À medida que a velocidade de comutação de saída dos circuitos integrados aumenta e a densidade das placas PCB aumenta, a integridade do sinal tornou-se uma das questões que devem ser consideradas no projeto de PCB digital de alta velocidade. Como os problemas de integridade do sinal podem fazer com que o sistema produza dados incorretos, o circuito não funciona corretamente ou até mesmo deixa de funcionar completamente. Então, como considerar totalmente o fator de integridade do sinal no processo de projeto da placa PCB e tomar medidas de controle eficazes? Continue lendo este artigo.
O que é integridade do sinal PCB?
A integridade do sinal do PCB refere-se à capacidade do sinal de responder com o tempo e a tensão corretos no circuito. É um estado em que o sinal não está danificado e indica a qualidade do sinal na linha de sinal.
Diferentes problemas de integridade do sinal
Problemas de integridade do sinal podem causar ou provocar diretamente distorção do sinal, erros de temporização, dados incorretos, linhas de endereço e controle, mau funcionamento do sistema e até mesmo falhas no sistema. Os principais problemas de integridade do sinal incluem: atraso, reflexão, ruído de comutação síncrona, oscilação, salto de terra, diafonia, etc.
Atraso
Atraso significa que o sinal é transmitido a uma velocidade limitada nos fios da placa PCB, e o sinal é enviado da extremidade de envio para a extremidade de recepção, havendo um atraso de transmissão entre elas. O atraso do sinal afetará o tempo do sistema, e o atraso de transmissão depende principalmente do comprimento do fio e da constante dielétrica do meio ao redor do fio. Em um sistema digital de alta velocidade, o comprimento da linha de transmissão do sinal é o fator mais direto que afeta a diferença de fase do pulso do relógio. A diferença de fase do pulso do relógio significa que os dois sinais de relógio gerados ao mesmo tempo não estão sincronizados quando chegam ao lado receptor. A diferença de fase do pulso do relógio reduz a previsibilidade da chegada da borda do sinal. Se a diferença de fase do pulso do relógio for muito grande, um sinal errado será gerado no lado receptor. Conforme mostrado na figura abaixo, o atraso da linha de transmissão tornou-se uma parte importante do ciclo do pulso do relógio.
Reflexão
A reflexão é o eco na linha de subtransmissão. Quando o tempo de atraso do sinal é muito maior do que o tempo de transição do sinal, a linha de sinal deve ser considerada como uma linha de transmissão. Quando a impedância característica da linha de transmissão não corresponde à impedância de carga, parte da potência do sinal (tensão ou corrente) é transmitida na linha e atinge a carga, mas parte é refletida. Se a impedância de carga for menor do que a impedância original, a reflexão é negativa. Caso contrário, a reflexão é positiva. Variações na geometria do roteamento, terminação inadequada da linha de transmissão, transmissão através de conectores e descontinuidades nos planos de energia podem causar tais reflexões.
Ruído de comutação simultânea (SSN)
O ruído de comutação simultânea será gerado se muitos sinais digitais na placa de circuito impresso forem comutados de forma síncrona (como barramento de dados da CPU, barramento de endereço, etc.). Isso ocorre porque há impedância na linha de alimentação e no terra, e haverá ruído de rebote no plano de terra (ground bounce). A intensidade do SSN e do salto de aterramento também depende das características de E/S do circuito integrado, da impedância da camada de alimentação e da camada plana da PCB, e do layout e roteamento dos dispositivos de alta velocidade na PCB.
Interferência
A interferência é o acoplamento entre duas linhas de sinal, e a indutância mútua e a capacitância mútua entre as linhas de sinal causam ruído na linha. O acoplamento capacitivo induz uma corrente acoplada, enquanto o acoplamento indutivo induz uma tensão acoplada. O ruído de interferência origina-se do acoplamento eletromagnético entre redes de sinal, entre sistemas de sinal e sistemas de distribuição de energia e entre vias. O entrelaçamento pode causar relógios falsos, erros de dados intermitentes, etc., e afetar a qualidade da transmissão de sinais adjacentes. Na verdade, não precisamos eliminar completamente o crosstalk, apenas mantê-lo dentro da tolerância do sistema. Os parâmetros da camada da placa PCB, o espaçamento das linhas de sinal, as características elétricas do driver e do receptor e o método de terminação da linha de base têm um certo impacto no crosstalk.
