Cabaran Reka Bentuk PCB Berkelajuan Tinggi terhadap Keutuhan Isyarat dan Penyelesaiannya

Dengan kemajuan berterusan teknologi elektronik, peningkatan frekuensi jam yang tinggi dalam sistem digital, dan masa tepi naik yang semakin pendek, sistem PCB telah menjadi satu struktur sistem berprestasi tinggi, jauh lebih daripada sekadar platform yang menyokong komponen. Dari perspektif prestasi elektrik, pengantara antara isyarat berkelajuan tinggi tidak lagi lancar atau telus dan pengaruh pengantara antara jejak padaPCB berkelajuan tinggidan sifat pesawat papan tidak boleh diabaikan lagi. Menangani dengan berjaya masalah integriti isyarat termasuk pantulan, gangguan silang, kelewatan, panggilan & pemadanan impedans yang disebabkan oleh pengantara sambungan isyarat berkelajuan tinggi dan memastikan kualiti penghantaran isyarat menentukan kejayaan reka bentuk.

Teori Asas Keutuhan Isyarat PCB

• Litar berkelajuan tinggi dan prinsip penentuannya

Istilah penentu bagi litar berkelajuan tinggi wujud terutamanya dalam dua versi. Pertama, dalam sesuatu litar, apabila kelewatan isyarat digital pada talian penghantaran melebihi 20% daripada masa tepi naik, litar ini boleh dianggap sebagai litar berkelajuan tinggi. Kedua, dalam sesuatu litar, apabila frekuensi litar analog digital mencapai atau melebihi 45MHz hingga 50MHz, litar tersebut dianggap sebagai litar berkelajuan tinggi.

Pada asasnya, jikaL(panjang petunjuk) adalah lebih daripadaT_r, litar dianggap sebagai litar berkelajuan tinggi; jikaLkurang daripadaT_rlitaran itu dianggap sebagai litar kelajuan rendah. Di sini,T_rmerujuk kepada masa tepi naik denyut.

• Kelajuan penghantaran isyarat dan masa tepi naik denyut

Kadar kelajuan penghantaran isyarat di udara ialah 3 x 10⁸m/s; pemalar dielektrik FR4 iaitu bahan PCB dipaparkan sebagai ε_riaitu 4. Kadar kelajuan penghantaran isyarat dalam PCB boleh dikira menggunakan Formula.

V_padalah sama dengan 15cm/ns iaitu kira-kira 6inci/ns. Masa tepi naik denyutanT_r=1/(10 xf _clk) dan masa tepi naik bagi isyarat 100MHz ialah 1ns. Apabila kelewatan isyarat pada penghalaan PCB melebihi 20% daripada masa tepi naik, pemanggilan yang jelas akan berlaku pada isyarat. Bagi gelombang segi empat dengan masa naik 1ns (100MHz), apabila panjang penghalaan PCB melebihi 0.2ns x 6 = 1.2 inci, pemanggilan yang serius akan berlaku pada isyarat. Oleh itu, panjang kritikal ialah 1.2 inci (kira-kira 3cm).

• Impedans ciri

Impedans ciri ialah parameter penting dalam pemadanan impedans yang mempengaruhi pantulan, pemanggilan, lonjakan atas dan lonjakan bawah serta berkaitan secara langsung dengan keutuhan penghantaran isyarat berkelajuan tinggi, yang sangat penting dalam reka bentuk berkelajuan tinggi.

Isyarat dihantar sepanjang talian penghantaran, yang nisbah antara voltan dan arusnya dianggap sebagai impedans surihan. Impedans surihan pada talian penghantaran dikira dengan FormulaDalam formula ini,C_lmerujuk kepada keupayaan bagi setiap unit panjang dengan unit pF/inci (biasanya 3.3pF/inci). Apabila impedans surihan sepanjang talian penghantaran adalah nilai malar, nilai ini dianggap sebagai impedans ciri pada talian penghantaran. Bagi talian mikrostrip dan strip pada PCB, impedans cirinya boleh dikira menggunakan alat reka bentuk talian penghantaran Polar Si9000, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1.

Elemen yang Mempengaruhi Integriti Isyarat dan Penyelesaiannya

• Padanan impedans

Padanan impedans diperlukan dalam reka bentuk litar berkelajuan tinggi bagi memastikan penghantaran data yang pantas dan tepat. Sistem pengumpulan data lazimnya terdiri daripada penderia, instrumen penyaman isyarat, cip pengumpulan data AD, FPGA dan SDRAM, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.

