Conoscere le Tecniche di Progettazione per PCB ad Alta Velocità

Parole chiave: Express PCB, High Speed PCB

Ogni anno, la domanda di PCB ad alta velocità affidabili e la necessità di circuiti digitali ad alta velocità sono in aumento. Con molti altri componenti, alimentazione e microprocessori, i circuiti PCB digitali sono compattati. Questi componenti operano facilmente a frequenze superiori a 1 GHz. Questo articolo si concentra su tali problematiche e sui metodi da seguire durante la progettazione del PCB per evitare qualsiasi problema.

Applicazione del PCB ad alta velocità

Il cuore dei dispositivi di calcolo come smartphone, computer e molti altri è il PCB ad alta velocità. Questi dispositivi hanno una natura complessa. Pertanto, l'Express PCB è molto affidabile e robusto. Nei campi dell'IoT, dell'aerospazio e delle comunicazioni, le applicazioni dei circuiti ad alta velocità stanno crescendo. Durante la progettazione dei layout delle schede per circuiti ad alta velocità, è essenziale comprendere le considerazioni da seguire, tenendo presente la criticità dell'applicazione.

Considerazioni di progettazione per PCB ad alta velocità

Nella progettazione di PCB ad alta velocità, le seguenti sono considerate le tecniche di riferimento per ottenere un funzionamento ad alta velocità in un ambiente a bassa potenza.

• Imballaggio di tutti i componenti nella pianificazione del layout
• Minimizzazione del rumore di bordo proveniente dalla rete di alimentazione
• Ottimizzazione e selezione del clock
• Riduzione della riflessione del segnale
• Minimizzazione della diafonia tra le tracce del segnale
• Terminazione di linea e adattamento di impedenza corretti
• Ottimizzazione del sistema per l'autoaccoppiamento e le EMI dall'ambiente

Selezione del materiale della scheda per PCB ad alta velocità

La tangente di perdita e la costante dielettrica del materiale determinano la scelta del materiale della scheda. Quando un'onda elettromagnetica lo attraversa, l'energia persa dal materiale è la tangente di perdita. L'energia persa è maggiore quando la tangente di perdita è più alta.

• Progettazione del piano di massa

Nel ridurre al minimo la capacità parassita, la dissipazione del calore, la schermatura e una tensione di riferimento comune, i piani di massa in un PCB aiutano. In un percorso a bassa impedenza, la corrente in un circuito tende a essere più bassa. A frequenze molto elevate, i fronti di segnale in rapida salita sono accoppiati al piano di massa. Questo crea un picco di corrente nel piano di massa. Le prestazioni analogiche del PCB vengono danneggiate da questo picco di corrente. Poiché la capacità parassita di ingresso aumenta, gli amplificatori operazionali ad alta velocità sono ulteriormente influenzati dalla presenza del piano di massa sottostante. Per evitare queste condizioni, viene mantenuta una distanza adeguata tra il piano di massa, i dispositivi analogici e i dispositivi digitali.

• Progettazione microstriscia

Il comportamento della traccia del segnale su piani di una singola massa assomiglia a quello di un layout di linea microstriscia, e come layout di linea stripline, la traccia del segnale tra due piani di massa si comporta in modo simile.

Pianificazione del layout per PCB ad alta velocità

Attraverso la capacità parassita, la resistenza parassita e l'induttanza parassita, passando attraverso il conduttore e le linee di connessione, l'imballaggio e la pianificazione del layout hanno un impatto significativo sul ritardo di comunicazione, sul rumore, sulla risposta in frequenza e sulla velocità del fronte. Insieme alla progettazione dello schema, devono essere eseguiti la progettazione a livello di scheda, la progettazione dell'imballaggio e la progettazione del silicio. Per pianificare il layout del circuito, è possibile utilizzare simulazioni software prima della distribuzione fisica. Il progettista può garantire che il progetto funzioni come previsto se le specifiche relative alle posizioni dei componenti e al routing dei segnali vengono definite fin dall'inizio. Ciò riduce i tempi di rilavorazione e abbassa i costi. Pertanto, il tempo di ciclo del prodotto è ridotto al minimo.

