Metodi per mitigare gli effetti delle linee di trasmissione | PCB ad alta velocità
Per affrontare gli impatti introdotti da quanto sopra menzionato problemi alla linea di trasmissione, discutiamo i metodi per controllare questi effetti dalle seguenti prospettive.
1. Controllare rigorosamente la lunghezza del routing delle netline critiche
Se il progetto prevede transizioni di bordo ad alta velocità, è necessario considerare gli effetti della linea di trasmissione sul PCB. Questo problema è particolarmente diffuso nei moderni circuiti integrati con clock ad alta frequenza. I principi di base per affrontare questo problema includono: - Per i circuiti CMOS o TTL che operano al di sotto di 10 MHz, la lunghezza di routing non deve superare i 7 pollici. - Per frequenze fino a 50 MHz, la lunghezza di routing non deve superare i 1,5 pollici. - Per frequenze pari o superiori a 75 MHz, la lunghezza di routing deve essere limitata a 1 pollice. - Per i chip GaAs, la lunghezza massima di routing deve essere di 0,3 pollici. Il superamento di questi standard introduce effetti della linea di trasmissione.
2. Pianificazione razionale della topologia della traccia
Un altro approccio per mitigare gli effetti delle linee di trasmissione consiste nel selezionare percorsi di routing e topologie di terminazione appropriati. La topologia di traccia si riferisce alla sequenza e alla disposizione strutturale del cablaggio di un cavo di rete. Quando si utilizzano dispositivi logici ad alta velocità, i segnali con fronti che cambiano rapidamente saranno distorti dalle tracce di diramazione sul tronco del segnale principale, a meno che le lunghezze delle diramazioni non siano mantenute estremamente brevi. In genere, il routing del PCB impiega due topologie fondamentali: routing a catena e distribuzione a stella.
Nel routing a catena a margherita, le tracce provengono dal driver e raggiungono sequenzialmente ciascun ricevitore. Se si utilizzano resistori in serie per modificare le caratteristiche del segnale, questi devono essere posizionati immediatamente adiacenti al driver. Il routing a catena a margherita offre le migliori prestazioni nel controllo delle interferenze armoniche di ordine elevato sulle tracce. Tuttavia, questo metodo di routing ha il tasso di successo più basso e raramente raggiunge il routing 100%. Nella progettazione pratica, si riducono al minimo le lunghezze degli stub nel routing a catena a margherita. Un valore di lunghezza sicuro è: Ritardo Stub <= Trt * 0,1.
Ad esempio, la lunghezza degli stub nei circuiti TTL ad alta velocità dovrebbe essere inferiore a 1,5 pollici. Questa topologia occupa uno spazio di routing minimo e può essere terminata con un singolo resistore. Tuttavia, questa struttura di routing causa una ricezione asincrona del segnale su diversi ricevitori.
La topologia a stella evita efficacemente i problemi di asincronia del segnale di clock, ma il routing manuale risulta complicato sui PCB ad alta densità. L'utilizzo di un router automatico è il metodo migliore per ottenere un routing a stella. Sono necessarie resistenze di terminazione su ogni ramo. Il valore della resistenza della resistenza di terminazione deve corrispondere all'impedenza caratteristica della connessione. Questo valore può essere calcolato manualmente o utilizzando strumenti CAD per determinare l'impedenza caratteristica e il valore della resistenza di adattamento.
Sebbene negli esempi precedenti siano stati utilizzati resistori semplici, metodi di terminazione più complessi rappresentano opzioni pratiche. La prima alternativa è la terminazione RC. La terminazione RC riduce il consumo energetico, ma è adatta solo in condizioni di segnale stabile. Questo approccio è più efficace per l'adattamento della linea di clock. Uno svantaggio è che la capacità nella terminazione RC può influenzare la forma del segnale e la velocità di propagazione.
La terminazione con resistore in serie non comporta alcuna perdita di potenza aggiuntiva, ma rallenta la propagazione del segnale. Questo metodo viene utilizzato nei circuiti driver di bus in cui i ritardi di temporizzazione sono trascurabili. Un altro vantaggio della terminazione con resistore in serie è la sua capacità di ridurre il numero di componenti della scheda e la densità di cablaggio.
L'ultimo approccio è la terminazione discreta, in cui i componenti di adattamento vengono posizionati vicino al ricevitore. I suoi vantaggi includono l'eliminazione del pull-down del segnale e l'attenuazione efficace del rumore. Viene tipicamente utilizzato per segnali di ingresso TTL (ACT, HCT, FAST).
