Tartalomjegyzék
Mivel az elektronikus eszközök egyre nagyobb sebességgel és magasabb frekvencián működnek, jelintegritás fenntartása nyomtatott áramköri lapokon egyre kritikusabbá vált.
A rossz jelintegritás különböző kérdések, az időszakos hibáktól a termék teljes meghibásodásáig. A NYÁK-tervezők számára a jelromlás okainak megértése és a legjobb elrendezési gyakorlatok alkalmazása kulcsfontosságú a költséges újratervezések elkerülése és a következők biztosítása érdekében termékek rendeltetésszerűen működik.
Ez az átfogó útmutató mélyre merül a nyomtatott áramköri lapok jelintegritásában, elmagyarázza annak kritikus szerepét, azonosítja a tervezők előtt álló főbb kihívásokat, valamint ismerteti a bevált elrendezési technikákat és a legjobb gyakorlatokat. a nagysebességű tervezések robusztus teljesítményének biztosítása érdekében.
Mi a jelintegritás
és miért fontos ez?
Jelintegritás a jel azon képességére utal, hogy elfogadhatatlan torzítás vagy zaj nélkül képes terjedni a forrástól a célállomásig. Azt méri, hogy a jel milyen mértékű romlást tapasztal, miközben a NYÁK összeköttetései mentén halad.
Alacsonyabb frekvenciákon a tökéletes jelintegritás fenntartása nem kritikus. De ahogy órajelek és adatátviteli sebességek növekedése miatt még a kisebb torzulások is befolyásolhatják az áramkör teljesítményét. Mindkét analóg és digitális jelek fogékonyak. A gyenge jelintegritás a következőkben nyilvánulhat meg csökkentett zajtartomány, időzítési hibák, zavarok, torzított hullámformák vagy a szomszédos nyomvonalakra átterjedő idegen zajok..
A tervezők számára a a rossz jelintegritás következményei a következők:
- Időszakos meghibásodások – IC-k a sérült jeleket fogadó készülék megbízhatatlanul működhet.
- Kifejezett üzemzavarok - A túlzott zaj vagy torzítás a termék teljes meghibásodását okozhatja.
- Költséges újratervezések - Olyan problémák megoldása, mint a túlzott crosstalk gyakran megköveteli a NYÁK újratervezését.
Amikor a jelintegritás kritikussá válik a NYÁK-tervezésben
A jelintegritási hatások akkor válnak relevánssá a tervezés szempontjából, amikor:
- Nagy sebességű digitális jelek, ha az emelkedési idő gyorsabb, mint a nyomvonal hosszának kb. 1/6-a.
- Magas frekvencia analóg áramkörök, mint például RF
- Órajelek vagy más szigorú időzítési útvonalakon a terjedésből vagy a ferdeségből eredő kis késések problémákat okozhatnak.
- Több GHz-es frekvenciákkal, gyors logikai családokkal való munka mint a CML vagy az LVDS, vagy a nagy adatátviteli sebességű soros összeköttetések
Legfontosabb PCB jelintegritási kihívások
Az áramköri lapok jelintegritását számos tényező ronthatja. Ezeknek a főbb kérdések segíthet megtervezni a elrendezés hogy proaktívan mérsékeljük őket.
Impedancia megszakítások
Amikor egy jel hirtelen változik a impedancia, a jel egy része visszaverődik, míg a többi tovább terjed a nyomvonalon. Ezek az impedancia megszakítások okozzák visszaverődések és csengés, amelyek torzítják a jel hullámformáit.
A zavaró impedancia-szakadások gyakori okai közé tartoznak:
- Vias: A via hozzáadott induktivitása impedancia-eltérést okoz.
- Nyomvonal elágazás: A több célpontra osztott nyomvonal impedanciaváltozást jelent.
- A referenciasík felosztása: Hirtelen élek a földelt vagy tápfeszültségi síkok impedancia-szakadásokat is bevezetnek.
