Défis de conception de circuits imprimés à grande vitesse sur l'intégrité du signal et leurs solutions

Avec les progrès constants des technologies électroniques, l'augmentation de la fréquence élevée de l'horloge dans le système numérique, le temps de front montant de plus en plus court, le système PCB est devenu une structure de système à haute performance, bien plus qu'une simple plate-forme supportant des composants. Du point de vue des performances électriques, l'interconnexion entre les signaux à grande vitesse n'est plus rapide ou transparente et l'influence de l'interconnexion entre les conducteurs sur les PCB à grande vitesse et les propriétés du plan de carte ne peut plus être négligée. Traitez avec succès les problèmes d'intégrité du signal, y compris la réflexion, la diaphonie, le retard, l'appel et l'adaptation d'impédance causés par l'interconnexion de signaux à haut débit et assurez-vous que la qualité de la transmission du signal détermine le succès de la conception.

Théorie de base de l'intégrité du signal PCB

• Circuit à grande vitesse et son principe de détermination

Le terme déterminant de circuit à grande vitesse se décline principalement en deux versions. D'une part, dans un circuit, lorsque le retard des signaux numériques sur les lignes de transmission est supérieur à 20% du temps du front montant, ce circuit peut être considéré comme un circuit rapide. D'autre part, dans un circuit, lorsque la fréquence du circuit analogique numérique atteint ou dépasse de 45 MHz à 50 MHz, le circuit est considéré comme un circuit à grande vitesse.

Fondamentalement, si L (longueur des dérivations) est supérieure à T_r , le circuit est considéré comme circuit à grande vitesse ; si L est inférieur à T_r , le circuit est considéré comme circuit à basse vitesse. Ici, T_r fait référence au temps de front montant de l'impulsion.

• Vitesse de transmission du signal et temps de front montant de l'impulsion

Le taux de vitesse de transmission du signal dans l'air est de 3 x 10 ⁸ Mme; la constante diélectrique de FR4 qui est le matériau du PCB est affichée sous la forme ε_r c'est-à-dire 4. Le taux de vitesse de transmission du signal dans le circuit imprimé peut être calculé à l'aide de la formule .

V_p est égal à 15 cm/ns soit environ 6 pouces/ns. Temps de front montant d'impulsion T_r =1/(10 x f_clk ) et le temps de front montant du signal à 100 MHz est de 1 ns. Lorsque le retard des signaux sur le routage PCB est supérieur à 20 % du temps de front montant, un appel évident aura lieu sur les signaux. Pour les ondes carrées dont le temps de montée est de 1ns (100MHz), lorsque la longueur de routage du PCB est supérieure à 0,2ns x 6 =1,2 pouces, des appels sérieux auront lieu sur les signaux. Par conséquent, la longueur critique est de 1,2 pouce (environ 3 cm).

• Impédance caractéristique

L'impédance caractéristique est un paramètre important dans l'adaptation d'impédance qui influence la réflexion, l'appel, la pousse supérieure et inférieure et est directement liée à l'intégrité de la transmission du signal à grande vitesse, ce qui est très important dans la conception à grande vitesse.

Les signaux sont transmis le long des lignes de transmission, dont le rapport entre la tension et le courant est considéré comme une impédance transitoire. L'impédance transitoire sur les lignes de transmission est calculée par la formule . Dans cette formule, C_l fait référence à la capacité par unité de longueur dont l'unité est pF/pouce (elle est généralement de 3,3 pF/pouce). Lorsque l'impédance transitoire le long des lignes de transmission est une valeur constante, cette valeur est considérée comme l'impédance caractéristique sur les lignes de transmission. Pour les lignes microruban et les lignes ruban sur PCB, leur impédance caractéristique peut être déterminée par l'outil de conception de ligne de transmission Polar Si9000, illustré à la figure 1.

