PCB-design i høj hastighed
Højhastigheds-PCB-design betyder ethvert design, hvor signalintegriteten begynder at blive påvirket af PCB'ets fysiske egenskaber, såsom layout, indpakning, sammenkoblinger og lagopbygning.
Moderne elektronik skubber kantfrekvenser og clockhastigheder højere op. I dag har mange digitale systemer signalfrekvenser på over 100 MHz. Ved disse hastigheder opstår der transmissionslinjeeffekter på PCB-spor, som kan påvirke systemets opførsel alvorligt. PCB-designprocessen for høj hastighed er processen med at løse de signalintegritetsproblemer, som høj hastighed skaber. Folk bruger ofte udtrykket “højhastigheds-PCB”, så hvad er egentlig et højhastigheds-PCB-kort?
En opfattelse siger, at et digitalt kredsløb er højhastigheds, når dets frekvens når eller overstiger ca. 45-50 MHz, og signaler med den frekvens udgør mere end en tredjedel af systemet. Faktisk er et signals harmoniske frekvenser højere end dets grundfrekvens. Hurtige ændringer - de stigende og faldende kanter eller overgange - forårsager uventede transmissionsresultater. En almindelig praktisk regel er denne: Hvis en linjes udbredelsesforsinkelse er større end halvdelen af det digitale signals stigningstid, behandles signalet som et højhastighedssignal, og transmissionslinjens effekter spiller en rolle.
Signaloverførsel er vigtig i det øjeblik, signalet skifter tilstand, f.eks. under stignings- eller faldtiden. Et signal har brug for en fast tid til at bevæge sig fra driver til modtager. Hvis rejsetiden er mindre end halvdelen af stignings- eller faldtiden, vil enhver refleksion fra modtageren nå frem til driveren, før signalet er færdigt med at ændre sig. Hvis rejsetiden er længere end halvdelen af stignings- eller faldtiden, vender refleksionen tilbage efter ændringen. Hvis refleksionen er stor, kan den summerede bølgeform ændre den logiske tilstand.
Kort sagt skal man tænke på både signalintegritet og strømintegritet for at designe et højhastigheds-PCB af høj kvalitet. Vi skal også kende forskellen mellem højhastighedssignaler og højfrekvente signaler. De direkte effekter viser sig som regel som problemer med signalintegritet, men den egentlige årsag går ofte tilbage til strømintegritet. Strømforsyningsintegritet påvirker direkte kortets endelige signalintegritet.
Når du begynder at designe et printkort og ser problemer som forsinkelse, krydstale, refleksion eller uønsket udstråling, befinder du dig i højhastigheds-PCB-designdomænet.
Højhastigheds PCB-design er layout af printkort til højhastighedskredsløb. Det er kredsløb, hvor printets fysiske dele påvirker signalintegriteten. De fysiske faktorer omfatter layout, stack-up og sammenkoblinger.
Når du laver højhastigheds PCB-design, skal du bruge mere tid end normalt på den nøjagtige placering af sporene, deres bredde, hvor tæt de er på andre signaler, og hvilke typer dele sporene er forbundet med.
Moderne elektronik skubber kantfrekvenser og clockhastigheder højere op. I dag har mange digitale systemer signalfrekvenser på over 100 MHz. Ved disse hastigheder opstår der transmissionslinjeeffekter på PCB-spor, som kan påvirke systemets opførsel alvorligt. PCB-designprocessen for høj hastighed er processen med at løse de signalintegritetsproblemer, som høj hastighed skaber. Folk bruger ofte udtrykket “højhastigheds-PCB”, så hvad er egentlig et højhastigheds-PCB-kort?
En opfattelse siger, at et digitalt kredsløb er højhastigheds, når dets frekvens når eller overstiger ca. 45-50 MHz, og signaler med den frekvens udgør mere end en tredjedel af systemet. Faktisk er et signals harmoniske frekvenser højere end dets grundfrekvens. Hurtige ændringer - de stigende og faldende kanter eller overgange - forårsager uventede transmissionsresultater. En almindelig praktisk regel er denne: Hvis en linjes udbredelsesforsinkelse er større end halvdelen af det digitale signals stigningstid, behandles signalet som et højhastighedssignal, og transmissionslinjens effekter spiller en rolle.
Signaloverførsel er vigtig i det øjeblik, signalet skifter tilstand, f.eks. under stignings- eller faldtiden. Et signal har brug for en fast tid til at bevæge sig fra driver til modtager. Hvis rejsetiden er mindre end halvdelen af stignings- eller faldtiden, vil enhver refleksion fra modtageren nå frem til driveren, før signalet er færdigt med at ændre sig. Hvis rejsetiden er længere end halvdelen af stignings- eller faldtiden, vender refleksionen tilbage efter ændringen. Hvis refleksionen er stor, kan den summerede bølgeform ændre den logiske tilstand.