A gondos elrendezési technikák segíthetnek az elkerülhetetlen impedancia-eltérések elsimításában és a jelekre gyakorolt hatásuk csökkentésében.
Crosstalk zaj
Crosstalk akkor fordul elő, amikor a szomszédos nyomvonalak közötti csatolás az egyik nyomvonalról a másikra zajt indukál. Az összekapcsolt zaj mennyisége a következőktől függ nyomvonal-távolság, emelkedési idők és jelamplitúdók.
A szorosan egymás mellett elhelyezkedő vagy szomszédos nyomvonalak úgy működnek, mint agresszor és áldozat, ahol a zaj véletlenül az elektromos és mágneses mezők csatolásán keresztül a támadóról az áldozatra terjed. Ez a hozzáadott zaj csökkentheti az áldozat jelének zajtartományát, és működési problémákat okozhat.
Gyakori megoldások:
- Kritikus nyomvonalak távolabbra helyezése egymástól vagy más táblára irányítja őket rétegek
- Differenciális jelátvitel eredendően ellenáll a közös módusú áthallásoknak is.
Egyidejű kapcsolási zaj
Amikor a kimenetek állapotot váltanak, tranziens áramok áramlanak át a villamosenergia-elosztó hálózaton. A NYÁK nyomvonalak és átvezetések parazita induktivitása azt jelenti, hogy ezek az áramok okozhatják a földi referencia a címre. bounce.
A több kimenetről történő túlzott egyidejű kapcsolás csökkentheti a zajkülönbséget. A probléma mérséklését segítő stratégiák a következők:
- Add leválasztó kondenzátorok
- Add síkközi kapacitás
- A teljesítményhurok induktivitásának minimalizálása
Terjedési késleltetés eltolódás
A nagysebességű jelek, amelyek a különböző nyomtatott áramköri pályák mentén terjednek, különböző időben érkeznek meg a különböző terjedési késleltetések. Túlzott ferde a jelek, például az órajelek és az adatvonalak között időzítési problémákat és hibákat okozhatnak.
Óvatos hosszillesztés a kritikus nyomvonalak minimálisra csökkentik a ferdítési problémákat. Ez különösen fontos az órajelelosztás és a buszjelek esetében, ahol az időzítési margók szűkek.
Jelveszteség és csillapítás
Mivel a nagyfrekvenciás jelek a NYÁK nyomvonalak mentén terjednek, a bőrhatás és dielektromos veszteségek csillapodást okoz. A magasabb frekvenciájú komponensek nagyobb veszteséget szenvednek, ami torzítja a hullámformákat és csökkenti a jel sávszélességét a vevőnél.
Válassza ki a címet. táblaanyagok gondosan a veszteségek minimalizálása érdekében, és a legrövidebb útvonalat használja fel. útvonalválasztás érzékeny jelek esetén. A végződtetési sémák segíthetnek a veszteségek és torzítások kompenzálásában is a vonal mentén.
EMI: A jelintegritás és a megfelelőség kihívása
EMI a frekvenciák és az emelkedési idők növekedésével egyre nagyobb gondot jelent. A nem szándékos nyomvonal-antenna hatások a jelek zajsugárzását okozhatják, ami potenciálisan zavarhatja az érzékeny áramköröket vagy külső eszközöket.
Az olyan megbízható EMI-tervezési gyakorlatok követése, mint a nyomvonalhossz minimalizálása, a megfelelő visszatérési útvonalak biztosítása és a csonkok kiküszöbölése segít csökkenteni a nem kívánt sugárzást és fenntartja a jelintegritást.
Bevált PCB elrendezési stratégiák az optimális jelintegritás érdekében
A fő SI-kihívások ismeretében a tervezők elrendezési technikákat alkalmazhatnak a jelminőség fenntartása érdekében a nyomtatott áramköri lapokon. Íme néhány kulcsfontosságú jelintegritás tervezési irányelv:
Impedancia illesztés
Szabályozott impedanciájú vonalak esetén gondoskodjon arról, hogy a nyomvonalak a jelzési szabványnak megfelelően illeszkedő forrás-, terhelés- és jellemző impedanciával rendelkezzenek. Kerülje a hirtelen impedancia-eltéréseket az egész útvonalon.
