Методы внедрения высокоскоростных цифровых и Rf-схем на одной плате Pcb

Пропускная способность и клиренс

Для данного импеданса требуются шкалы ширины трассы с диэлектрической высотой. Более широкие следы обычно менее убыточны и легче в изготовлении. Однако они потребляют пространство на плате и могут создавать проблемы с соединением, если расположены слишком близко к другим следам. Поддерживают по меньшей мере в три раза ширину трассы (3 Вт) клиренс к соседним сигналам, чтобы держать перекрестный сигнал ниже приемлемых уровней. Для критических радиочастотных сетей используйте копланарный волновод с землей (CPWG) путем добавления наземных потоков по обе стороны трассы на определенном расстоянии зазора. Эта структура может обеспечить лучшую изоляцию, чем простая микрополоса.

Импеданс цифровых линий

Для цифровых автобусов нацельтесь на характерное импеданс 50 Ом для одноконечных линий и 100 Ом для дифференциальных пар. Это стандартные значения, на которые рассчитано множество ИС. Используйте резисторы окончания серии, расположенные рядом с водителем, чтобы соответствовать импедансу источника и поглощать отражения. Для интерфейсов памяти DDR придерживайтесь топологии fly-by и убедитесь, что все следы соответствуют длине в рамках бюджета времени.

Размещение компонентов и физическое разделение

Закрытый забор

Разделите ПХБ на отдельные физические зоны: РЧ-зону, высокоскоростную цифровую зону, низкоскоростную цифровую зону и зону питания. Поместите РЧ-зону вблизи краевого разъема или антенного порта, чтобы минимизировать длину радиочастотного следа. Высокоскоростная цифровая зона должна быть как можно дальше от РЧ-зоны, в идеале на противоположной стороне платы. Сохраняйте аналоговые и цифровые участки отдельно с четкой границей. Избегайте пробега любых цифровых часов или высокоскоростных сигнальных следов через РЧ-зону. Если пересечение неизбежно, направляйте их по разным слоям с промежуточными наземными плоскостями.

Компоненты на границе

Аналоговые-цифровые преобразователи (ADC) и цифровые-аналоговые преобразователи (DAC) находятся на границе между цифровыми и радиочастотными доменами. Поместите эти преобразователи на границе двух зон, с их аналоговыми штифтами, обращенными к радиочастотной стороне, и цифровыми штифтами, обращенными к цифровой стороне. Используйте вырез под конвертером, если это рекомендовано таблицей данных, чтобы разорвать наземное соединение между аналоговыми и цифровыми штифтами. Обеспечьте выделенные конденсаторы разъединения как можно ближе к каждому штифту питания, используя наименьший след, который может выдержать напряжение.

Изоляция через контроль

Create ground keepout areas (no copper) under sensitive RF components such as inductors and VCOs to reduce parasitic capacitance to the ground plane. Similarly, keep high-speed digital traces at least 10 mm away from any RF component that is not shielded. If board space is tight, use a ground fence (rows of vias connected to ground) around the RF section to create a Faraday cage effect.

Сеть распределения мощности (PDN) для смешанных сигналов

Отдельные силовые самолеты

Цифровой переключающий шум может легко перемещаться по разделяемым плоскостям питания в линии радиочастотного питания. Лучше всего назначать отдельные плоскости питания для цифровых и радиочастотных секций. Если это невозможно, используйте вырез питания для физического разделения двух доменов и подключения их через узкий след или ферритовую бусину. Ферритовая бусина обеспечивает высокое импеданс на частотах радиочастот при прохождении постоянного тока. Однако имейте в виду, что ферриты могут стать убыточными при высоких токах и могут насыщаться; выберите один с соответствующим рейтингом тока и профилем импеданса.

