Nopean digitaalisen rajapinnoituksen suunnittelu edellyttää tarkkaa huomiota signaalin eheyteen, jotta voidaan ylläpitää virheetöntä tiedonsiirtoa kellotaajuutena ja datan läpisyötön lisääntymisenä. Monien gigabittinopeuksien aikana jopa pienet puutteet painetussa piirilevyssä (PCB) voi johtaa signaalin heikkenemiseen, mikä johtaa bittivirheisiin, melumarginaalien vähenemiseen ja järjestelmän epävakauteen. Insinöörien on otettava käyttöön kokonaisvaltainen tekniikkakokonaisuus, joka ulottuu materiaalin valinnasta ja impedanssin ohjauksesta huolelliseen reititykseen ja lopettamiseen. Tämä artikkeli tarjoaa kattavan oppaan signaalin heikentymisen minimoimiseksi nopeissa digitaalisissa malleissa, joka kattaa perussyyt, todistetut hillitsemisstrategiat ja kehittyneet parhaat käytännöt.

Signaalin hajoamisen ymmärtäminen

Signaalin heikkeneminen käsittää kaikki muutokset digitaalisen signaalin amplitudissa, ajoituksessa tai muodossa, koska se leviää kuljettajasta vastaanottimeen. Suurilla taajuuksilla loisvaikutukset, jotka ovat merkityksettömiä pienemmillä nopeuksilla, tulevat hallitseviksi. Primaarimekanismit ovat:

  • Sähkömagneettinen häiriö (EMI) . Ulkoiset melulähteet kytkettynä siirtoverkkoon.
  • Krostaali .
  • Myöntökatkokset[ .
  • Ihovaikutus ja dielektrinen hävikki[ .
  • Simultaanikytkinmelu (SSN) .

Jokainen näistä tekijöistä vähentää signaali-melu-suhdetta (SNR) ja ajoitusta. Luotettavan toiminnan varmistamiseksi suunnittelijoiden on varmistettava, että kokonaishajoaminen pysyy vastaanottimen asettamien raja-arvojen sisällä. Näiden mekanismien ymmärtäminen on ensimmäinen askel kohti tehokkaiden vastatoimien toteuttamista.

Avaintekniikat signaalin hajoamisen minimoimiseksi

1. Hallittu impedanssisuunnittelu

Johdonmukaisen ominaisimprotanssin ylläpitäminen koko signaalin kulkua pitkin on ratkaisevan tärkeää. Heijastuksia tapahtuu missä tahansa vaiheessa, jossa hetkelliset impprotanssimuutokset, kuten läpi, liitinsiirroissa tai väärin päätetyissä päissä. Ohjatun improtanssin saavuttamiseksi suunnittelijat määrittelevät jäljitysgeometrian . leveys, korkeus vertailutason yläpuolella ja dielektrisen materiaalin suhteellinen lupakelpoisuus (Dk) .

Yhteiset siirtolinjatopologiat sisältävät mikroliuskan (jäljitys uloimmalla tasolla, jossa vertailutaso alla) ja liuskalinjan (jäljitetty kahden vertailutason välillä). Stripline tarjoaa paremman suojan ja alemman ristiviittauksen, mutta lisää valmistuskustannuksia. Pinoamisvaihe on suunniteltava varhaisessa vaiheessa, ja PCB-valmistajan on tarkistettava impedanssi testikupongeille. Tyypilliset tavoite impedanssit yksipääisille radoille ovat 50 Ω, kun taas differentiaaliparit usein pyrkivät 90 Ω, 100 Ω tai 85 Ω rajapintastandardista riippuen (esim. USB 3.0, HDMI, PCIe).

Impedanssilaskinten tai simulaatiotyökalujen (esim. Polar Si9000, Ansys Q2D) käyttö auttaa määrittämään vaaditun jäljitysleveyden ja -välin. On myös tärkeää ottaa huomioon juotosnaamion . Sen dielektrinen vakio voi alentaa impedanssia 2...5 Ω:llä, ellei sitä ole laskettu. Monet faktorit tarjoavat "viritettyjä" pinoamisia, joissa sisäkerrosten on esitarkennettu. Texas-instrumentin signaalin eheysopas tarjoaa yksityiskohtaisen viitteen impedanssin ohjaukseen suurnopeusmalleissa.