Éléments influençant l'intégrité du signal et les solutions

• Adaptation d'impédance

L'adaptation d'impédance est nécessaire dans la conception de circuits à grande vitesse afin d'assurer une transmission de données rapide et correcte. Le système d'accumulation de données est généralement composé d'un capteur, d'un instrument de conditionnement de signal, d'une puce d'accumulation de données AD, d'un FPGA et d'une SDRAM, comme le montre la figure 2.

AD9649 est appliqué en tant que puce AD ​​avec une alimentation 1,8 V et un échantillon parallèle par ligne de données 14 bits. La fréquence d'échantillonnage est fixée à 20M. PCI9054 est récupéré en tant que puce d'interface PCI, prenant en charge la transmission de données DMA. 93LC66B est récupéré en tant que puce configurée en PCI. HY57V561620FTP-H est appliqué comme stockage de données, composé de 4 banques dont chacune a un espace mémoire de 4M x 16 bits, des lignes d'adresse à 13 lignes et des lignes d'adresse à 9 colonnes. EP1C6F256C8 est choisi par FPGA avec une tension terminale de 3,3 V et une tension de noyau de 1,5 V. La largeur du bus PCI est de 32 bits avec une horloge de 33 MHz captée comme horloge d'écriture et de lecture et la vitesse maximale de câblage et de lecture atteint 132 Mo par seconde, capable de prendre en charge la transmission à grande vitesse des données accumulées.

Les éléments suivants doivent être pris en compte dans le processus de conception des PCB :

un. En tant que mélange de numérique et d'analogique, la DA est l'un des points clés de la conception de PCB. En raison de la fréquence élevée de la partie numérique, la partie analogique est assez sensible aux interférences. Si un traitement approprié n'est pas mis en œuvre, les signaux numériques auront tendance à interférer avec les signaux analogiques, ce qui entraînera des problèmes d'EMI. Les principes corrects que les concepteurs doivent suivre doivent être :premièrement, la masse numérique et la masse analogique doivent être divisées sur le circuit imprimé avec des signaux mixtes ; deuxièmement, les composants électroniques analogiques et numériques sont classés avec une masse analogique répartie dans la zone analogique et une masse numérique répartie dans la zone numérique ; troisièmement, la masse analogique et la masse numérique sont connectées avec des perles magnétiques autour de la segmentation de la région. Ces mesures sont capables de mettre en œuvre la séparation entre la masse numérique et la masse analogique.

b. La SDRAM est appliquée dans le système d'accumulation de données et le manuel indique clairement que les lignes de données connectées au FPGA doivent être configurées avec une adaptation d'impédance de 50Ω afin d'assurer la transmission à grande vitesse, comme illustré à la figure 3.

Une fois que le FPGA a écrit les données accumulées dans la SDRAM, l'actualisation doit être effectuée en permanence afin de conserver les données et la période d'actualisation de chaque ligne doit être supérieure à 64 ms.

Les étapes d'adaptation d'impédance par le logiciel Polar Si9000 sont affichées comme suit :

un. Les lignes de signal à grande vitesse doivent traverser la surface supérieure du PCB et les trous doivent être évités autant que possible. Le modèle de structure de ligne microruban est repris dans le logiciel, comme le montre la figure 4.

L'adaptation d'impédance de 50 Ω est généralement effectuée avec un routage à borne unique et l'adaptation d'impédance de 90 Ω est généralement effectuée avec un routage différentiel (comme USB2.0 D+, D-).

b. La valeur d'adaptation d'impédance nécessaire et les valeurs spécifiques de la technique de fabrication de PCB sont renseignées sur l'interface logicielle avec des paramètres tels que l'épaisseur diélectrique, la constante diélectrique du matériau PCB, l'épaisseur de la feuille de cuivre, l'épaisseur de l'huile verte et la constante diélectrique de l'huile verte.

