z₀si riferisce all'impedenza (Ohm),Wsi riferisce alla larghezza delle linee (pollici),Tsi riferisce allo spessore delle linee (pollici),Hsi riferisce alla distanza dal suolo (pollice), si riferisce alla costante dielettrica relativa del substrato, et_PDsi riferisce al tempo di ritardo (ps/pollice).

• Regole di layout per il controllo dell’impedenza delle linee di trasmissione

Sulla base dell’analisi di cui sopra, il ritardo unitario di impedenza e segnale è indipendente dalla frequenza dei segnali ma è correlato alla struttura della scheda, alla costante dielettrica relativa del materiale della scheda e alle caratteristiche fisiche del tracciato. Questa conclusione è estremamente importante da comprenderePCB ad alta velocitàe per la progettazione di PCB ad alta velocità. Inoltre, la velocità di trasmissione della linea di segnale nello strato esterno è molto più elevata rispetto a quella nello strato interno, quindi questi elementi devono essere presi in considerazione per la disposizione del layout delle linee chiave.

Il controllo dell’impedenza è il presupposto significativo per l’implementazione della trasmissione del segnale. Tuttavia, secondo la struttura della scheda e la formula di calcolo dell’impedenza delle linee di trasmissione, l’impedenza dipende solo daMateriale PCBeStruttura degli strati PCBcon la larghezza della traccia e le caratteristiche di instradamento invariate per la stessa linea. Pertanto, l’impedenza di una linea non cambierà su diversi strati del PCB, il che non è consentito nella progettazione di circuiti ad alta velocità.

Per questo articolo è progettato un PCB ad alta velocità e ad alta densità e la maggior parte dei segnali sulla scheda ha requisiti di impedenza. Ad esempio, la linea di segnale CPCI dovrebbe avere un’impedenza di 65 Ohm, il segnale differenziale di 100 Ohm e tutti gli altri segnali di 50 Ohm ciascuno. SecondoInstradamento PCBnello spazio, è necessario utilizzare un instradamento di almeno dieci strati e viene determinato un piano di progettazione PCB a 16 strati.

Poiché lo spessore complessivo della scheda non può superare i 2 mm, ci sono alcune difficoltà in termini di impilamento, considerando alcuni problemi:

1).Ogni strato di segnale ha piani di immagine adiacenti per proteggere l’impedenza e la qualità del segnale.

2).Ogni piano di alimentazione ha un intero strato di massa adiacente, in modo che le prestazioni dell’alimentazione possano essere ben garantite.

3).L'impilamento delle schede richiede equilibrio, evitando la deformazione delle schede.

La costante dielettrica del mezzo è impostata a 4,3. In base al design di impilamento sopra riportato, la larghezza della traccia e la distanza tra le tracce devono essere impostate secondo il risultato del calcolo per garantire il requisito di impedenza del segnale. La larghezza della traccia è ottenuta come segue:

1).La larghezza della linea di segnale sullo strato superficiale è di 5 mil con un’impedenza di 58,7 Ohm.

2).La larghezza della linea di segnale CPCI sullo strato superficiale è di 4,5 mil con un’impedenza di 61,7 Ohm.

3).La larghezza della linea di segnale nello strato interno è di 4,5 mil con un’impedenza di 50,2 Ohm.

4).La larghezza delle linee nell’area BGA negli strati interni e nello strato superficiale è di 4 mil, con un’impedenza di 64,6 Ohm per lo strato superficiale e 52,7 Ohm per lo strato interno.

5).La larghezza della linea differenziale microstrip nello strato interno è di 5 mil con una distanza tra le linee di 6 mil e un’impedenza di 100,54 Ohm.

6).La larghezza della linea differenziale stripline nello strato interno è di 4,5 mil con una distanza tra le linee di 10 mil e un’impedenza di 96,6 Ohm.

La distanza tra le linee è impostata come segue:

1).La distanza tra le linee di segnale (5 mil) sullo strato superficiale è di 5,0 mil.

2).La distanza tra le linee di segnale CPCI (4,5 mil) sullo strato superficiale è di 9,0 mil.

3).. La distanza tra le linee di segnale (4,5 mil) sullo strato interno è di 7,0 mil.

4).La distanza tra le linee sullo strato superficiale e lo strato interno è di 4,0 mil.

5).La distanza tra le linee di segnale differenziali sullo strato interno e tra esse e le altre linee di segnale dovrebbe essere mantenuta ad almeno 25 mil.

6).La distanza tra le linee di segnale differenziali sullo strato superficiale e tra esse e le altre linee di segnale dovrebbe essere mantenuta ad almeno 20 mil.

DopoStampa PCB, l’impedenza della scheda di test viene misurata con il tester di impedenza POLAR-Cits500 con i risultati riportati nella tabella seguente. I dati indicano che l’impedenza deve essere controllata nell’intervallo di 50 Ohmۯ%, 60 Ohmۯ% e 100 Ohmۯ% nel processo di progettazione e fabbricazione di PCB ad alta velocità.