Отсоединение и обход

Для каждого активного ИС должны быть разъединительные конденсаторы для каждого силового штифта. Для цифровых устройств используют комбинацию объемных электролитических конденсаторов (10-100 мкФ) и небольших многослойных керамических конденсаторов (0,1 мкФ и 0,01 мкФ), расположенных как можно ближе к штифту. Для РЧ ИС используют конденсаторы с низкой индуктивностью (например, 100 пФ и 10 пФ) с минимальной паразитной индуктивностью. Поместите их на тот же слой, что и ИС, и соедините короткими широкими следами непосредственно к сквозной, которая идет к плоскости питания. Избегайте совместного разделения сквозных связей между несколькими конденсаторами.

PDN Impedance Target (недоступная ссылка)

Сеть распределения мощности должна иметь низкое импедансное сопротивление во всем интересующем частотном диапазоне. Для цифровых схем целевое импедансное сопротивление часто составляет менее 0,1 Ом от постоянного тока до частоты переключения. Для радиочастотных схем импеданс должен оставаться ниже нескольких Ом на рабочей частоте. Используйте инструменты моделирования, такие как SIwave или PowerSI, для моделирования PDN и выявления резонансных пиков, которые могут нуждаться в демпфировании с дополнительным разъединением или потерявшим феррит.

Стратегии маршрутизации для смешанных сигнальных автобусов

Цифровая маршрутизация автобусов

Высокоскоростные цифровые шины (например, DDR4, PCIe, Gigabit Ethernet) должны быть маршрутизированы с контролируемым импедансом и соответствием длины. Сохраняйте длины следов как можно короче, чтобы минимизировать задержку и отражения. Избегайте острых 90-градусных углов; вместо этого используйте 45-градусные шарфы или изогнутые следы. Групповые сигналы (например, DQS, DQ) вместе и маршрут на одном слое, чтобы минимизировать перекос. Используйте защитные следы с наземными сквозняками по обе стороны шины, чтобы обеспечить изоляцию от соседних аналоговых сигналов.

RF Trace Routing

Радиочастотные следы должны быть как можно более короткими и прямыми. Каждый изгиб создает разрыв импеданса; используйте клещевые изгибы с компенсацией для поддержания постоянной электрической длины. Избегайте пробега радиочастотных следов над зазорами в плоскости земли, так как это изменяет характеристическое сопротивление и вызывает отражения. Если радиочастотный след должен изменять слои, поместите два или более грунтовых проходов, прилегающих к переходу, чтобы обеспечить непрерывный обратный путь. Для дифференциальных радиочастотных сигналов (например, в модуляторах I/Q или сбалансированных смесителях) убедитесь, что длина пары плотно совпадает и что следы симметричны.

Часы и чувствительность сигнала

Сигналы часов особенно проблематичны, поскольку они периодические и богаты гармониками. Сохраняйте все следы часов как можно короче и направляйте их на одном слое с четкой плоскостью земли под ним. Не направляйте часы параллельно любому радиочастотному следу; если они должны пересекаться, используйте ортогональную маршрутизацию на разных слоях, разделенных плоскостью земли. Используйте резисторы серии или ферритовые бусины на выходе часов для снижения скорости кромки и гармонического содержания.

Техника щита и изоляции

Металлические банки и наземные заборы

Когда бортовое расстояние не может достичь достаточной изоляции, добавьте металлические экранирующие банки над секциями RF. Канал должен быть припаян к твердому грунтовому кольцу на печатной плате со многими наземными прокладками по периметру. Убедитесь, что щит не имеет резонансов в рабочей полосе частот. Для более дешевой альтернативы создайте наземный забор, поместив ряд прокладок в прямоугольный рисунок вокруг области RF, а затем пайка тонкой медной ленты или металлического клипса сверху. Это обеспечивает скромную изоляцию (20-30 дБ) и полезно для прототипов.