Megszakítások minimalizálása
Ahol lehetséges, kerülje az olyan impedanciamegváltoztató szerkezeteket, mint a vias és a csonkok az érzékeny nyomvonalakon. Ha elkerülhetetlen, mikroviaszok, hátrafúrás és impedancia-illesztés használata a nem kívánt visszaverődések csökkentése érdekében.
- minimalizálja a megszakítások hatásait az overviák és az overvia csonkok által okozott károkat a kisebb mikroviák és a HDI NYÁK technológia alkalmazásával.
- Csökkentett Nyomvonal csonk hossza
- Ha egynél több helyen használja a jeleket, akkor azokat a következő módon kell útvonalazni a daisy-chain módra a többpontos elágazás helyett.
- Használjon megfelelő záróellenállásokat a forrás és a vevő végén.
- Használja a címet. differenciális jelek és szoros csatolású állomások differenciális párjai, amelyek természetüknél fogva immunisabbak a jelvisszatérési útvonal síkjában lévő megszakításokkal szemben.
- Biztosítani kell, hogy a csatlakozók, ahol megszakítások fordulnak elő, a jelvezetékek a lehető legrövidebbek és a jelvisszavezető útvonal a lehető legszélesebb.
Összehasonlított nyomvonalhosszúságok
Az óraelosztás és a párhuzamos buszjelek esetében pontosan illessze össze a nyomvonal hosszát, hogy elkerülje az időeltolódási problémákat. Ez lehet a szerpentin hosszának hozzáadása szükséges hangolás rövidebb nyomvonalakon.
Minőségi teljesítmény integritás
Jól megtervezett teljesítmény és alapsíkok megfelelő leválasztással elengedhetetlenek az érzékeny jelekre történő teljesítményzaj-kapcsolódás minimalizálásához.
Kereszthallás megelőzése
Használjon nagyobb távolságot, és útvonalválasztás ortogonális rétegeken, differenciálpárokon és a kritikus nyomvonalak közötti alaplapokon a csatolás csökkentése érdekében. Kerülje a gyors, zajos jelek vezetését az érzékeny analóg nyomvonalak közelében.
Az áthallás és a kapcsolási zaj a következő módon csökkenthető:
- A szomszédos jelek összehangolása közötti távolság növelése
- A jelvisszatérési útvonal minél szélesebbé és egyenletesebbé tétele, mint egy sík, hogy elkerüljük a visszatérési útvonal felosztását.
- Alacsony dielektromos állandójú PCB anyagok használata
- Differenciális jelek és szorosan kimerített differenciális párok használata, amelyek eredendően immunisabbak az áthallásokra.
Smart Layer Stackup
A PCB jelintegritási problémák általában a nem megfelelő visszatérési útvonalak miatt. Ezeknek akadálymentesnek kell lenniük, és a jobb jelintegritás érdekében szomszédos rétegeken kell elhelyezkedniük. Ez megköveteli dedikált rétegek a lapkakészletben a nagy sebességű kábelezés és a referenciasíkok számára mikroszalag- vagy szalagvezeték-konfigurációk esetén.
Megfelelő alkatrész elhelyezés
Az alkatrészeket a kapcsolási rajzban megadott sorrendben kell elhelyezni, a lehető legrövidebb pont-pont kapcsolatok biztosítása a csapok között.
Megjegyzés:
- Az áramkör tervezésekor kövesse a logikai áramlást a vázlat.
- Helyezzen áthidaló kondenzátorokat a processzor és a memóriaeszközök tápcsatlakozóinak közelébe.
- Hagyjon elegendő helyet a meneküléshez és a buszvezetékekhez.