Progettazione dell'alimentazione e del clock per PCB ad alta velocità

Nel circuito PCB, la fonte principale del rumore a bassa frequenza sulla scheda è l'alimentatore. Collegando il piano di alimentazione al piano di massa tramite condensatori in parallelo, è possibile garantire l'integrità dell'alimentazione in un sistema ad alta velocità. Una bassa impedenza CA è garantita da condensatori paralleli di diversi valori su un'ampia banda di frequenze. Per i dispositivi analogici e digitali, è necessario utilizzare piani di alimentazione separati per ridurre l'accoppiamento del rumore. Per garantire che tutti i segnali sul layout PCB arrivino al momento giusto, la selezione del clock è cruciale in relazione al segnale di clock.

Ottimizzazione EMI per PCB ad Alta Velocità

L'accoppiamento reciproco o l'auto-accoppiamento da altri dispositivi elettronici nell'ambiente circostante può causare EMI che influenzano un dispositivo. Nei circuiti ad alta velocità che utilizzano determinate tecniche, l'EMI può essere ottimizzata.

• Adattamento e instradamento

La riflessione può essere indotta da tracce di segnale non terminate o non adattate. Ciò provoca un rimbalzo del segnale verso la sorgente. Questo è un tipo di auto-EMI. La rimozione del rimbalzo del segnale è garantita da un corretto adattamento. L'auto-EMI accoppiata è ridotta da un corretto instradamento.

• Filtro EMI e schermatura

Utilizzando un piano di massa allungato, la schermatura in un PCB viene realizzata. L'EMI esterno che causa disturbi del segnale nel circuito viene diminuito dall'effetto pelle sulla superficie conduttiva del piano di massa. Per accoppiarlo a massa dopo aver filtrato il rumore EMI ambientale, vengono implementati filtri EMI. È possibile utilizzare una semplice configurazione di condensatore di disaccoppiamento come filtro EMI.

Integrità del Segnale per PCB ad Alta Velocità

Una varietà di segnali di frequenza variabile, sia analogici che digitali, è presente in un PCB. Questi segnali sono sensibili all'accoppiamento e al rumore. Per garantire l'integrità del segnale, è necessario prestare la giusta attenzione all'adattamento, all'impedenza, alla schermatura e all'instradamento.

• Instradamento

Durante l'instradamento, alcune linee guida che devono essere osservate sono le seguenti:

• Le tracce del clock ad alta frequenza devono essere instradate il più diritte possibile. Rispetto alle curve ad angolo retto, le curve ad arco sono preferite in caso di necessità di curve per evitare la perdita di segnale dovuta a discontinuità.
• Terminazione dei segnali di clock. La riflessione viene ridotta con questo.
• È necessario un elevato isolamento per le tracce di segnale sensibili. Quindi, devono essere instradate su strati separati.
• Poiché possono aumentare l'induttanza e causare disadattamento di impedenza, i via multipli sono evitati.
• Adattamento di impedenza

Un impatto diretto sull'integrità dei segnali è dato dall'adattamento di impedenza tra ricevitore e trasmettitore. La perdita di segnale e la riflessione del segnale sono prodotte da linee non adattate correttamente. L'impedenza del carico e l'impedenza della traccia devono eguagliare l'impedenza della sorgente. L'integrità del segnale e l'adattamento sono garantiti da una corretta terminazione di una linea di trasmissione.

Conclusione

Pianificare tutto è imperativo nella progettazione di PCB ad Alta Velocità prima di iniziare il processo di layout fisico. La base per un buon layout è un buono schema elettrico. Durante la progettazione del PCB, fattori come l'adattamento di impedenza, l'instradamento, la posizione dell'alimentatore e l'integrità del segnale sono le considerazioni cruciali da fare. La robustezza e l'affidabilità del PCB saranno migliorate da un'implementazione e un progetto efficienti.