Con l'enorme aumento della complessità e dell'integrazione nella progettazione dei sistemi, i progettisti di sistemi elettronici stanno ora lavorando su circuiti che operano oltre i 100 MHz. Le frequenze operative dei bus hanno raggiunto o superato i 50 MHz, con alcune che superano persino i 100 MHz. Attualmente, circa 50% di progetti presentano frequenze di clock superiori a 50 MHz e quasi 20% hanno frequenze principali superiori a 120 MHz.
Quando i sistemi operano a 50 MHz, si verificano problemi di linea di trasmissione e di integrità del segnale. A velocità di clock di 120 MHz, i PCB progettati con metodi tradizionali sono destinati a guastarsi se non si applicano competenze di progettazione di circuiti ad alta velocità.
Di conseguenza, le tecniche di progettazione di circuiti ad alta velocità sono diventate strumenti essenziali per i progettisti di sistemi elettronici. Solo attraverso l'applicazione di metodologie di progettazione ad alta velocità è possibile controllare efficacemente il processo di progettazione.
Che cosa è un circuito PCB ad alta velocità?
È generalmente accettato che i circuiti logici digitali che operano a frequenze comprese tra 45 MHz e 50 MHz o superiori, laddove i circuiti funzionanti a queste frequenze costituiscono una parte significativa (ad esempio, un terzo) dell'intero sistema elettronico, siano classificati come circuiti ad alta velocità.
In realtà, le frequenze armoniche dei fronti del segnale superano la frequenza fondamentale del segnale. Transizioni rapide durante i fronti di salita e discesa del segnale (o transizioni del segnale) innescano conseguenze indesiderate nella propagazione del segnale. Pertanto, è generalmente accettato che se il ritardo di propagazione della linea supera la metà del tempo di salita del fronte di pilotaggio del segnale digitale, tali segnali sono considerati ad alta velocità e presentano effetti di linea di trasmissione.
La trasmissione del segnale avviene istantaneamente durante le transizioni di stato, come i tempi di salita o discesa. I segnali viaggiano dal driver al ricevitore in una durata fissa. Se il tempo di propagazione è inferiore alla metà del tempo di salita o discesa, il segnale riflesso dal ricevitore arriverà al driver prima che lo stato del segnale cambi. Viceversa, il segnale riflesso arriverà dopo il cambio di stato. Se il segnale riflesso è sufficientemente forte, la forma d'onda sovrapposta può alterare lo stato logico.
Determinazione dei segnali ad alta velocità
In precedenza, abbiamo definito i prerequisiti per gli effetti delle linee di trasmissione. Ma come si determina se il ritardo di linea supera la metà del tempo di salita del segnale all'estremità del driver? In genere, il tempo di salita è specificato nei manuali dei dispositivi, mentre il ritardo di propagazione nella progettazione dei PCB dipende dalla lunghezza effettiva del routing. La figura seguente mostra la relazione tra il tempo di salita del segnale e la lunghezza di routing consentita (ritardo).
Il ritardo per pollice su un PCB è di 0,167 ns. Tuttavia, i ritardi aumentano con numerosi via, pin del dispositivo e vincoli di rete. I dispositivi logici ad alta velocità hanno in genere un tempo di salita del segnale di circa 0,2 ns. Se la scheda contiene chip GaAs, la lunghezza massima di routing è di 7,62 mm.
Sia Tr il tempo di salita del segnale e Tpd il ritardo di propagazione della linea di segnale. Se Tr ≥ 4Tpd, il segnale rientra nella regione sicura. Se 2Tpd ≥ Tr ≥ 4Tpd, il segnale rientra nella regione incerta. Se Tr ≤ 2Tpd, il segnale rientra nella regione problematica. Per i segnali che rientrano nelle regioni incerte o problematiche, è opportuno impiegare tecniche di routing ad alta velocità.
Che cosa è una linea di trasmissione
Le tracce su una scheda PCB possono essere modellate in modo equivalente come le strutture di capacità, resistenza e induttanza in serie e in parallelo mostrate nel diagramma sottostante. Il valore tipico della resistenza in serie è 0,25-0,55 ohm/piede.
A causa dello strato isolante, il valore di resistenza parallela è solitamente molto elevato. Dopo aver aggiunto resistenza parassita, capacità e induttanza alla traccia effettiva del PCB, l'impedenza risultante lungo la traccia è chiamata impedenza caratteristica Zo. Zo diminuisce all'aumentare della larghezza della traccia, all'avvicinarsi della traccia al piano di alimentazione/massa o all'aumentare della costante dielettrica dello strato isolante.
Se la linea di trasmissione e l'estremità ricevente presentano impedenze non corrispondenti, il segnale di corrente in uscita e lo stato stazionario finale del segnale saranno diversi. Ciò causa riflessioni all'estremità ricevente, dove il segnale riflesso torna alla sorgente del segnale e viene nuovamente riflesso. Man mano che l'energia diminuisce, l'ampiezza del segnale riflesso diminuisce fino a quando la tensione e la corrente del segnale non si stabilizzano. Questo effetto è chiamato oscillazione e le oscillazioni del segnale sono spesso visibili sia sul fronte di salita che su quello di discesa.
Benchuang Electronics offre prodotti di alta qualità Progettazione e layout PCB servizi. Contattateci e inviateci le vostre specifiche.
Effetti della linea di trasmissione del PCB ad alta velocità