2. Oikeat lopettamisstrategiat

Päättäminen imee energiaa heijastussignaalien, jotka muuten liikkuvat edestakaisin, luoda rengastus ja ylitys. Valinta riippuu topologia ja kuljettajan ominaisuudet:

  • Sarjan lopetus:[ Sarjaan (kuljettajan lähelle) asetettu vastus, joka vastaa kuljettajan ulostulon impedanssin ja radan ominaisen impedanssin välistä eroa. Sitä käytetään yleisesti piste-piste viivoissa, kuten kellossa tai yksipäisissä signaaleja käytettäessä. Se vähentää virrankulutusta ja rajoittaa heijastuksia kuormassa.
  • Kohde:[] Vastaanotinpäässä oleva vastus maadoittaa (tai VCC) radan impedanssiin sopivaksi. Tehokas pitkille radoille, mutta lisää tasavirtatehon hajautumista.
  • AC pääte:[] sarja kondensaattori ja vedä vastus vastaanotin. Se estää DC, kun lopettaa AC signaalin, vähentää virrankäyttöä; ihanteellinen nopeisiin bussit kuten DDR muisti.
  • Thevenin pääte:[ Kaksi vastusta (yksi VCC:lle, yksi maadoitus) vastaanottimessa, jotka vastaavat radan impedanssia. Käytetään usein differentiaalisissa signaaleissa tai yhteisen moodin jännitteen asettamisessa.

Erotusparien osalta on käytettävä poikkisuljettua paria (esim. 100 Ω vastus positiivisen ja negatiivisen viivan välillä). Jos ei päätetä oikein, on johtava syy signaaliheijastukseen. [Analogisten laitteiden artikkeli päätetekniikoista [ tarjoaa käytännön vertailun kuhunkin menetelmään.

3. Erilaiset signaalit

Erilaiset signaalit lähettävät dataa kahden toisiaan täydentävän jäljet ... yksi ei-käännöllinen, toinen ylösalaisin ... vastaanotin havainnoi jänniteeron. Tämä lähestymistapa tarjoaa useita etuja suurnopeusliittymille:

  • Yhteisen moodin hylkimisreaktio:[] Sähkömagneettiset häiriöt pareja tasan molempiin radoihin ja peruuttaa, mikä parantaa melunsietokykyä.
  • Raportoitu EMI:[ Tasa-arvoiset mutta vastakkaiset virrat luovat magneettikenttien mitätöinnin, mikä vähentää säteilypäästöjä.
  • Korkeammat melumarginaalit:[] Vastaanotin havaitsee pieniä jänniteswingejä, mikä mahdollistaa pienemmän tehonkäytön suurilla nopeuksilla.

Differentiaaliparit ovat olennaisia standardien kuten USB 3.x, HDMI, DisplayPort, PCI Express ja Ethernet 10GBASE-T. Avain asettelu sääntöjä ovat pitää pari tiukasti kytketty (ohjattu väli), sovittaa jälkipituudet muutaman millin (minimiä), ja välttää 90° kulmat, jotka luovat impedanssikatkoksia. Pari olisi reititettävä yli jatkuva referenssitaso, ja siirtymien kerrosten edellyttää kautta, jotka ovat tasapainossa. [Altiumin ero pari reititysopas[] yksityiskohtia parhaita käytäntöjä ylläpitää eheys.

4. Jäljitys pituuden hallinta ja optimoitu asettelu

Fyysinen ulkoasu vaikuttaa suoraan signaalin hajoamiseen. Lyhyemmät jäljet vähentävät vaimennusta ja viivettä, mutta monimutkaisissa levyissä pituus on joskus tarpeen reittien kiertämiseksi esteiden ympäri. Seuraavat käytännöt auttavat säilyttämään signaalin laadun:

  • Pituus vastaa:[] Rinnakkaisbussien (DDR, MPI) ja ero paria, viive erot aiheuttavat skew. Käytä käärmeen jälkiä vastaamaan pituuksia, mutta pitää käärme piki vähintään kolme kertaa jäljitysleveys minimoida keskinäisen induktanssin.
  • Minimisoimalla käytön avulla:[] Jokainen loiskapasitanssin ja induktanssin kautta. Suurnopeussignaalien osalta käytetään takaisinporausta poistamaan käyttämättömät kannat tai käyttämään mikroviaaleja kerrossiirtymään.
  • Jatkuvat vertailutasot:[] Vältä maa- tai voimatason leikkaamista suurnopeusjäljityksen alle. Kytkimet luovat impedanssikatkoksia ja lisäävät silmukkainduktanssia. Jos taso on väistämätön, ohjaa signaali sen yli vain ompelukondensaattoreilla tai sillalla.
  • Kääntymistien ohjaus:[[] Suurnopeussignaalien on oltava suoraan niiden alapuolella viereisellä tasolla. Kaikki keskeytykset (esim. maatasolla oleva paikka) pakottavat virran kiertämään, lisäämään induktanssia ja signaalin hajoamista.
  • Pitäkää poissa vyöhykkeiltä:[ Säilyttäkää etäisyys suurten nopeuksien jälkien ja muiden linjojen tai herkkien analogisten signaalien välillä. Nyrkkisääntö on 3-5 kertaa merkkileveys (3W-5W) hyväksyttävän ristivälejä vähentävän vaikutuksen saavuttamiseksi.