Погребенные емкости и абсорбирующие материалы

Некоторые высокоскоростные цифровые и радиочастотные конструкции получают выгоду от встроенных слоев емкости - очень тонкого диэлектрика между электроэнергией и наземными плоскостями для обеспечения высокочастотной разъединения. Кроме того, поглотители EMI (например, ферритовые листы или углеродная пена) могут быть размещены над шумными цифровыми областями для ослабления излучаемых выбросов. Эти материалы являются убыточными и должны использоваться только тогда, когда другие методы недостаточны.

Фильтрация линий ввода/вывода

Все сигналы, которые переходят из цифровой зоны в зону РФ, должны быть отфильтрованы. Используйте низкочастотные RC-фильтры с частотами отсечения ниже полосы РФ, или используйте ферритовые бусины последовательно с сигнальной линией. Для цифровых линий управления (например, SPI или GPIO) последовательное сопротивление 10–100 Ом и небольшой конденсатор на землю (10–100 пФ) может подавлять высокочастотный шум. Поместите эти фильтры у источника (цифровая сторона) для предотвращения перемещения шума в радиочастотный домен.

Моделирование и проверка

Предварительная симуляция

Перед тем, как приступить к планированию, запустите предварительное моделирование импеданса PDN и путей критических сигналов. Такие инструменты, как Keysight ADS, Ansys HFSS или эквиваленты с открытым исходным кодом, такие как OpenEMS, могут прогнозировать перекрестные разговоры, потерю вставки и потерю возврата. Этот шаг помогает выбрать соответствующие параметры стека и значения компонентов.

Пост-лайоу моделирование

После маршрутизации извлеките S-параметры для радиочастотных следов и оцените диаграммы глаз для высокоскоростных цифровых автобусов. Проверьте, что все цели сопротивления выполнены и что никакие следы не имеют чрезмерного несоответствия длины. Также имитируйте связь между сетями агрессора и жертвы с помощью полевых растворителей. Если прогнозируемая изоляция ниже 40 дБ, рассмотрите возможность добавления дополнительных наземных сквозняков или интервалов.

Прототип и измерение

Даже при тщательном моделировании измерение необходимо. Используйте векторный сетевой анализатор (VNA) для характеристики радиочастотных следов и измерения потерь возврата. Отражатель временной области (TDR) может проверять профили импеданса цифровых линий. Используйте анализатор спектра и зонды ближнего поля для идентификации горячих точек шума. Итерируйте изменения компоновки до тех пор, пока конструкция не будет соответствовать спецификации.

Контрольный список практических дизайн-проектов

• Выберите стабильный ламинат Dk с низким уровнем потерь для частот выше 1 ГГц.
• Используйте стек-ап 6-12-слойный с выделенными наземными плоскостями для радиочастотных и цифровых доменов.
• Разделите плату на радиочастотные, высокоскоростные цифровые и низкоскоростные цифровые зоны с четкими границами.
• Внедрить твердую, неразрывную наземную плоскость. Если используются расколы, соединиться с одной точкой и множеством швов.
• Проектирование всех радиочастотных и критических цифровых трасс для контролируемого импеданса (50 Ом одноконечного, 100 Ом дифференциала).
• Размещайте отсоединяющие конденсаторы как можно ближе к штифтам мощности ИС с минимальной площадью контура.
• Добавьте защитные клетки или наземные заборы вокруг чувствительных радиочастотных блоков.
• Фильтруйте все линии ввода/вывода, пересекающиеся между цифровым и радиочастотным доменами.
• Имитировать импеданс PDN, целостность сигнала и EMI перед изготовлением.
• Прототип и тест с VNA, TDR и анализатором спектра.

Применяя эти методы систематически, инженеры могут достичь ПХД смешанного сигнала, которая отвечает как высокоскоростным цифровым, так и требованиям к производительности радиочастот. Ключ заключается в том, чтобы рассматривать доску не как две отдельные конструкции, сосуществующие на одной подложке, а как единую систему, где каждое решение - от выбора материала до размещения - способствует общей целостности. При тщательном планировании и строгом моделировании интеграция дает меньшие, более быстрые и более надежные продукты.