Аннотация: По мере увеличения скорости переключения выходов интегральных схем и увеличения плотности печатных плат целостность сигнала (целостность сигнала) стала одной из проблем, которые необходимо учитывать при разработке высокоскоростных цифровых печатных плат. Компоненты и параметры печатных плат. и компоненты находятся на печатной плате. Такие факторы, как расположение высокоскоростных сигнальных линий и разводка высокоскоростных сигнальных линий, вызовут проблемы с целостностью сигнала.
Для разводки печатной платы целостность сигнала требует предоставления компоновки печатной платы, которая не влияет на синхронизацию сигнала или напряжение, в то время как для компоновки схемы целостность сигнала требует предоставления оконечных компонентов, стратегий разводки и информации о маршрутизации.
Высокая скорость сигнала на печатной плате, неправильная компоновка оконечных компонентов или неправильная разводка высокоскоростных сигналов могут вызвать проблемы с целостностью сигнала, что может привести к тому, что система будет выводить неверные данные, схема не будет работать должным образом или даже не Полное рассмотрение факторов целостности сигнала в процессе проектирования и эффективных мер контроля стало сегодня горячей темой в индустрии проектирования печатных плат.
Оглавление:
1. Проблемы целостности сигнала
2. Определение целостности сигнала
3. Решения для обеспечения целостности сигнала
4. Вывод
СОДЕРЖАНИЕ:
1. Проблемы целостности сигнала
Хорошая целостность сигнала означает, что сигнал может реагировать с правильной синхронизацией и значением уровня напряжения, когда это необходимо. И наоборот, когда сигнал не может нормально реагировать, возникает проблема целостности сигнала.
Проблемы с целостностью сигнала могут вызывать или напрямую приводить к искажению сигнала, ошибкам синхронизации, неверным данным, адресным и контрольным линиям, системным сбоям и даже сбоям системы. Проблемы целостности сигнала вызваны не одним фактором, а конструкцией на уровне платы. множество факторов.
Скорость переключения ИС, неправильная компоновка компонентов оконечной нагрузки или неправильная разводка высокоскоростных сигналов могут вызвать проблемы с целостностью сигнала. Основные проблемы целостности сигнала включают задержку, отражение, синхронный коммутационный шум, колебания, колебания земли, перекрестные помехи и т. Д.
2. Определение целостности сигнала
Целостность сигнала относится к способности сигнала реагировать с правильной синхронизацией и напряжением в цепи.Это состояние, в котором сигнал не поврежден, и оно отражает качество сигнала в сигнальной линии.
2.1 Задержка
Задержка означает, что сигнал передается с ограниченной скоростью по проводам печатной платы, и сигнал отправляется от передающего конца к принимающему, в течение которого происходит задержка передачи. Задержка сигнала влияет на синхронизацию системы, и задержка передачи в основном зависит от длины провода и диэлектрической проницаемости среды вокруг провода.
В высокоскоростной цифровой системе длина линии передачи сигнала является самым прямым фактором, влияющим на разность фаз тактового импульса. Разность фаз тактового импульса относится к двум синхронизирующим сигналам, генерируемым одновременно, и время достижения принимающей стороны не синхронизировано.
Разность фаз синхронизирующих импульсов снижает предсказуемость прихода фронта сигнала.Если разность фаз синхронизирующих импульсов слишком велика, на принимающей стороне будет генерироваться сигнал ошибки. Как показано на рисунке 1, задержка в линии передачи стала важной составляющей. цикла тактовых импульсов.
2.2 Отражение
Отражение - это эхо на вспомогательной линии передачи. Когда время задержки сигнала (Delay) намного больше, чем время перехода сигнала (Transition Time), сигнальная линия должна использоваться в качестве линии передачи. Линия передачи не соответствует сопротивлению нагрузки, часть мощности сигнала (напряжение или ток) передается в линию и достигает нагрузки, но часть ее отражается.
Если полное сопротивление нагрузки меньше исходного импеданса, отражение будет отрицательным; в противном случае отражение будет положительным. Такие отражения могут быть вызваны изменениями в геометрии проводки, неправильным заделкой проводов, передачей через разъемы и неоднородностями в плоскости питания.