Kort sagt skal man tænke på både signalintegritet og strømintegritet for at designe et højhastigheds-PCB af høj kvalitet. Vi skal også kende forskellen mellem højhastighedssignaler og højfrekvente signaler. De direkte effekter viser sig som regel som problemer med signalintegritet, men den egentlige årsag går ofte tilbage til strømintegritet. Strømforsyningsintegritet påvirker direkte kortets endelige signalintegritet.
Når du begynder at designe et printkort og ser problemer som forsinkelse, krydstale, refleksion eller uønsket udstråling, befinder du dig i højhastigheds-PCB-designdomænet.
Højhastigheds PCB-design er layout af printkort til højhastighedskredsløb. Det er kredsløb, hvor printets fysiske dele påvirker signalintegriteten. De fysiske faktorer omfatter layout, stack-up og sammenkoblinger.
Når du laver højhastigheds PCB-design, skal du bruge mere tid end normalt på den nøjagtige placering af sporene, deres bredde, hvor tæt de er på andre signaler, og hvilke typer dele sporene er forbundet med.
1. Signaler og signalintegritet
Uanset om du arbejder med almindeligt eller højhastigheds PCB-design, sender printet signaler langs spor til slutpunkter. Så hvad er højhastighedssignaler? Der er to hovedtyper: analoge og digitale.
1.1 Digitale signaler
Digitale signaler er enklere end analoge signaler. De er en serie af lave og høje niveauer. Du kan tænke på dem som 0 og 1, eller sluk og tænd.
1.2 Analoge signaler
Analoge signaler varierer mere end digitale signaler. De kan svinge positivt og negativt. Signalet ændrer sig med amplitude og frekvens.
Når du designer et kredsløb, skal du huske på disse almindelige problemer og løsninger for at forbedre kortets ydeevne.
2. Almindelige problemer og løsninger
2.1 Problemer
PCB-design i høj hastighed er meget følsomt. Du kan støde på flere problemer i løbet af et projekt. Her er tre almindelige problemer, du skal være opmærksom på.
- Timing: Hvis signaltimingen er forkert, kan du få beskadigede data. På grund af timingproblemer skal du sørge for, at hvert routed signal og hvert clocksignal ankommer på det rigtige tidspunkt i forhold til alle andre signaler.
- Forvrængning: Signalintegritet betyder, at signalerne ankommer i den rigtige form. Hvis signalerne ikke ser rigtige ud ved slutpunkterne, er de sandsynligvis blevet forvrænget undervejs.
- Støj: Alle printkort laver noget støj. Men for meget støj kan ødelægge data. Støj opstår ofte, når et signal ringer uventet og påvirker nærliggende signaler.
2.2 Løsninger
Heldigvis er der kendte løsninger på disse problemer. De er vigtige dele af højhastighedsdesign.
- Impedans: Impedansstyring er en grundlæggende løsning på mange almindelige PCB-problemer. Når impedansen mellem sender og modtager er korrekt, forbedres signalkvaliteten, integriteten og følsomheden.
- Matchende: Længdematchning hjælper på timingen. Hvis du matcher længden af koblede spor, vil de ankomme sammen og forblive synkroniseret med uret.
- Afstand: Hvis der er tilstrækkelig plads mellem sporene, beskyttes de mod støj og andre forstyrrelser. Undgå at placere sporene for tæt for at reducere interferens.
3. PCB-layout i høj hastighed
Når vi taler om, hvad der gør et printkort hurtigt, skal man huske, at der gælder mange layoutregler. Tidlig planlægning af layout hjælper med at holde projektet inden for tidsplanen og reducerer antallet af fejl.
3.1 Skematisk oversigt
Det første skridt er at tegne kredsløbet som et skema. Mens du tegner, skal du tænke på signalflowet. Prøv at fange et naturligt flow fra venstre mod højre, og få så mange nyttige oplysninger med som muligt.
3.2 Krav
Skriv klare PCB-layoutinstruktioner. Inkluder kortets formål, en kredsløbsskitse, kortets opbygning, komponentplacering og afstand mellem spor og kredsløb. Det kan også være nødvendigt at notere, hvilke typer signaler der går på hvert lag. Hvis du f.eks. bruger RF, skal du overveje RF PCB-design. RF-signaler har særlige behov. Skriv alt det ind i kravene, som printet skal bruge for at fungere pålideligt.
3.3 Placering
Komponentplacering er en af de vigtigste dele af layoutet. Tænk over, hvor kredsløbene sidder på printet, og hvad der omgiver dem.