Article	Description	Référence et valeur calculée
H1	Épaisseur diélectrique (PP ou matériau en carton)	3,5-8,5 mil
Er1	Constante diélectrique du matériau de la carte	4-4.6
W1	Largeur de routage du signal	Basé sur la valeur d'impédance
C1	Épaisseur de la iol verte du matériau de substrat	0,8 mil
C2	Épaisseur de l'huile verte sur cuivre	0,5 mil
CEr	Constante diélectrique de l'huile verte	3.3
Zo	Valeur d'impédance à faire correspondre	Borne unique :50Ω Différentiel :90Ω

Les paramètres spécifiques de la technique de fabrication peuvent être connus grâce à la communication avec le fabricant de PCB afin que la largeur des fils puisse être déterminée. Pour les lignes microruban différentielles, la distance entre les conducteurs (S1) doit également être calculée.

c. Si la largeur calculée des fils est relativement grande et que le routage du circuit imprimé ne peut pas être terminé, une communication plus approfondie doit être établie avec les fabricants de circuits imprimés pour ajuster les paramètres de la technique de fabrication avec les exigences de conception respectées.

• Diaphonie

La diaphonie fait référence à une interférence de bruit de tension inattendue sur les lignes de transmission adjacentes en raison du couplage électromagnétique lorsque les signaux sont transmis sur les lignes de transmission. Trop de diaphonie peut entraîner un faux déclenchement du circuit, de sorte que le système ne fonctionne pas normalement. La diaphonie est générée par le couplage électromagnétique et le couplage est divisé en couplage capacitif et couplage inductif. Le premier est en fait une interférence électromagnétique provoquée par un courant inductif qui est causé à la suite d'un changement de tension à la source d'interférence, tandis que le second est en fait une interférence électromagnétique provoquée par une tension inductive qui est causée à la suite d'un changement de courant à la source d'interférence. Au fur et à mesure que l'état de la source d'interférence change, une série d'impulsions d'interférence sera générée sur les objets interférés, ce qui est très courant dans les systèmes à grande vitesse.

Les mesures pour traiter la diaphonie sont affichées comme suit :
a. L'orthogonalité doit être conservée sur les directions de routage entre les plans adjacents. La même direction doit être évitée dans les plans adjacents avec des lignes de signal différentes afin de réduire la diaphonie. Surtout lorsque la vitesse du signal est relativement élevée, le sol doit être considéré pour séparer les plans de routage et les lignes de signal doivent être séparées par des lignes de signal au sol.
b. Afin de réduire la diaphonie entre les lignes, l'espacement entre les lignes doit être suffisamment grand. Lorsque la distance entre les centres des lignes n'est pas inférieure à trois fois la largeur de la ligne, 70 % du champ électrique peut être arrêté par interférence mutuelle, ce qui est le principe 3W.
c. Dans la situation où les lignes de signal à grande vitesse répondent à l'exigence, la correspondance peut être accessible au terminal de jonction pour réduire ou éliminer la réflexion et diminuer la diaphonie.

Application de la méthode de conception de l'intégrité du signal

Dans le processus de conception de PCB, de nombreuses règles de conception ont été résumées sur la base de la théorie de l'intégrité du signal. En référence à ces règles de conception de PCB, l'intégrité du signal peut être mieux obtenue. Dans le processus de conception de PCB, les informations de conception doivent être connues en détail, notamment :
a. Position de disposition des composants, s'il existe des exigences particulières sur les composants à grande dissipation de puissance et de chaleur sur les composants à puce.
b. Classification des signaux, taux de vitesse, direction de transmission et exigence d'adaptation d'impédance.
c. Capacité de conduite du signal, signal clé et mesures de protection.
d. Types de puissance, sol, exigence de limite de bruit de puissance et de sol, réglage du plan de puissance et du plan de masse et division.
e. Type et vitesse des lignes d'horloge, source des lignes d'horloge, direction, exigence de retard de l'horloge et exigence de routage maximale.

Ressources utiles :
• 3 techniques de routage sur la conception de circuits de signaux à grande vitesse sur PCB
• Méthode de suppression de la réflexion du signal dans la configuration de circuits imprimés à grande vitesse
• Analyse de l'intégrité du signal et conception de circuits imprimés à grande vitesse Circuit mixte numérique-analogique
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