2.3 Синхронный коммутационный шум (SSN)
Когда многие цифровые сигналы на печатной плате переключаются синхронно (например, шина данных ЦП, адресная шина и т. Д.), Из-за импеданса линии питания и линии заземления будет генерироваться синхронный коммутационный шум, и возникнет дребезг заземления. возникают на линии земли Шум (отскок от земли).
Сила SSN и отскока заземления также зависит от характеристик ввода-вывода интегральной схемы, импеданса слоя питания и плоского слоя печатной платы, а также компоновки и разводки высокоскоростных устройств на печатной плате.
2.4 Перекрестные помехи (Crosstalk)
Перекрестные помехи - это связь между двумя сигнальными линиями, а взаимная индуктивность и взаимная емкость между сигнальными линиями вызывают шум в линии. Емкостная связь индуцирует ток связи, а индуктивная связь - напряжение связи. Перекрестные помехи возникают из-за электромагнитной связи между сетями сигнальных проводов. , сигнальные системы и системы распределения питания, а также между переходными отверстиями.
Перекрестная обмотка может вызвать ложные тактовые импульсы, периодические ошибки данных и т. Д., Что может повлиять на качество передачи соседних сигналов. На самом деле, нам не нужно полностью устранять перекрестные помехи, если они контролируются в пределах диапазона, в котором система выдерживает достижение цели.
Параметры слоя печатной платы, расстояние между сигнальными линиями, электрические характеристики приводного конца и приемного конца, а также метод завершения базовой линии - все это оказывает определенное влияние на перекрестные помехи.
2.5 Перерегулирование и перерегулирование
Выброс - это когда первый пик или спад превышает установленное напряжение. Для нарастающих фронтов он относится к самому высокому напряжению, а для спадающих фронтов - к самому низкому напряжению. Недостаточный скачок означает, что следующее минимальное или пиковое значение превышает установленное напряжение.
Чрезмерный выброс может привести к срабатыванию защитного диода, что приведет к его преждевременному выходу из строя. Чрезмерное отклонение может вызвать ложные тактовые импульсы или ошибки данных (неправильное функционирование).
2.6 Звонок и округление
Явление колебаний - это повторяющиеся выбросы и недогрузки. Колебания сигнала - это колебания, вызванные индуктивностью и емкостью линейного перехода, которые относятся к недемпфированному состоянию, а окружающие колебания относятся к сверхзатухающему состоянию.
Колебания и окружающие колебания также вызываются многими факторами, такими как отражение. Колебания можно уменьшить путем надлежащего отключения, но полностью исключить их невозможно.
3. Решения для обеспечения целостности сигнала
Проблемы целостности сигнала вызваны не одним фактором, а множеством факторов на уровне платы.Основные проблемы целостности сигнала включают отражение, звон, скачок заземления, перекрестные помехи и т. Д. Ниже в основном представлены решения для перекрестных помех и отражений.
3.1 Анализ перекрестных помех
Перекрестные помехи относятся к нежелательным помехам напряжения, вызванным электромагнитной связью с соседними линиями передачи, когда сигнал распространяется по линии передачи. Чрезмерные перекрестные помехи могут вызвать ложное срабатывание схемы и привести к неправильной работе системы.
Поскольку перекрестные помехи обратно пропорциональны межстрочному интервалу, они пропорциональны параллельной длине линии. Перекрестные помехи меняются в зависимости от нагрузки схемы. Для той же топологии и разводки, чем больше нагрузка, тем больше перекрестные помехи. пропорциональна частоте сигнала. В цифровых схемах изменения фронта сигнала оказывают наибольшее влияние на перекрестные помехи. Чем быстрее изменяется фронт, тем больше перекрестные помехи.
Принимая во внимание вышеуказанные характеристики перекрестных помех, их можно свести к следующим методам уменьшения перекрестных помех:
(1) Если возможно, уменьшите скорость преобразования фронта сигнала.При выборе устройств, отвечающих техническим требованиям, следует выбирать медленные устройства в максимально возможной степени, и следует избегать смешанного использования различных типов сигналов, потому что Быстро меняющиеся сигналы потенциально опасны перекрестных помех для медленно меняющихся сигналов.