Megfelelő nyomvonalvezetés
A jó jelintegritás biztosítása érdekében az igazításnak szorosan kapcsolódnia kell az eszközök elhelyezkedéséhez. A menekülési útvonalakat például gondosan meg kell tervezni, hogy minden jel megfelelően legyen csatlakoztatva, és a kapcsolódó eszközök (például a megkerülő kondenzátorok) megfelelően legyenek elhelyezve. a lehető legközelebb a csapokhoz.
A jelintegritás szempontjából a kritikus nagysebességű jeleket a következő eszközökkel kell elvezetni szalagvezetékes technológia, míg a nem kritikus nagysebességű jeleket a következő eszközökkel lehet továbbítani mikroszalag-technológia.
EDA eszközök használata
Haladó PCB tervezés Az olyan eszközök, mint az Altium Designer, lehetővé teszik a tervezők számára, hogy ezen irányelvek közül sokat megvalósítsanak az olyan funkciók segítségével, mint a korlátok kezelői, a valós idejű DRC és az áthalláselemzés. Használja ki ezeket az eszközöket a jelintegritás ellenőrzésének automatizálására.
Jelintegritás elemzése és ellenőrzése
A szimulációk és elemzések kulcsfontosságúak annak megerősítéséhez, hogy a tervek megfelelnek a megcélzott jelintegritási metrikáknak. A tervezési folyamat különböző szakaszaiban különböző technikákat alkalmaznak:
Pre-Layout elemzés
Az elhelyezés és útválasztás előtt az elemzés a következőkre összpontosít a megfelelő stackup és útválasztási szabályok kidolgozása. Az IBIS-modellek, a gyártó SI-irányelvei és a csatornaelemzés segít a tervezési tér feltárásában.
Post-Layout ellenőrzés
Ha a lapot egyszer már megtervezték, akkor szabványokon alapuló módszerekkel elemezve vagy a gyártók IC-modelljeivel szimulálva. Ez az elrendezés során elszalasztott problémákat oldja meg. Progresszív megközelítések gyorsan képernyőterveket közös problémák.
HyperLynx DRC
Az olyan eszközök, mint a Mentor HyperLynx, képesek automatikusan átvizsgálni egy teljes routed boardot, és jelezni a gyakori jelintegritási problémákat, mint például a síkfelosztásokat keresztező nyomvonalak. Ez sokkal gyorsabb, mint a kézi ellenőrzés.
Megfelelőségi elemzés
Szállítói modell szimuláció
A legnagyobb pontosság érdekében szimulálja a teljes csatornát, beleértve az IC-szállítók adó- és vevőmodelljeit is. Ez igazolja, hogy a rendszer együtt működik, de pontos modelleket igényel.
Felhőalapú elemzés
Az olyan megoldások, mint az Altium 365, lehetővé teszik a tervezőcsapatok számára az együttműködést a szimulációk és elemzések felhőalapú platformokon keresztül történő megosztásával. Ez megkönnyíti a szakértői felülvizsgálatot.
A PCB-k jelintegritásával kapcsolatos legfontosabb tudnivalók
Sok területet érintettünk már a nyomtatott áramköri lapok tervezésénél a jelintegritás fenntartásával kapcsolatban. Íme néhány fontos pont, amit érdemes megjegyezni:
- A gyenge jelintegritás időszakos meghibásodásokhoz vezethet vagy megbízhatósági problémák. A problémák elkerülése megéri az erőfeszítést.
- Mindig ügyeljen a jelintegritásra, amikor a következő eszközökkel dolgozik több Gbps-os kapcsolatok, RF áramkörök, gyors logikai családok vagy nagy fanoutú órajelek.
- Impedancia diszkontinuitások, keresztbeszólások, késleltetés és visszaverődések a jelromlás fő okozói.
- Használja az elrendezési technikákat mint például az impedanciaillesztés, az áthalláscsökkentés, a rövid nyomvonalhosszúság és a megszakítás nélküli visszatérési útvonalak.
- Használja ki a 0+ elrendezés előtti és utáni szimulációkat a jelintegritási célok teljesülésének ellenőrzésére.
- Fejlett PCB tervezőeszközök segíti a tervezőket a legjobb jelintegritási gyakorlatok végrehajtásában.
