Metodo di soppressione della riflessione del segnale nel layout PCB ad alta velocità

Con il continuo sviluppo della scienza e della tecnologia elettronica, il sistema elettronico composto da chip IC si sta rapidamente evolvendo verso la grande scala, la miniaturizzazione e l’alta velocità. Allo stesso tempo, emerge anche un problema: la riduzione del volume del sistema elettronico porta all’aumento della densità di instradamento dei circuiti, mentre la frequenza del segnale cresce costantemente e il tempo di transizione del fronte del segnale si accorcia. Quando il ritardo di interconnessione dei segnali supera del 10% il tempo di transizione del segnale, i conduttori di segnale sulla scheda manifestano l’effetto di linee di trasmissione, facendo sì che una serie di problemi, come la riflessione del segnale e il crosstalk, diventino sempre più evidenti. L’emergere dei problemi ad alta velocità pone sfide maggiori alla progettazione hardware e, se alcuni progetti che dal punto di vista logico sono considerati corretti non vengono trattati in modo adeguato, l’intero progetto può fallire. Pertanto, la soluzione dei problemi dei circuiti ad alta velocità è diventata uno degli elementi essenziali che determinano il successo di un sistema.

Principi della riflessione e la sua influenza

• Principi di riflessione

La causa diretta della riflessione risiede nell’incompatibilità di impedenza delle linee di trasmissione, che porta a un’assorbimento incompleto dell’energia del segnale al terminale. Il problema della riflessione riflette la qualità del segnale di una singola rete, ed è correlato alle proprietà fisiche del percorso del segnale di una singola rete e del percorso di ritorno. Di solito, le proprietà fisiche diInstradamento PCBha una grande influenza sulle linee di trasmissione, includendo principalmente il materiale del tracciato, la larghezza del tracciato, lo spessore del tracciato, la distanza tra altri piani di instradamento e piani e la costante dielettrica del materiale adiacente. Quando i segnali vengono trasmessi lungo una singola rete, verrà generata una variazione transitoria dell’impedenza delle linee di interconnessione. Se l’impedenza di interconnessione percepita dai segnali rimane invariata, verrà mantenuta la non distorsione. Se l’impedenza di interconnessione percepita dai segnali continua a cambiare, verrà generata distorsione con produzione di riflessione nel punto di cambiamento. Il segnale riflesso verrà trasmesso nuovamente all’estremità di emissione dei segnali e verrà riflesso di nuovo finché non si ridurrà con la diminuzione dell’energia. Infine, la tensione e la corrente dei segnali diventeranno stabili.

• Calcolo della riflessione

Quando i segnali vengono trasmessi in avanti lungo le linee di trasmissione, in qualsiasi momento si avvertirà un’impedenza transitoria. Se l’impedenza avvertita dai segnali è costante, essi verranno trasmessi in avanti normalmente. Non appena l’impedenza avvertita cambia, si genererà sempre una riflessione, indipendentemente dalla causa. L’indice significativo che misura l’entità della riflessione è il coefficiente di riflessione, che indica il rapporto tra la tensione riflessa e la tensione del segnale originale. Il coefficiente di riflessione può essere definito secondo la formula.

In questa formula, Z₁si riferisce all'impedenza dopo la variazione mentre Z₀l’impedenza prima della variazione. Supponiamo che l’impedenza caratteristica del routing sul PCB sia di 50Ω. Nel processo di trasmissione si incontra un resistore da 150Ω e quindi il coefficiente di riflessione è (150-50)/(150+50)=1/2 (in questa circostanza, l’influenza della capacità e dell’induttanza parassite non viene considerata, assumendo il resistore come un resistore ideale puramente ohmico). Questo risultato indica che metà dell’energia del segnale originale viene riflessa verso il terminale di sorgente. Se la tensione dei segnali di trasmissione è 5V, la tensione di riflessione è 2,5V.

• Influenza della riflessione

1). Distorsione del segnale causata dalla riflessione

Se un conduttore non è terminato correttamente, l’impulso di segnale dall’estremità di pilotaggio verrà riflesso al terminale di ricezione. Quando i segnali riflessi sono piuttosto forti, la sovrapposizione delle forme d’onda può modificare la condizione logica, portando a effetti imprevisti e causando una distorsione del profilo del segnale. Quando la distorsione diventa così evidente, è possibile che si verifichino numerosi errori con conseguente fallimento del progetto. Nel frattempo, i segnali distorti sono più sensibili al rumore, il che può anch’esso causare il fallimento del progetto.