3.4 Strømbypass
For at reducere støj i højhastighedskredsløb skal man bypasse forstærkerens strømstifter. For højhastigheds op-amps er der to almindelige bypass-teknikker. Den ene er skinne-til-jord-bypass, som fungerer i de fleste tilfælde. Andre specielle teknikker er nyttige i nogle tilfælde.
3.5 Parasitisk kapacitans
Parasitter er omstrejfende kondensatorer og induktorer, der sniger sig ind i højhastighedslayouts og skaber problemer. De dannes let og kan ødelægge designet. Højhastighedskredsløb påvirkes let af parasitter.
3.6 Jordplan
Et jordplan fungerer som referencespænding, giver afskærmning, hjælper med varmeafledning og sænker strejfinduktans. Men vær forsigtig: Et jordplan kan også tilføje parasitisk kapacitans. I de fleste tilfælde vil du have et fuldt, uafbrudt jordplan og holde det kontinuerligt.
3.7 Emballage
Op-amps og andre dele findes i mange indpakninger. Valget af indpakning påvirker ydeevnen ved høje frekvenser. Pakninger har indflydelse på parasitter og ledningsføring.
3.8 Føringsveje og afskærmning
Routing og afskærmning reducerer interferens mellem signaler. PCB-design tilbyder flere metoder til routing og afskærmning. Et jordplan er en god afskærmning. Du kan også føre spor ortogonalt på tilstødende lag for at reducere kapacitiv kobling og holde sporene længere fra hinanden.
4. Sådan finder du ud af, om dit projekt er højhastigheds
Der findes ikke en enkelt, absolut regel for, hvad der tæller som et højhastigheds PCB-design, men der er flere praktiske måder at afgøre, om dit projekt er højhastigheds. Problemer med signalintegritet er et tydeligt tegn. Hvis du arbejder på en telefon eller et bundkort, er det meget sandsynligt, at det er et højhastighedsdesign. Brugen af bestemte teknologier er også et stærkt fingerpeg.
- Har kortet højhastighedsgrænseflader?
En hurtig måde at se, om du skal følge reglerne for højhastighedsdesign, er at tjekke, om der er højhastighedsgrænseflader på kortet. Eksempler er DDR, PCIe og videogrænseflader som DVI eller HDMI. Alle disse grænseflader kræver strenge regler for højhastighedsdesign. For hver grænseflade skal du også inkludere nøjagtige kanalspecifikationer i din dokumentation. - Forholdet mellem sporlængde og signalbølgelængde
Et almindeligt tjek er forholdet mellem din sporlængde og bølgelængden på de signaler, du transporterer. Hvis sporlængden er i samme størrelsesorden som signalets bølgelængde, vil kortet sandsynligvis have brug for højhastighedsregler. Nogle standarder, som f.eks. DDR, kræver, at sporlængderne opfylder snævre tolerancer. En simpel tommelfingerregel er: Hvis sporlængden og bølgelængden er inden for samme størrelsesorden, bør du overveje højhastighedsdesign. - Kort med trådløse eller antenne-grænseflader
Hvert kort, der forbindes til en antenne, uanset om antennen er på kortet eller fastgjort med et stik, kræver omhyggelig opmærksomhed på højhastigheds- og RF-design. Køretøjsantenner har også brug for stram impedansstyring og afstemte sporlængder. Hvis du har SMA-stik eller lignende RF-stik, skal du føre dem med kontrolleret impedans, så de matcher stikværdien. - Distribuerede systemer og mange underkredsløb
Hvis dit projekt er et distribueret system, der består af mange underkredsløb, som kan fungere uafhængigt i et større system, vil du sandsynligvis også stå over for højhastigheds PCB-udfordringer. Flere moduler, mange højhastighedsforbindelser og blandede tidsdomæner øger risikoen for, at du får brug for højhastighedsdesign.
5. Materialer til højhastighedsbrædder
Udtrykket “højhastighedskortmateriale” er almindeligt i branchen. Det betyder normalt materialer med lavt tab, der bruges til højhastigheds-PCB'er. Disse materialer har en lavere tabstangent, ofte kaldet Df, sammenlignet med almindelig FR-4. Hvad er Df, og hvordan påvirker det signaler?
Når et isolerende medium som glasfiberdug og harpiks befinder sig i et elektrisk felt, er de ladede partikler i mediet bundet inde i molekyler. Det eksterne felt skaber små forskydninger. Dipoler i mediet retter sig derefter ind efter feltet. Denne effekt er dielektrisk polarisering. Den energi, der går tabt under polariseringsprocessen, er dielektrisk tab. Materialets Df-værdi måler, hvor meget dielektrisk tab materialet har.