AD9649 digunakan sebagai cip AD dengan bekalan kuasa 1.8V dan pensampelan selari melalui talian data 14 bit. Frekuensi pensampelan ditetapkan kepada 20M. PCI9054 dipilih sebagai cip antara muka PCI, menyokong penghantaran data DMA. 93LC66B dipilih sebagai cip konfigurasi PCI. HY57V561620FTP-H digunakan sebagai storan data, terdiri daripada 4 BANK yang masing-masing mempunyai ruang memori 4M x 16bit, 13 talian alamat baris dan 9 talian alamat lajur. EP1C6F256C8 dipilih sebagai FPGA dengan voltan terminal 3.3V dan voltan teras 1.5V. Lebar bas PCI ialah 32 bit dengan jam 33MHz dipilih sebagai jam penulisan dan pembacaan dan kelajuan maksimum penulisan dan pembacaan mencapai 132MByte sesaat, mampu menyokong penghantaran berkelajuan tinggi bagi data terkumpul.

Elemen-elemen berikut harus diambil kira dalam proses mereka bentuk PCB:

a.Sebagai bahagian campuran digital dan analog, AD ialah salah satu perkara utama dalam reka bentuk PCB. Disebabkan oleh frekuensi tinggi bahagian digital, bahagian analog amat sensitif terhadap gangguan. Jika pemprosesan yang sesuai tidak dilaksanakan, isyarat digital akan cenderung mengganggu isyarat analog sehingga masalah EMI akan berlaku. Prinsip betul yang harus diikuti oleh pereka bentuk ialah: pertama, tanah digital dan tanah analog harus dipisahkan pada PCB dengan isyarat bercampur; kedua, komponen elektronik analog dan digital dikelaskan dengan tanah analog diedarkan di kawasan analog dan tanah digital diedarkan di kawasan digital; ketiga, tanah analog dan tanah digital disambungkan dengan manik magnet di sekitar kawasan pemisahan. Langkah-langkah ini mampu melaksanakan pemisahan antara tanah digital dan tanah analog.

b.SDRAM digunakan dalam sistem pengumpulan data dan manual dengan jelas menyatakan bahawa talian data yang disambungkan dengan FPGA perlu dikonfigurasi dengan padanan impedans 50Ω bagi memastikan penghantaran berkelajuan tinggi, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.

Selepas FPGA menulis data terkumpul ke dalam SDRAM, penyegaran perlu dilakukan secara berterusan untuk mengekalkan data dan tempoh penyegaran bagi setiap baris mestilah lebih pantas daripada 64 milisaat.

Langkah-langkah pemadanan impedans menggunakan perisian Polar Si9000 dipaparkan seperti berikut:

a.Talian isyarat berkelajuan tinggi hendaklah melintasi permukaan atas PCB dan lubang hendaklah dielakkan sebanyak mungkin. Model struktur talian mikrostrip dipilih dalam perisian, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.

Padanan impedans 50Ω biasanya dilakukan pada penghalaan terminal tunggal dan padanan impedans 90Ω biasanya dilakukan pada penghalaan pembezaan (seperti USB2.0 D+, D-).

b.Nilai pemadanan impedans yang diperlukan dan nilai khusus bagiPembuatan PCBteknik diisi pada antara muka perisian dengan parameter termasuk ketebalan dielektrik, pemalar dielektrik bahan PCB, ketebalan foil kuprum, ketebalan minyak hijau dan pemalar dielektrik minyak hijau.

Parameter khusus teknik fabrikasi boleh diketahui melalui komunikasi denganPengeluar PCBsupaya lebar jejak dapat ditentukan. Untuk talian mikrostrip pembezaan, jarak antara jejak (S1) juga perlu ditentukan.

c.Jika lebar jejak yang dikira adalah agak besar dan penghalaan PCB tidak dapat disiapkan, perlu dilakukan lebih banyak komunikasi dengan pengeluar PCB untuk melaraskan parameter dalam teknik fabrikasi sambil memenuhi keperluan reka bentuk.

• Crosstalk

Crosstalk merujuk kepada gangguan hingar voltan yang tidak dijangka pada talian penghantaran bersebelahan akibat gandingan elektromagnet apabila isyarat dihantar pada talian penghantaran. Crosstalk yang berlebihan boleh menyebabkan pencetus palsu pada litar sehingga sistem gagal berfungsi dengan normal. Crosstalk dijana oleh gandingan elektromagnet dan gandingan ini terbahagi kepada gandingan kapasitif dan gandingan induktif. Yang pertama sebenarnya ialah gangguan elektromagnet yang disebabkan oleh arus teraruh yang terhasil akibat perubahan voltan pada sumber gangguan manakala yang kedua sebenarnya ialah gangguan elektromagnet yang disebabkan oleh voltan teraruh yang terhasil akibat perubahan arus pada sumber gangguan. Apabila keadaan sumber gangguan berubah, satu siri denyutan gangguan akan dijana pada objek yang terganggu, yang mana keadaan ini sangat lazim dalam sistem berkelajuan tinggi.