Mentor PADSin, Cadence Allegron ja Altium Designerin kaltaiset PCB-suunnittelutyökalut sisältävät rajoitteiden hallintalaitteita pituus-, väli- ja impedanssivaatimusten asettamiseen. [IEEE-paperit nopeasta asettelun optimoinnista [ tarjoavat lisänä oivalluksia simulointivetoiseen asetteluun.

Parhaiden käytäntöjen lisääminen

Maadoitus ja teho-integriteetti

Matala-induktanssi teho jakelu on välttämätöntä vakaa jännite ja melun vähentäminen. Käytä useita kautta teho-ja maayhteydet, ja aseta kytkeä kondensaattorit lähelle kunkin IC:n tehotapit. Omistettu maataso ja voimataso, jossa on pieni ero, luo matala-impedanssi polku. Suurnopeus liitäntöjen, harkita käyttää ferriittihelmiä eristää herkkä analoginen osa-alueita digitaalisen kytkentä melua.

Suojaus ja EMIn lieventäminen

Ulkoinen suojakotelot (kansioita) suurtaajuuslohkojen ympärillä vähentää säteilypäästöjä ja suojaa ulkoisilta EMI:iltä. PCB:ssä suojajäljet maadoitettujen ompelujen avulla voivat tarjota vierekkäisten suurnopeuslinjojen välisen suojan. Erityisesti meluisille liitännöille, kuten kellosignaalille, ohjata ne liuskalinjana (kahden tason välillä) sähkömagneettisten kenttien rajoittamiseksi.

Aineiston valinta

Dielektrisen materiaalin ominaisuudet ... pääasiassa sen hajotuskerroin (Df) ja dielektrinen vakio (Dk) ... ... merkittävästi vaikuttavat signaalihäviöön korkeilla taajuuksilla. Standard FR-4:n Df on ~0,02, mikä aiheuttaa havaittavaa menetystä yli 5 GHz. Suurempien datanopeuksien (esim. 25 Gbps ja sen jälkeen) osalta suositellaan matalan tappion materiaaleja, kuten Rogers 4350B tai Isola Tachyon. Näiden materiaalien Dk-variaatio on pienempi ja Df paljon pienempi, mikä vähentää impedanssin vaimennusta ja parempaa hallintaa.

Simulaatio ja esianalyysi

Ennen sitoutumista PCB-asetteluun, suorita esilayout-simulaatioita eri pinousten, jäljitysgeometrioiden ja terminointiarvojen arvioimiseksi. Työkalut kuten HyperLynx, SiSoft QSI tai Ansys SIwave mahdollistavat suunnittelijoiden mallintaa S-parametrit ja silmäkaaviot. Layoutin jälkeinen poisto ja simulointi voivat tunnistaa ongelmakohtia ... esimerkiksi keskeytyksien tai liiallisen ristipuheen avulla ennen kangasta, säästäen kalliita respins-projekteja. Monet suurnopeushankkeet ottavat nyt käyttöön "simulointi-ohjautuvan suunnittelun" virtauksen validoidakseen signaalin eheyden joka vaiheessa.

Päätelmät

Nopean digitaalisen rajapinnoituksen suunnittelu, jossa signaalin heikkeneminen on vähäistä, edellyttää sähkötekniikan periaatteiden kurinalaista yhdistelmää ja huolellista PCB-toteutusta. Ohjattu impedanssi, asianmukainen terminointi, differentiaalisignaalien ja optimoidun layout-mallin muodostaminen muodostavat perustan. Lisähuomio sähkön eheyteen, materiaalivalintoihin ja simulointiin takaa vahvan suorituskyvyn lämpötilan ja valmistusvaihteluiden välillä. Tietokantojen noustessa näistä tekniikoista tulee paitsi parhaita käytäntöjä, myös luotettavia järjestelmän toimintaa koskevia välttämättömiä. Sovelltamalla tässä esitettyjä menetelmiä suunnittelijat voivat saavuttaa virheettömän viestinnän ja laajentaa nopeiden digitaalisten tuotteidensa elinkaarta.