Excesso e insuficiência
O overshoot é o primeiro pico ou vale que excede a tensão definida. Para bordas ascendentes, refere-se à tensão mais alta e, para bordas descendentes, refere-se à tensão mais baixa. O undershoot ocorre quando o próximo vale ou pico excede a tensão definida. Um overshoot excessivo pode fazer com que os diodos de proteção funcionem, levando à sua falha prematura. Um undershoot excessivo pode causar erros espúrios de clock ou dados (manuseio incorreto).
Toque e arredondamento
O fenômeno de oscilação é repetido com overshoot e undershoot. A oscilação do sinal é causada pela transição de indutância e capacitância na linha, que pertence ao estado subamortecido. A oscilação circundante é um estado superamortecido. Oscilações e oscilações orbitais, como reflexões, são causadas por uma variedade de fatores. A oscilação pode ser reduzida com terminação adequada, mas não pode ser completamente eliminada.
Ruído de ressalto no solo e ruído de retorno
Ruído de ressalto no solo
Quando há um grande aumento de corrente no circuito, isso causa ruído de rebote no plano de aterramento. Por exemplo, se as saídas de um grande número de chips forem ativadas ao mesmo tempo, haverá uma grande corrente transitória fluindo através do plano de alimentação do chip e da placa. O ruído da fonte de alimentação é então induzido pela indutância e resistência do pacote do chip e do plano de alimentação, o que cria flutuações e variações de tensão no plano de terra verdadeiro (O V). Esse ruído afeta o funcionamento de outros componentes. Um aumento na capacitância da carga, uma diminuição na resistência da carga, um aumento na indutância do terra e um aumento no número de dispositivos de comutação levarão a um aumento no salto do terra.
Ruído de retorno
O ruído de retorno do plano de terra é gerado quando os sinais digitais viajam para a área analógica de terra. Isso pode ser causado pela divisão do plano de terra (incluindo alimentação e terra), por exemplo, o plano de terra é dividido em terra digital, terra analógica, terra de blindagem, etc. Da mesma forma, os planos de alimentação também podem ser divididos em 2,5 V, 3,3 V, 5 V, etc. Portanto, no projeto de PCB multivoltagem, precisamos prestar atenção especial ao ruído de rebote e ao ruído de retorno do plano de terra.
Causas dos problemas de integridade do sinal
Fatores como os parâmetros dos componentes e placas PCB, o layout dos componentes nas placas PCB e a fiação das linhas de sinal de alta velocidade causarão problemas de integridade do sinal. Para o layout da PCB, a integridade do sinal precisa fornecer Para o layout do circuito, a integridade do sinal requer componentes de terminação, estratégias de posicionamento e informações de roteamento.
Como otimizar a integridade do sinal?
O problema da integridade do sinal não é causado por um único fator, mas por vários fatores no projeto da placa. Portanto, precisamos usar métodos diferentes para melhorar a integridade do sinal de acordo com situações específicas.