Langkah-langkah untuk menangani gangguan silang ditunjukkan seperti berikut:
a.Ortogonaliti hendaklah dikekalkan pada arah penghalaan antara satah bersebelahan. Arah yang sama hendaklah dielakkan pada satah bersebelahan dengan talian isyarat yang berbeza bagi mengurangkan gangguan silang. Terutamanya apabila kadar kelajuan isyarat agak tinggi, tanah hendaklah dipertimbangkan untuk memisahkan satah penghalaan dan talian isyarat hendaklah dipisahkan oleh talian isyarat tanah.
b.Untuk mengurangkan gangguan silang antara talian, jarak antara talian hendaklah cukup besar. Apabila jarak antara pusat talian tidak kurang daripada tiga kali lebar talian, 70% medan elektrik boleh dihalang daripada gangguan bersama, yang dikenali sebagai prinsip 3W.
c.Dalam situasi di mana talian isyarat berkelajuan tinggi memenuhi keperluan, pemadanan boleh dilakukan pada terminal sambungan untuk mengurangkan atau menghapuskan pantulan dan untuk mengurangkan gangguan silang.

Aplikasi Kaedah Reka Bentuk Keutuhan Isyarat

Dalam proses reka bentuk PCB, banyak peraturan reka bentuk telah dirumuskan berdasarkan teori keutuhan isyarat. Dengan merujuk kepada peraturan-peraturan iniPeraturan reka bentuk PCB, integriti isyarat boleh diperoleh dengan lebih baik. Dalam proses reka bentuk PCB, maklumat reka bentuk perlu diketahui secara terperinci, termasuk:
a.Kedudukan susun atur komponen, sama ada terdapat keperluan khas bagi komponen berkuasa tinggi dan pelesapan haba pada komponen cip.
b.Pengelasan isyarat, kadar kelajuan, arah penghantaran dan keperluan pemadanan impedans.
c.Kapasiti pemacuan isyarat, isyarat utama dan langkah perlindungan.
d.Jenis kuasa, tanah, keperluan had hingar bagi kuasa dan tanah, tetapan satah kuasa dan satah tanah serta pembahagiannya.
e.Jenis dan kadar kelajuan talian jam, sumber talian jam, arah, keperluan lengahan jam dan keperluan penghalaan maksimum.

Inovasi elektronik memerlukan reka bentuk PCB yang canggih untuk mengekalkan integriti isyarat pada kelajuan tinggi, menyelesaikan isu seperti pantulan dan gangguan silang. Penghalaan yang tepat, penempatan komponen, dan padanan impedans yang betul adalah penting untuk memastikan prestasi yang sempurna.

PCBCart menonjol dengan penyelesaian PCB berprestasi tinggi yang mengutamakan penambahbaikan integriti isyarat dan ketepatan reka bentuk sebenar. Pengetahuan bahan dan proses terkini kami memastikan PCB bertaraf tinggi untuk aplikasi masa hadapan. Bekerjasama dengan PCBCart untuk mengangkat projek elektronik anda ke tahap yang lebih tinggi. Mohon sebut harga hari ini dan alami prestasi terbaik dalam kelasnya dengan penyelesaian tersuai kami.

Tingkatkan Reka Bentuk Anda: Dapatkan sebut harga PCB berkelajuan tinggi sekarang

Sumber Berguna:
•3 Teknik Penghalaan dalam Reka Bentuk Litar Isyarat Berkelajuan Tinggi PCB
•Kaedah Penindasan Pantulan Isyarat dalam Susun Atur PCB Berkelajuan Tinggi
•Analisis Keutuhan Isyarat dan Reka Bentuk PCB pada Litar Campuran Digital-Analog Kelajuan Tinggi
•Kawalan Impedans Via dan Pengaruhnya terhadap Integriti Isyarat dalam Reka Bentuk PCB
•Perkhidmatan Pembuatan PCB Ciri Penuh daripada PCBCart - Pelbagai pilihan Nilai Tambah
•Perkhidmatan Pemasangan PCB Lanjutan daripada PCBCart - Bermula dari 1 keping