Kaedah Penindasan Pantulan Isyarat dalam Susun Atur PCB Berkelajuan Tinggi

Dengan perkembangan sains dan teknologi elektronik yang bakal datang, sistem elektronik yang terdiri daripada cip IC sedang pesat berkembang ke arah skala besar, peminiaturan dan kelajuan tinggi. Pada masa yang sama, timbul juga satu masalah iaitu pengecilan saiz sistem elektronik membawa kepada peningkatan ketumpatan pendawaian litar manakala frekuensi isyarat sentiasa meningkat dan masa peralihan tepi isyarat menjadi singkat. Apabila kelewatan antara sambungan isyarat adalah lebih besar daripada masa peralihan isyarat sebanyak 10%, laluan isyarat pada papan akan mempamerkan kesan talian penghantaran, menyebabkan satu siri masalah seperti pantulan isyarat dan gangguan silang menjadi semakin ketara. Kemunculan masalah kelajuan tinggi membawa cabaran yang lebih besar kepada reka bentuk perkakasan dan jika sesetengah reka bentuk yang dianggap betul dari perspektif logik gagal ditangani dengan sewajarnya, keseluruhan reka bentuk akan mengalami kegagalan. Oleh itu, cara menyelesaikan masalah litar berkelajuan tinggi telah menjadi salah satu unsur penting yang menentukan kejayaan sistem.

Prinsip Refleksi dan Pengaruhnya

• Prinsip pantulan

Punca langsung bagi pantulan terletak pada ketidakserasian impedans talian penghantaran yang menyebabkan tenaga isyarat tidak diserap sepenuhnya pada terminal. Masalah pantulan mencerminkan kualiti isyarat rangkaian tunggal, berkaitan dengan sifat fizikal laluan isyarat rangkaian tunggal dan laluan baliknya. Biasanya, sifat fizikal bagiPendawaian PCBmempunyai pengaruh besar ke atas talian penghantaran, terutamanya termasuk bahan penghalaan, lebar penghalaan, ketebalan penghalaan, jarak antara satah penghalaan lain dan satah serta pemalar dielektrik bahan bersebelahan. Apabila isyarat dihantar sepanjang rangkaian tunggal, perubahan impedans sementara pada talian antara sambungan akan terhasil. Jika impedans antara sambungan yang dirasai oleh isyarat kekal tidak berubah, tanpa herotan akan dikekalkan. Jika impedans antara sambungan yang dirasai oleh isyarat sentiasa berubah, herotan akan terhasil dengan pantulan yang berlaku pada titik perubahan. Isyarat pantulan akan dihantar kembali ke hujung pemancaran isyarat dan akan dipantulkan semula sehingga ia mengecil dengan pengecilan tenaga. Akhirnya, voltan dan arus isyarat akan menjadi stabil.

• Pengiraan pantulan

Apabila isyarat dihantar ke hadapan sepanjang talian penghantaran, impedans sementara akan dirasai pada bila-bila masa. Jika impedans yang dirasai oleh isyarat adalah malar, ia akan dihantar ke hadapan secara normal. Selagi impedans yang dirasai berubah, pantulan akan sentiasa berlaku tanpa mengira puncanya. Indeks penting yang mengukur jumlah pantulan ialah pekali pantulan yang menunjukkan nisbah antara voltan pantulan dan voltan isyarat asal. Pekali pantulan boleh ditakrifkan mengikut formula.

Dalam formula ini, Z₁merujuk kepada impedans selepas perubahan manakala Z₀impedans sebelum perubahan. Andaikan impedans ciri pemasaan PCB ialah 50Ω. Dalam proses penghantaran, satu perintang 150Ω ditemui dan kemudian pekali pantulan ialah (150-50)/(150+50)=1/2 (Dalam keadaan ini, pengaruh kapasitans dan induktans parasit tidak diambil kira dengan perintang dianggap sebagai perintang tulen ideal). Keputusan ini menunjukkan bahawa separuh daripada tenaga isyarat asal dipantulkan kembali ke terminal sumber. Jika voltan isyarat penghantaran ialah 5V, voltan pantulan ialah 2.5V.

• Pengaruh refleksi

1). Herotan isyarat yang disebabkan oleh pantulan

Jika plumbum tidak ditamatkan dengan betul, denyutan isyarat dari hujung pemacu akan dipantulkan pada terminal penerima. Apabila isyarat pantulan agak kuat, bentuk gelombang yang bertindan mungkin mengubah keadaan logik yang membawa kepada kesan yang tidak dijangka, menyebabkan herotan garis besar isyarat. Apabila herotan menjadi begitu ketara, banyak ralat mungkin berlaku sehingga reka bentuk gagal. Pada masa yang sama, isyarat yang terherot mempunyai kepekaan yang lebih tinggi terhadap hingar, yang juga akan menyebabkan kegagalan reka bentuk.