Análise de interferência
O tamanho da interferência é inversamente proporcional ao espaçamento entre linhas e proporcional ao comprimento paralelo da linha e à frequência do sinal. A interferência varia com a carga do circuito. Para a mesma topologia e situação de fiação, quanto maior a carga, maior a interferência. Em circuitos digitais, a mudança de borda do sinal tem o maior impacto na interferência, e quanto mais rápida for a mudança de borda, maior será a interferência. Tendo em vista as características acima da diafonia, podemos usar os seguintes métodos para reduzi-la:
- Escolha um dispositivo lento para reduzir a taxa de transição da borda do sinal;
- Evite misturar diferentes tipos de sinais;
- Reduzir a interferência de acoplamento reduzindo a carga;
- Minimizar o comprimento paralelo entre linhas de transmissão adjacentes;
- Aumente a distância entre condutores onde pode ocorrer acoplamento capacitivo;
- Uma abordagem mais eficaz é isolar os fios com fios terra;
- Insira um fio terra entre fios de sinal adjacentes;
- Minimize o número de loops e a área do loop;
- Evite compartilhar o mesmo fio para o loop de sinal;
- As camadas de sinal de duas camadas adjacentes devem evitar a fiação paralela tanto quanto possível;
- Os sinais sensíveis à interferência devem ser dispostos na camada interna, tanto quanto possível;
análise de reflexão
As reflexões ocorrem sempre que um sinal encontra uma mudança na impedância ao viajar ao longo de uma linha de transmissão. A principal forma de resolver o problema da reflexão é realizar a correspondência da impedância de terminação. Normalmente, existem duas estratégias para a terminação da linha de transmissão: terminação paralela e terminação serial.
Terminação paralela
A terminação paralela serve principalmente para conectar a impedância pull-up ou pull-down o mais próximo possível da extremidade da carga, a fim de obter a correspondência de impedância do terminal. De acordo com diferentes ambientes de aplicação, a terminação paralela pode ser dividida em vários tipos, conforme mostrado na figura abaixo.
Terminação serial
A terminação serial é obtida através da inserção serial de um resistor na linha de transmissão, o mais próximo possível da fonte. A terminação serial deve corresponder à impedância da fonte do sinal, a resistência do resistor serial inserido mais a impedância de saída da fonte de acionamento deve ser maior ou igual à impedância da linha de transmissão. Essa estratégia suprime o sinal refletido da carga, tornando o coeficiente de reflexão da extremidade da fonte zero (a entrada da extremidade da carga é de alta impedância e não absorve energia) e, em seguida, reflete de volta para a extremidade da carga a partir da extremidade da fonte.
Modelagem de análise de integridade de sinal
A modelagem e simulação adequadas de circuitos são a solução mais comum para a integridade do sinal. No projeto de circuitos de alta velocidade, a análise de simulação está cada vez mais demonstrando sua superioridade. Isso porque ela pode fornecer aos projetistas resultados precisos e intuitivos. Dessa forma, podemos detectar problemas antecipadamente e corrigi-los a tempo. Existem três métodos de modelagem de circuitos comumente usados: modelo SPICE, modelo IBIS e modelo Verilog-A.
Modelo SPICE
O SPICE é um poderoso simulador de circuitos analógicos de uso geral. Ele consiste em duas partes: Equação do Modelo e Parâmetros do Modelo. Como a equação do modelo é fornecida, o modelo SPICE pode ser intimamente conectado ao algoritmo do simulador, obtendo-se assim uma melhor eficiência de análise e melhores resultados.
Modelo IBIS
O modelo IBIS é um modelo usado especialmente para análise de integridade de sinal digital em placas PCB e nível de sistema. Ele usa tabelas I/V e V/T para descrever as características das células e pinos de E/S de circuitos integrados digitais. A precisão da análise do modelo IBIS depende principalmente do número de pontos de dados e da precisão dos dados nas tabelas 1/V e V/T. Em comparação com o modelo SPICE, a carga de cálculo do modelo IBIS é muito pequena.
Conclusão
Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia microeletrônica, o uso de dispositivos de alta velocidade e o projeto de sistemas digitais de alta velocidade estão aumentando. As taxas de dados do sistema, as taxas de clock e as densidades dos circuitos também estão aumentando. Portanto, os requisitos de projeto para a placa PCB estão ficando cada vez mais exigentes, especialmente a questão da integridade do sinal. Para garantir que a PCB tenha boa integridade de sinal, uma variedade de fatores de influência deve ser considerada de forma abrangente.