Inoltre, è necessario considerare il tipo di packaging e l'orientamento della resistenza di terminazione. Generalmente, i resistori SMD a montaggio superficiale presentano un'induttanza inferiore rispetto ai componenti a foro passante, rendendo i package SMD la scelta preferita. Se si scelgono resistori a foro passante standard, sono disponibili due orientamenti di montaggio: verticale e orizzontale.
Il montaggio verticale mantiene un terminale di montaggio corto, riducendo la resistenza termica tra il resistore e la scheda, consentendo al calore di dissiparsi più facilmente nell'aria. Tuttavia, un montaggio verticale più alto aumenta l'induttanza dei resistori. Il montaggio orizzontale offre un'induttanza inferiore grazie al suo profilo più basso. Tuttavia, i resistori surriscaldati possono deviare e, nei casi peggiori, trasformarsi in circuiti aperti, causando il mancato adattamento delle terminazioni delle tracce sul PCB e diventando un potenziale fattore di guasto.
3. Metodi per la soppressione delle interferenze elettromagnetiche
Affrontare efficacemente i problemi di integrità del segnale migliorerà la compatibilità elettromagnetica (EMC) delle schede PCB. Garantire una corretta messa a terra del PCB è particolarmente cruciale. Per progetti complessi, l'utilizzo di uno strato di segnale abbinato a uno strato di massa si rivela altamente efficace. Inoltre, ridurre al minimo la densità del segnale sullo strato più esterno della scheda è un metodo efficace per ridurre le radiazioni elettromagnetiche. Questo può essere ottenuto utilizzando la tecnologia di "impilamento superficiale" o progettazione "build-up" per la fabbricazione di PCB. L'impilamento superficiale viene implementato aggiungendo sottili strati isolanti e microvia per penetrare questi strati su un PCB di processo standard. Resistori e condensatori possono essere interrati sotto lo strato superficiale, quasi raddoppiando la densità delle tracce per unità di superficie e di conseguenza riducendo il volume del PCB. La riduzione dell'area del PCB ha un impatto significativo sulla topologia delle tracce, con conseguenti loop di corrente più piccoli e lunghezze di diramazione più brevi. Poiché la radiazione elettromagnetica è approssimativamente proporzionale all'area dei loop di corrente, questa riduzione è vantaggiosa. Allo stesso tempo, il fattore di forma compatto consente l'utilizzo di package ad alta densità di pin. Ciò, a sua volta, riduce la lunghezza delle interconnessioni, restringendo ulteriormente i circuiti di corrente e migliorando la compatibilità elettromagnetica.
4. Altre tecniche applicabili
Per attenuare i transitori di tensione sugli alimentatori a circuito integrato (IC), è necessario aggiungere condensatori di disaccoppiamento al circuito integrato. Ciò sopprime efficacemente i disturbi dell'alimentazione e riduce le radiazioni provenienti dai loop di potenza sul circuito stampato.
I condensatori di disaccoppiamento forniscono un'ottima attenuazione dei glitch quando sono collegati direttamente ai pin di alimentazione del circuito integrato anziché al piano di alimentazione. Questo spiega perché alcuni zoccoli per dispositivi incorporano condensatori di disaccoppiamento, mentre altri richiedono che questi condensatori siano posizionati molto vicino al dispositivo.
Tutti i componenti ad alta velocità e ad alta potenza devono essere posizionati il più vicino possibile tra loro per ridurre al minimo i transitori della tensione di alimentazione.
Senza un piano di alimentazione, le lunghe tracce di alimentazione formano anelli tra il segnale e la terra, diventando sia fonti di radiazioni che circuiti sensibili.
Una traccia che forma un anello senza attraversare la stessa rete o altre tracce è detta anello aperto. Se l'anello attraversa altre tracce sulla stessa rete, forma un anello chiuso. Entrambi gli scenari creano effetti antenna (antenne filari e antenne ad anello). Le antenne irradiano EMI esternamente, fungendo allo stesso tempo da circuiti sensibili. Gli anelli chiusi sono un aspetto critico, poiché la loro radiazione è approssimativamente proporzionale all'area dell'anello.
Conclusione
La progettazione di circuiti ad alta velocità è un processo estremamente complesso. La metodologia qui descritta affronta specificamente queste sfide. Inoltre, molteplici fattori da considerare durante la progettazione di circuiti ad alta velocità presentano spesso priorità contrastanti. Ad esempio, posizionare i componenti ad alta velocità ravvicinati può ridurre il ritardo, ma può indurre diafonia ed effetti termici significativi. Pertanto, le decisioni di progettazione richiedono di bilanciare questi fattori attraverso compromessi globali, soddisfacendo i requisiti di progettazione e riducendo al minimo la complessità.
Benchuang Electronics offre prodotti di alta qualità Layout del PCB e PCB ad alta velocità servizi. Contattateci e inviateci le vostre specifiche.