2). Overshooting e undershooting causati dalla riflessione

L’overshooting si riferisce al fatto che il primo valore di picco o di valle supera la tensione. Per il fronte di salita, indica che il primo valore di picco supera la tensione più alta, mentre per il fronte di discesa indica che il primo valore di valle supera la tensione più bassa. Un overshooting eccessivo può danneggiare i diodi di protezione, causando guasti prematuri. L’undershooting si riferisce al fatto che il successivo valore di valle o di picco può generare falsi segnali di clock, portando a operazioni di lettura e scrittura errate del sistema.

3). Oscillazione

L’oscillazione è anche un sintomo causato dalla riflessione. Con la stessa proprietà dell’overshooting, il ripetersi di overshooting e undershooting è chiamato oscillazione all’interno di un ciclo di clock. È il risultato del fatto che l’energia ridondante generata dalla riflessione non riesce a essere assorbita in tempo nei circuiti.

Metodo di soppressione dei riflessi

I principali elementi che causano riflessione includono la forma geometrica del routing (larghezza, lunghezza, angoli delle svolte), la conversione sullo stesso piano di instradamento della rete, la trasmissione attraverso connettori, la discontinuità tra alimentazione e massa, una struttura topologica errata e l’incompatibilità dell’estremità della rete. I principali metodi di soppressione saranno introdotti nella parte seguente.

• Escalation della frequenza di sistema

Il tasso di variazione del fronte del segnale viene ridotto, quando possibile, in modo che le riflessioni sulle linee di trasmissione raggiungano uno stato stabile prima della connessione tra un segnale e la linea di trasmissione. Da un lato, è necessario rispettare le norme di progettazione; dall’altro, occorre scegliere componenti a bassa velocità per evitare la commistione tra diversi tipi di segnali.

• Ottimizzazione dell'elaborazione del segnale

A causa di rigorose esigenze in termini di sequenziamento temporale, è necessario determinare in anticipo i componenti e i nodi che possono causare problemi ad alta velocità. Tutti i tipi di requisiti relativi al layout dei componenti e al routing devono essere adeguati e l’indice di progetto dell’integrità del segnale sarà infine controllato. I principali metodi di elaborazione includono:
1).Relativamente sottileschede PCBvengono applicati per ridurre i parametri parassiti dei fori passanti.
2).Il numero di strati dovrebbe essere disposto in modo adeguato. Gli strati intermedi dovrebbero essere pienamente utilizzati per impostare lo schermo al fine di implementare meglio la messa a terra adiacente, il che ridurrà efficacemente l’induttanza parassita, accorcerà la lunghezza di trasmissione dei segnali e aumenterà notevolmente la diafonia tra i segnali.
3).La forma geometrica delle linee di segnale sul PCB deve essere controllata riducendo le svolte e minimizzando i punti di discontinuità di impedenza del routing. In particolare per il routing nei circuiti ad alta frequenza, si dovrebbero utilizzare linee completamente rette. Quando sono necessarie delle svolte, si possono utilizzare linee spezzate o archi di 45°, che ridurranno la radiazione esterna dei segnali ad alta frequenza e l’accoppiamento tra segnali ad alta frequenza.
4).Il instradamento delle linee di segnale importanti dovrebbe essere disposto sullo stesso piano per ridurre i fori passanti non necessari.
5).È necessario garantire l’integrità del piano per fornire un percorso di riflusso a bassa impedenza per le linee di segnale. L’obiettivo è ridurre l’accoppiamento di impedenza in modo comune e il rumore di commutazione in modo comune, al fine di diminuire o eliminare i problemi di integrità del segnale relativi al sistema di alimentazione.
6).Applicazione della corretta struttura topologica di instradamento.

La struttura topologica del routing si riferisce alla sequenza di instradamento e alla struttura di una linea di segnale. Nei circuiti pratici, esiste sempre una situazione in cui una singola sorgente di pilotaggio pilota carichi multipli e la sorgente di pilotaggio e i carichi sono conformi alla topologia della struttura. Diverse strutture topologiche hanno un’influenza evidentemente diversa sui segnali. Di solito, due tipi di strutture topologiche di base vengono applicati nel routing PCB, cioè la topologia a catena (daisy chain) e la topologia a stella, come mostrato nella Figura 1 seguente.

a. Collegamento a margherita

Il routing inizia dal terminale di pilotaggio e raggiunge sequenzialmente ciascun terminale di ricezione. Se viene applicata una resistenza in serie per modificare le proprietà del segnale, la posizione della resistenza in serie deve essere il più possibile vicina al terminale di pilotaggio. In termini di controllo delle interferenze alle alte armoniche, la configurazione a margherita (daisy chain) offre il miglior effetto di instradamento. Tuttavia, questo tipo di routing presenta la minore instradabilità, inferiore al 100%. Nei progetti pratici, la lunghezza dei rami nella configurazione a margherita deve essere il più corta possibile. Lo spazio di routing di questa struttura topologica è ridotto e si può utilizzare un singolo resistore per garantire la compatibilità con la terminazione. Inoltre, questo tipo di struttura di routing fa sì che la ricezione del segnale non sia sincronizzata nei diversi terminali di ricezione del segnale.