Standardkortmaterialer dæmper sinusbølger mere end højhastighedsmaterialer gør. Effekten er stærkere ved højere harmoniske frekvenser. Digitale signaler består af mange sinusbølger med forskellige frekvenser. Hvis disse sinusbølger dæmpes, forringes kanterne af det digitale signal, og amplituden falder. Kantforringelse reducerer transmissionslinjens båndbredde og sænker signalmargenen. Brug af et højhastighedsmateriale reducerer tabet pr. længdeenhed. For den samme sporlængde giver et højhastighedsmateriale højere båndbredde og mere margin. Eller med samme tabsbudget kan man ved hjælp af højhastighedsmateriale lægge længere spor og stadig opfylde kravene til ydeevne.
En simpel analogi kan hjælpe. Forestil dig to biler med forskelligt brændstofforbrug. Bil A bruger 22 liter pr. 100 km (Df: 0,022). Folk kalder den en benzinsluger. Bil B bruger 4,5 liter pr. 100 km (Df: 0,0045). Folk kalder den en brændstofsparer. Hvis du kun har 50 liter brændstof, og din destination er 800 km væk, vil benzinslugeren ikke nå frem. Brændstofspareren når frem og har stadig brændstof tilbage. Hvis destinationen kun er 200 km væk, kan benzinslugeren nå frem med kun lidt brændstof tilbage, så marginen er lille, og turen er risikabel, hvis noget går galt. Brændstofbespareren klarer turen med bedre margin. Dette eksempel viser, hvorfor man nogle gange har brug for højhastighedsmaterialer. Når signalhastighederne er høje, sporlængderne er lange, eller tabsbudgettet er stramt, giver normalt materiale måske ikke nok margin. I sådanne tilfælde anbefaler vi højhastighedsmaterialer.
Højhastighedsmaterialer findes i graduerede niveauer baseret på Df. Df er kun en vejledning. Brug altid de nøjagtige tal fra materialets datablad til designarbejde.
Når et isolerende medium som glasfiberdug og harpiks befinder sig i et elektrisk felt, er de ladede partikler i mediet bundet inde i molekyler. Det eksterne felt skaber små forskydninger. Dipoler i mediet retter sig derefter ind efter feltet. Denne effekt er dielektrisk polarisering. Den energi, der går tabt under polariseringsprocessen, er dielektrisk tab. Materialets Df-værdi måler, hvor meget dielektrisk tab materialet har.
Standardkortmaterialer dæmper sinusbølger mere end højhastighedsmaterialer gør. Effekten er stærkere ved højere harmoniske frekvenser. Digitale signaler består af mange sinusbølger med forskellige frekvenser. Hvis disse sinusbølger dæmpes, forringes kanterne af det digitale signal, og amplituden falder. Kantforringelse reducerer transmissionslinjens båndbredde og sænker signalmargenen. Brug af et højhastighedsmateriale reducerer tabet pr. længdeenhed. For den samme sporlængde giver et højhastighedsmateriale højere båndbredde og mere margin. Eller med samme tabsbudget kan man ved hjælp af højhastighedsmateriale lægge længere spor og stadig opfylde kravene til ydeevne.
En simpel analogi kan hjælpe. Forestil dig to biler med forskelligt brændstofforbrug. Bil A bruger 22 liter pr. 100 km (Df: 0,022). Folk kalder den en benzinsluger. Bil B bruger 4,5 liter pr. 100 km (Df: 0,0045). Folk kalder den en brændstofsparer. Hvis du kun har 50 liter brændstof, og din destination er 800 km væk, vil benzinslugeren ikke nå frem. Brændstofspareren når frem og har stadig brændstof tilbage. Hvis destinationen kun er 200 km væk, kan benzinslugeren nå frem med kun lidt brændstof tilbage, så marginen er lille, og turen er risikabel, hvis noget går galt. Brændstofbespareren klarer turen med bedre margin. Dette eksempel viser, hvorfor man nogle gange har brug for højhastighedsmaterialer. Når signalhastighederne er høje, sporlængderne er lange, eller tabsbudgettet er stramt, giver normalt materiale måske ikke nok margin. I sådanne tilfælde anbefaler vi højhastighedsmaterialer.
Højhastighedsmaterialer findes i graduerede niveauer baseret på Df. Df er kun en vejledning. Brug altid de nøjagtige tal fra materialets datablad til designarbejde.
5.1 Almindelige Df-kategorier (værdier er typiske referencer ved 10 GHz)
- Standard tabsmateriale: Df < 0,022 @ 10 GHz
- Materiale med lavt tab: Df < 0,012 @ 10 GHz
- Materiale med lavt tab: Df < 0,008 @ 10 GHz
- Materiale med meget lavt tab: Df < 0,005 @ 10 GHz
- Materiale med ekstremt lavt tab: Df < 0,003 @ 10 GHz