2). Lebihan dan kekurangan yang disebabkan oleh pantulan

Overshooting merujuk kepada hakikat bahawa nilai puncak pertama atau nilai lembah pertama melebihi voltan. Untuk tepi menaik, ia merujuk kepada hakikat bahawa nilai puncak pertama melebihi voltan tertinggi manakala untuk tepi menurun, ia merujuk kepada hakikat bahawa nilai lembah pertama melebihi voltan terendah. Overshooting yang keterlaluan berkemungkinan merosakkan diod perlindungan, menyebabkan kegagalan awal. Undershooting merujuk kepada hakikat bahawa nilai lembah atau nilai puncak seterusnya berkemungkinan menjana isyarat jam palsu, menyebabkan operasi pembacaan dan penulisan sistem yang tersilap.

3). Ayunan

Ayunan juga merupakan satu gejala yang disebabkan oleh pantulan. Dengan sifat yang sama seperti terlebih tujah, pengulangan terlebih tujah dan kurang tujah dipanggil ayunan dalam satu kitaran jam. Ia adalah hasil daripada hakikat bahawa tenaga berlebihan yang dijana daripada pantulan gagal diserap tepat pada masanya dalam litar.

Kaedah Penindasan Pantulan

Elemen utama yang menyebabkan pantulan termasuk bentuk geometri penghalaan (lebar, panjang, sudut pusingan), pertukaran satah penghalaan rangkaian yang sama, penghantaran melalui penyambung, ketakselanjaran antara kuasa dan tanah, struktur topologi yang tidak betul dan ketidakserasian hujung rangkaian. Kaedah penindasan utama akan diperkenalkan dalam bahagian berikut.

• Peningkatan frekuensi sistem

Kadar transformasi pinggir isyarat dikurangkan dalam situasi yang mungkin supaya pantulan talian penghantaran akan mencapai keadaan stabil sebelum sambungan antara isyarat dan talian penghantaran. Di satu pihak, peraturan reka bentuk perlu dipatuhi; di pihak yang lain, komponen dengan kelajuan perlahan harus dipilih untuk mengelakkan pencampuran antara jenis isyarat yang berbeza.

• Pengoptimuman pemprosesan isyarat

Disebabkan oleh keperluan yang ketat dari segi penjujukan masa, komponen dan nod yang mungkin menyebabkan masalah kelajuan tinggi perlu ditentukan terlebih dahulu. Pelbagai keperluan berkaitan susun atur komponen dan pendawaian perlu dilaraskan dan indeks reka bentuk keutuhan isyarat akhirnya akan dikawal. Kaedah pemprosesan utama termasuk:
1).Agak nipisPapan PCBdigunakan untuk mengurangkan parameter parasit lubang tembus.
2).Bilangan lapisan hendaklah disusun dengan sesuai. Lapisan tengah hendaklah digunakan sepenuhnya untuk menetapkan perisai bagi melaksanakan pembumian bersebelahan dengan lebih baik, yang akan berkesan mengurangkan induktans parasit, memendekkan panjang penghantaran isyarat dan sangat meningkatkan gangguan silang antara isyarat.
3).Bentuk geometri talian isyarat pada PCB harus dikawal dengan mengurangkan selekoh dan meminimumkan titik ketakselanjaran impedans pada penghalaan. Terutamanya untuk penghalaan dalam litar frekuensi tinggi, talian yang benar-benar lurus harus digunakan. Apabila selekoh diperlukan, garisan bersegi atau lengkok 45° boleh digunakan, yang akan mengurangkan pancaran luaran isyarat frekuensi tinggi dan gandingan antara isyarat frekuensi tinggi.
4).Penghalaan talian isyarat penting harus disusun dalam satah yang sama untuk mengurangkan lubang melalui yang tidak perlu.
5).Keutuhan satah hendaklah dipastikan untuk menyediakan laluan reflow dengan impedans rendah bagi talian isyarat. Ini bertujuan untuk mengurangkan gandingan impedans mod biasa dan hingar suis mod biasa bagi mengurangkan atau menghapuskan masalah keutuhan isyarat yang berkaitan dengan sistem bekalan kuasa.
6).Penggunaan struktur topologi penghalaan yang betul.

Struktur topologi pendawaian merujuk kepada turutan pendawaian dan struktur bagi satu talian isyarat. Dalam litar praktikal, sentiasa wujud keadaan di mana satu sumber pemacu tunggal memacu berbilang beban dan sumber pemacu serta beban mematuhi topologi struktur tersebut. Struktur topologi yang berbeza mempunyai pengaruh yang jelas berbeza terhadap isyarat. Biasanya, dua jenis struktur topologi asas digunakan dalam pendawaian PCB, iaitu topologi rantaian daisi dan bentuk bintang, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 di bawah.

a. Rantaian daisi

Penghalaan bermula dari terminal pemacu dan tiba di setiap terminal penerima secara berurutan. Jika perintang siri digunakan untuk mengubah sifat isyarat, kedudukan perintang siri hendaklah diletakkan rapat dengan terminal pemacu. Dari segi kawalan gangguan harmonik tinggi, rantaian daisy mempunyai kesan penghalaan yang terbaik. Walau bagaimanapun, jenis penghalaan ini mempunyai kebolehroutean paling rendah, kurang daripada 100%. Dalam reka bentuk praktikal, panjang cabang dalam rantaian daisy hendaklah dipendekkan sebanyak mungkin. Ruang penghalaan bagi struktur topologi ini adalah kecil dan satu perintang boleh digunakan untuk keserasian dengan penamatan. Selain itu, jenis struktur penghalaan ini menyebabkan penerimaan isyarat tidak segerak pada terminal penerima isyarat yang berbeza.