LVDS e il suo controllo di impedenza sui PCB

• LVDS

LVDS è un tipo di livello di trasmissione di segnale seriale ad alta velocità con i vantaggi di elevata velocità di trasmissione, basso consumo energetico, forte capacità di anti-interferenza, lunga distanza di trasmissione e possibilità di adattamento. I campi di applicazione di LVDS includono informatica, comunicazioni e prodotti di consumo.

• Progettazione dell'impedenza di LVDS

LVDS presenta un'oscillazione di tensione di soli 350 mV con una distanza di trasmissione massima superiore a 10 metri. Per garantire che i segnali non siano influenzati dai segnali riflessi durante il processo di trasmissione nelle linee di trasmissione, l’impedenza delle linee deve essere controllata, con un’impedenza di linea singola di 50 Ohm e un’impedenza differenziale di 100 Ohm. Nelle applicazioni pratiche, l’impedenza può essere controllata impostando uno spessore di impilamento e parametri del dielettrico ragionevoli, regolando la larghezza delle tracce e la distanza tra le linee e calcolando l’impedenza delle linee singole e delle linee differenziali con l’aiuto di alcuni strumenti di analisi e simulazione ad alta velocità.

Tuttavia, nella maggior parte dei casi è relativamente difficile soddisfare i requisiti di impedenza a singola linea e di impedenza differenziale. Da un lato, il campo di regolazione della larghezza della linea W e della distanza tra le linee S è limitato dallo spazio di progettazione fisica. Ad esempio, il routing e la larghezza delle linee nei connettori ai margini con BGA o DIP sono influenzati dalla dimensione e dalla distanza dei pad. Dall’altro lato, la variazione di W e S influenzerà il risultato dell’impedenza a singola linea e di quella differenziale. Fino ad ora, è stato facile e conveniente determinare la relazione tra la larghezza di linea preimpostata e la distanza tra le linee.

• Regole di instradamento LVDS

In generale, l’instradamento dei segnali differenziali viene implementato in base alle regole di progettazione dell’impedenza, il che è in grado di garantire la qualità LVDS. Nell’instradamento pratico, l’LVDS deve essere conforme alle seguenti regole:

1).Le coppie differenziali dovrebbero essere il più corte possibile, le linee dovrebbero essere dritte e il numero di fori passanti dovrebbe essere ridotto. La distanza tra le linee di segnale nelle coppie differenziali dovrebbe essere la stessa. Tutte queste regole contribuiscono a evitare instradamenti lunghi e numerose deviazioni. Per quanto riguarda le deviazioni, si dovrebbero usare angoli di 45 gradi invece di 90 gradi.

2).La distanza tra le coppie differenziali dovrebbe essere mantenuta oltre 10 volte al fine di ridurre il crosstalk tra le linee. Quando necessario, è possibile posizionare fori di massa tra le coppie differenziali per l’isolamento.

3).LVDS non può essere suddiviso tra superfici. Sebbene due segnali differenziali siano percorsi di ritorno reciproci, il percorso di ritorno del segnale non può essere interrotto a causa della suddivisione tra superfici. Tuttavia, le linee di trasmissione possono portare a discontinuità di impedenza a causa della mancanza di piani immagine.

4).Evitare segnali differenziali tra gli strati. Durante la produzione del PCB, la precisione di allineamento dell’impilamento tra gli strati è molto inferiore alla precisione di incisione nello stesso strato, oltre alle perdite del materiale dielettrico durante l’impilamento, il che porta a una variazione dell’impedenza differenziale tra le coppie differenziali.

5).Nel progetto di impedenza, si dovrebbe utilizzare il metodo di accoppiamento.

6).È necessario impostare una struttura di impilamento del PCB adeguata per garantire l’isolamento tra i segnali a diversi livelli di tensione e l’LVDS. Quando possibile, segnali come TTL/CMOS ad alta velocità possono essere disposti su strati differenti, isolati dal routing LVDS tramite i piani di massa e di alimentazione.

7).Le coppie di segnali differenziali devono essere compatibili con la lunghezza del routing.

Il controllo dell’impedenza è utilizzato in modo molto efficace nella progettazione di circuiti digitali ad alta velocità per garantire le buone prestazioni dei PCB ad alta velocità. Attraverso un attento controllo della larghezza delle piste, dell’impilamento degli strati e delle costanti dielettriche, i progettisti possono ottenere i corretti livelli di impedenza necessari per ridurre al massimo le riflessioni del segnale e preservare l’integrità del segnale. Un instradamento e una pianificazione corretti, soprattutto per i segnali LVDS, garantiscono inoltre una trasmissione perfetta del segnale, affidabilità e un percorso privo di interferenze.

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Risorse utili
•Elementi che influenzano l’impedenza caratteristica del PCB e soluzioni
•Considerazioni di progettazione dell’impedenza per PCB rigido‑flessibili
•Come analizzare e ridurre l’impedenza dell’alimentazione nei PCB ad alta velocità
•Controllo dell’impedenza dei via e sua influenza sull’integrità del segnale nella progettazione PCB
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