(2) Перекрестные помехи, создаваемые емкостной связью и индуктивной связью, возрастают с увеличением полного сопротивления нагрузки линии, подверженной помехам, поэтому уменьшение нагрузки может уменьшить влияние помех связи.
(3) Если позволяют условия подключения, попробуйте уменьшить длину параллельности между соседними линиями передачи или увеличить расстояние между проводами емкостной связи, например, применив принцип 3W (расстояние между проводами должно быть однопроводным, в 3 раза больше ширины или расстояние между двумя дорожками должно быть больше ширины одной дорожки более чем в 2 раза). Более эффективный подход - изолировать провода с помощью заземляющих проводов.
3.2 Анализ отражения
Когда сигнал распространяется по линии передачи, до тех пор, пока он сталкивается с изменением импеданса, будет происходить отражение.Основным методом решения проблемы отражения является согласование оконечного импеданса.
3.2.1 Типовая стратегия завершения линии передачи
В высокоскоростной цифровой системе несоответствие импеданса на линии передачи вызовет отражение сигнала.Метод уменьшения и устранения отражения заключается в согласовании оконечного импеданса на передающей или принимающей стороне в соответствии с характеристическим импедансом передачи. линии, так что коэффициент отражения источника или коэффициент отражения нагрузки равен O. Если длина линии передачи соответствует следующим условиям, следует использовать технологию оконечной нагрузки:
L> tr / 2tpd. В формуле L - длина линии передачи; tr - время нарастания сигнала конца источника; tpd - задержка передачи нагрузки на единицу длины в линии передачи.
Для оконечной нагрузки линии передачи обычно используются две стратегии: согласование импеданса нагрузки с импедансом линии передачи, то есть параллельной оконечной нагрузки; согласование полного сопротивления источника с импедансом линии передачи, то есть последовательной оконечной нагрузки.
3.2.2 Технология завершения различных технологических устройств
Технические решения согласования импеданса и оконечной нагрузки различаются в зависимости от длины межсоединения и серии логических устройств в цепи.Только в ответ на конкретные ситуации использование правильных и подходящих методов оконечной нагрузки может эффективно уменьшить отражение сигнала.
Вообще говоря, для источника технологического привода CMOS его значение выходного импеданса относительно стабильно и близко к значению импеданса линии передачи, поэтому использование технологии последовательной оконечной нагрузки для устройств CMOS даст лучшие результаты; в то время как источником технологического привода TTL является выход Сопротивление различается, когда логика вывода высокая и низкая.
В настоящее время более удачной стратегией является параллельная схема оконечной нагрузки Тевенина; устройства ECL обычно имеют очень низкий выходной импеданс. Поэтому в схеме ECL используется согласующий резистор на приемном конце цепи ECL для поглощения энергии. Универсальная оконечная технология.
Конечно, вышеупомянутый метод не является абсолютным. Разница в конкретных схемах, выбор топологии сети и количество нагрузок на принимающей стороне - все это факторы, которые могут повлиять на стратегию завершения. -speed, вам необходимо выбрать подходящую схему оконечной нагрузки, чтобы получить наилучший оконечный эффект.
4. Вывод
На основе непрерывного развития технологии микроэлектроники увеличивается использование высокоскоростных устройств и проектирование высокоскоростных цифровых систем. Скорость передачи данных системы, тактовая частота и плотность схем постоянно растут, а требования к конструкции печатных плат также становятся все выше и выше, это проблема целостности сигнала.
Чтобы гарантировать, что печатная плата имеет хорошую целостность сигнала, необходимо синтезировать множество влияющих факторов, рационально компоновку и маршрут, тем самым улучшая характеристики продукта.
Что касается изучения дизайна высокоскоростной цифровой печатной платы, то всего несколько статей, заполненных сухими товарами, естественно, не заставят вас возродиться мастером. На самом деле, это все знают. В конце концов, помимо создания прочного фундамента, вы также необходимо овладеть определенным практическим содержанием. Поэтому я хочу сказать, что важно иметь способность к самообучению, но иногда это требует экспертного руководства, чтобы вы могли получить вдвое больший результат с половиной усилий для более быстрого роста, и это может также поможет избежать многих больших ям!