Következtetés
Az alapvető jelintegritási koncepciók ismeretében és a körültekintő tervezési gyakorlatok alkalmazásával a NYÁK-mérnökök a nagysebességű korszakban is boldogulhatnak, nagyfrekvenciás elektronika. A robusztus jelátvitel felszabadítja az élvonalbeli IC-k teljes teljesítménypotenciálját, és lehetővé teszi a modern világunkat működtető összetett digitális rendszerek működését.
Ne hagyja, hogy a jelintegritási problémák kisiklassák a következő nagysebességű NYÁK-projektjét. Partnerünk ELEPCB tapasztalt mérnöki csapat. Mi kihasználjuk a legmodernebb tervezési gyakorlatok és elemzési eszközök hogy robusztus, megbízható NYÁK-ok készüljenek, amelyek sebességüknél fogva hibátlanul teljesítenek.
Kapcsolatfelvétel: Jelintegritás tervezési konzultáció kérése még ma!
GYIK
A1: A jelintegritás (SI) a nyomtatott áramköri lapok tervezésében az elektromos jel minőségére és hűségére utal, ahogyan az a forrástól (például egy IC-től) a nyomtatott áramköri lapon lévő rendeltetési helyéig halad. A túlzott torzítás, zaj, időzítési hibák vagy csillapítás megelőzésére összpontosít, amelyek ronthatják a jelet és áramköri hibákat okozhatnak, ami különösen kritikus a nagy sebességű és nagyfrekvenciás tervezéseknél.
A2: A gyenge jelintegritás olyan súlyos problémákhoz vezethet, mint az időszakos zavarok, adathibák, időzítési hibák (beállítási/tartási idő hibák), csökkent zajtartományok, sőt, akár teljes termékhibák vagy meghibásodások. Ezek a problémák gyakran megbízhatatlan működést, költséges hibakeresési erőfeszítéseket és potenciálisan költséges NYÁK-újratervezést (respin) eredményeznek.
A3: A jelintegritás kritikussá válik, ha nagy sebességű digitális jelekkel (gyors felfutási idők, több Gbps adatátviteli sebesség), nagyfrekvenciás analóg/RF áramkörökkel, érzékeny órajelekkel vagy gyors logikai családokkal (pl. LVDS, CML) dolgozik. Lényegében bármikor, amikor a jel hullámhossza vagy élsebessége összehasonlíthatóvá válik a NYÁK nyomvonalak fizikai méreteivel.
A4: A jó jelintegritás biztosítása magában foglalja a kulcsfontosságú PCB elrendezési gyakorlatokat: ellenőrzött impedanciájú útválasztás megvalósítása illesztéssel, a megszakítások (mint például az átjárók) minimalizálása, a kritikus nyomvonalhosszok pontos illesztése, az áthallás megelőzése megfelelő távolságok/árnyékolás révén, robusztus tápellátó hálózat (PDN) tervezése megfelelő leválasztással, és a rétegfelépítés optimalizálása a tiszta visszatérési utak érdekében. Az SI szimulációs eszközök használata szintén erősen ajánlott.
KAPCSOLATFELVÉTEL
A1: A nagyfrekvenciás nyomtatott áramkörök olyan lapok, amelyeket MHz-től GHz-ig terjedő frekvenciák kezelésére terveztek. Ezeket a lapokat olyan alkalmazásokban használják, mint az IoT és az 5G.
A2: A nagyfrekvenciás alkalmazások nyomtatott áramköreit alacsony Dk és Df értékű anyagokból készítik. A leggyakrabban használt anyagok a következők:
- Teflon
- Rogers anyag
- Kerámia töltésű anyag
A3: Az analóg NYÁK-okat olyan területeken használják, ahol a nagy frekvencia fontosabb, mint a gyorsabb haladási sebesség. Az RF lapkákat olyan területeken használják, ahol a gyorsabb kommunikáció a legfontosabb.
Hungarian 
English 
Italian