b. Topologia a stella

Questo tipo di instradamento è in grado di evitare efficacemente la nonsincronizzazione dei segnali di clock, ma presenta lo svantaggio che ogni diramazione richiede un resistore di terminazione. Il valore di resistenza del resistore di terminazione deve essere compatibile con l’impedenza caratteristica in linea. Per i sistemi in cui segnali diversi devono arrivare simultaneamente al terminale di ricezione, la topologia a stella è la più adatta.

• Metodi di terminazione

L’impedenza caratteristica sul percorso di trasmissione del segnale deve essere mantenuta costante, cioè il coefficiente di riflessione è 0, il che significa assenza di riflessione sul percorso di trasmissione. Questa situazione è chiamata compatibilità di impedenza. In questo caso, i segnali si trasmettono idealmente fino al terminale. In generale, la lunghezza della linea di trasmissione deve essere compatibile con la condizione.

In questa disequazione, L si riferisce alla lunghezza della linea di trasmissione;t_rsi riferisce al tempo di salita dei segnali del terminale di sorgente;t_pd1si riferisce al ritardo di trasmissione del carico per ogni unità di lunghezza sulle linee di trasmissione. Quando il trasferimento del livello integrato avviene prima che la riflessione raggiunga il terminale lontano, è necessario applicare la tecnologia di adattamento del terminale. I principi di connessione dei terminali delle linee di trasmissione includono: se il coefficiente di riflessione del carico o il coefficiente di riflessione della sorgente è zero, la riflessione verrà eliminata. Comunemente si applicano due strategie: l’impedenza della sorgente viene resa compatibile con l’impedenza della linea di trasmissione, cioè terminazione alla sorgente, mentre l’impedenza del carico viene resa compatibile con l’impedenza della linea di trasmissione, cioè terminazione al carico.

1). Terminazione della sorgente

La terminazione alla sorgente è principalmente un metodo di terminazione in serie realizzato inserendo un resistore in serie nelle linee di trasmissione in posizioni adiacenti all’estremità vicina alla sorgente. La somma del valore di resistenza del resistore in serie e del terminale di pilotaggio dovrebbe essere uguale al valore di resistenza delle linee di trasmissione. Il principio della terminazione in serie per eliminare la tensione riflessa dal terminale di carico consiste nell’impedire la seconda riflessione delle linee di trasmissione, come mostrato in Figura 2.

2). Terminazione finale

Il principio principale della terminazione di estremità consiste nell’aggiungere un resistore di pull-up o pull-down in posizioni adiacenti al terminale di carico, al fine di realizzare l’adattamento di impedenza. La terminazione di estremità può essere comunemente suddivisa in terminazione parallela a singolo resistore, terminazione RC, terminazione Thevenin e terminazione a diodo Schottky, come mostrato in Figura 3.

Il valore di resistenza nella terminazione in parallelo con singolo resistore è uguale all’impedenza delle linee di trasmissione. I valori dei due resistori nella terminazione di Thevenin devono seguire la formula:Z₀=R₁R₂/(R₁+R₂). Il valore della capacità nella terminazione RC segue la formula:C=3T/Z₀in cuiTsi riferisce al tempo di salita dei segnali mentre Z₀si riferisce all'impedenza delle linee di trasmissione.

Dal punto di vista della progettazione del sistema, la terminazione in parallelo dovrebbe essere scelta per prima perché è la più efficace nel ridurre rumore, EMI e RFI rispetto agli altri tre metodi di terminazione. In base alle condizioni pratiche, si sceglie il metodo di terminazione appropriato e, quando necessario, si dovrebbe eseguire una progettazione tramite simulazione.

Conclusione

Inprogettazione PCB ad alta velocitài prerequisiti di successo includono un layout e un instradamento ragionevoli, l’evitamento di svolte e vias passanti non necessari, la continuità di impedenza, piani di riferimento del segnale integrati e un’eccellente messa a terra. Per ottimizzare il design e l’integrità del segnale e ottenere una maggiore compatibilità elettromagnetica, è necessario implementare la verifica tramite simulazione del progetto. Essa aiuta i progettisti a gestire tempestivamente i difetti di progettazione e a compensare le carenze nel design PCB.

Risorse utili
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