b. Topologi bentuk bintang

Jenis penghalaan ini mampu mengelakkan ketidakselarasan isyarat jam dengan berkesan tetapi mempunyai kelemahan iaitu setiap cabang memerlukan perintang terminal. Nilai rintangan perintang terminal hendaklah sepadan dengan impedans ciri dalam talian. Bagi sistem yang mempunyai keperluan serentak bagi isyarat berbeza pada terminal penerima, topologi bentuk bintang adalah yang paling sesuai.

• Kaedah penamatan

Impedans ciri pada laluan penghantaran isyarat hendaklah dikekalkan malar, iaitu pekali pantulan ialah 0, yang bermaksud tiada pantulan pada laluan penghantaran. Keadaan ini dipanggil keserasian impedans. Pada masa ini, isyarat dihantar secara ideal ke terminal. Secara amnya, panjang talian penghantaran hendaklah serasi dengan keadaan.

Dalam ketaksamaan ini, L merujuk kepada panjang talian penghantaran;t_rmerujuk kepada masa naik isyarat terminal sumber;t_pd1merujuk kepada kelewatan penghantaran beban pada setiap unit panjang pada talian penghantaran. Apabila pemindahan aras bersepadu berlaku sebelum pantulan tiba di terminal jauh, teknologi pemadanan terminal perlu digunakan. Prinsip sambungan terminal bagi talian penghantaran termasuk: jika sama ada pekali pantulan beban atau pekali pantulan sumber adalah sifar, pantulan akan dihapuskan. Secara amnya, dua strategi digunakan: impedans sumber dipadankan dengan impedans talian penghantaran, iaitu penamatan sumber manakala impedans beban dipadankan dengan impedans talian penghantaran, iaitu penamatan hujung.

1). Penamatan sumber

Penamatan sumber terutamanya ialah kaedah penamatan siri yang dilaksanakan dengan memasang satu perintang siri pada talian penghantaran di kedudukan berhampiran hujung sumber. Jumlah nilai rintangan perintang siri dan terminal pemacu hendaklah sama dengan nilai rintangan talian penghantaran. Prinsip penamatan siri untuk menghapuskan voltan pantulan dari terminal beban adalah dengan menghentikan pantulan kedua talian penghantaran, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.

2). Penamatan hujung

Prinsip utama penamatan hujung terletak pada penambahan perintang tarik-naik atau tarik-turun pada kedudukan bersebelahan dengan terminal beban bagi melaksanakan pemadanan impedans. Penamatan hujung lazimnya boleh dibahagikan kepada penamatan selari perintang tunggal, penamatan RC, penamatan Thevenin dan penamatan diod Schottky, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.

Nilai rintangan dalam penamatan selari perintang tunggal adalah sama dengan impedans talian penghantaran. Nilai dua perintang dalam penamatan Thevenin hendaklah mengikut formula:Z₀=R₁R₂/(R₁+R₂). Nilai kapasitans dalam penamatan RC mengikut formula:C=3T/Z₀di manaTmerujuk kepada masa naik isyarat manakala Z₀merujuk kepada impedans talian penghantaran.

Dari perspektif reka bentuk sistem, penamatan selari harus dipilih terlebih dahulu kerana ia paling berkeupayaan mengurangkan hingar, EMI dan RFI berbanding tiga kaedah penamatan yang lain. Mengikut keadaan praktikal, kaedah penamatan yang sesuai dipilih dan apabila perlu, reka bentuk simulasi harus dilaksanakan.

Kesimpulan

Dalamreka bentuk PCB berkelajuan tinggi, prasyarat yang berjaya termasuk susun atur dan penghalaan yang munasabah, pengelakan daripada pusingan dan via tembus yang tidak perlu, kesinambungan impedans, satah rujukan isyarat bersepadu dan pembumian yang sangat baik. Untuk mengoptimumkan reka bentuk & keutuhan isyarat serta memperoleh keserasian elektromagnet yang lebih tinggi, pengesahan simulasi reka bentuk harus dilaksanakan. Ia membantu pereka bentuk menangani kecacatan reka bentuk tepat pada masanya dan menampung kekurangan dalam reka bentuk PCB.

Sumber Berguna
•Petua Susun Atur Kelajuan Tinggi
•Cabaran Reka Bentuk PCB Berkelajuan Tinggi terhadap Keutuhan Isyarat dan Penyelesaiannya
•Analisis Integriti Isyarat dan Reka Bentuk PCB pada Litar Campuran Digital-Analog Kelajuan Tinggi
•Perkhidmatan Pembuatan PCB Ciri Penuh daripada PCBCart - Pelbagai Pilihan Nilai Tambah
•Perkhidmatan Pemasangan PCB Termaju dari PCBCart - Bermula dari 1 keping