Return Currents in High-Speed Signals

Mevcutlar, referans uçağın (tipik olarak zemin) aracılığıyla aktığı denge akımları dengelemektir. yüksek hızlı dijital ve RF tasarımları, bu akımlar sadece en az direnç yoluyla "dönüşüm" değildir; bunlar, doğrudan yüksek frekansların altında olan sinyal izlerini takip ederler.

Düşük frekanslarda, geri dönüş akımı tüm zemin düzlemde yayılıyor. Ama frekanslar bir optik ve GHz aralığında yükselirken, cilt etkisi sinyal izlerinin altında doğrudan daraltılır.Bu mevcut dağıtımın kalınlığı yüksek oranda yerelleştirilmiş ve herhangi bir süre boyunca bir slot, 1 oz bakır tabakaya kadar, cilt etkisi yaklaşık 66 μm, ancak 1 MHz'de 2 μm'ye kadar küçülür.

Mevcut geri dönüş yönetimi sinyal bütünlüğünü korumak için gereklidir (SI) ve elektromanyetik müdahaleyi kontrol etmek (EMI) Kötü yönetilen bir geri dönüş yolu, sabit standartları başarısız olan çapraz geçiş hattında yer alan manyetik alanı korumak için gereklidir.

Return Currents için Anahtar Stratejileri

Impedance Control

Kontrollü dürtü izlerinin tahmin edilebilir geri dönüş için temel olduğunu. Bir iletim hattının (örneğin, mikro yolculuk veya striptiz) özelliği, iz genişliğine, dielektrik kalınlığına ve en yakın referans uçağa giden mesafeye bağlı olarak, yanlış bir şekilde, sinyal yansımaları meydana geldiğinde, geri dönmenin bir parçası haline gelir.Bu yansımaları, mevcut geri dönüşlerin ideal dağılımına yol açar.

Mikrostrip hatları için, mevcut akışlar, iki zemin uçağının üst yüzeyinde doğrudan iz altına alınır. iz genişliğinin dielektrik yüksekliğine oranı (W/H) karakteristik imkansızlığı belirler. şeritler için, iz daha iyi bir kalkan ve daha fazla çift sıkı bir geri dönüş yolu sağlamak için sandviç edilir, ancak tasarım aracılığıyla dikkat edilmesi gerekir.

Ground Plane Süreklilik

Katı, kesintisiz zemin uçağı, mevcutları yönetmek için en önemli faktördür. Uçakta herhangi bir mola (örneğin sinyalli bir uçak bölünmesi, güç izolasyonu veya bir delik için bir şarj cihazı veya bağlantı için bir delik) güçler, geri dönüş akımını engeller, yukarı 10 nF'yi güçlü bir şekilde devre dışı bırakmak için, yüksek bir noktaya kadar uzanan bir sinyale doğru bir şekilde devre dışı bırakmak için.

Multikat PCB'lerde, her sinyal katmanının, mevcutların sorunsuz bir şekilde geçişine izin vermesini sağlar. Bir güç uçağını referans olarak kullanılırsa, yüksek frekanslı betonlar arasındaki yüksek kapasiteli uçaklar için tercih edilir.

Minimizing Loop Alanları

Mevcut ve geri dönüş akımı tarafından oluşturulan döngü alanı, sinyal izlerini ve dönüş yolunu mümkün olduğunca yakın bir şekilde tutmakla doğrudan orantılıdır.Bu, en ince olası dielektrikli (düşük profilli önbellek) ile bir yere doğrulanmış bir sinyalin bulunduğu yere kadar yüksek hız izlerinin yüksek hızdaki izlerinin yerleşmesine neden olur. Örneğin, dikey ayrımı azaltmak için, örneğin, 4 mil elektrik miktarını kullanarak, 8 kat daha yüksek bir alana kıyasla bir alana kadar azaltılır.

Ayrıca izlerinin geometrisini de göz önünde bulundurun. keskin köşelerden kaçının (törüntülere göre 45° veya eğrili virajlar) mevcut kalabalığın ve yerel artışların indüklenmesinden kaçınmak için (önemli çiftlerin) iki izlerini sıkıca tutar.

Guard Traces ve Co aksiyel Routing

Güvenlik izlerinin aynı katmanına işaret ve zemine yerleştirilen bakır izleridir (tipik olarak ⁇ /20 veya daha az). Onlar, elektrik ve manyetik alanları içeren yerel geri dönüş yolları olarak hareket ederler, ancak parasitik kapasitanslar sadece önemli ölçüde sabit ve sıkı bir şekilde sinyale sahip olup olmadığını kontrol ederler. Birçok durumda, dikteci bir şeritle birlikte 10-20 dB tarafından izolasyonu artırabilirler.

Koruma izlerini kullanırken, sinyal ve muhafız arasındaki spat, zemin uçağa (height) uzaklıktan daha az olmalıdır (height) Koruma izi genişliği düşük girişli bir yol sağlamak için en az iki kez olmalıdır. Her zaman koruma izi zemine dikme alanı 1/10'dan fazla yer alan bir sürü işaret dalgasını dikmemelidir.

Katman Stacking Optimizasyonu

PCB yığını, yüksek hızlı dijital için herhangi bir güç uçağının altında herhangi bir sinyale sahip olması gerekir: Top (signal) – Ground – Ground – Signal – Signal – Sub. Bu yapılandırma, yüksek çözünürlükte herhangi bir sinyalin altında anında bir zemin uçağının altında olduğundan emin olur.

Sinyaller tabakaları değiştirdiğinde, geri dönüş akımının bir başka yere taşınmasına izin vermek zorundadır.[0] Aynı zamanda uçaktaki mesafeyi bulmak için daha uzun bir yol bulmak zorunda kalır.Ayrıca, 5-10 mil içinde sinyalin geri kalanını üst düzeye çıkarmak için.

Via Management

Vias, iletim hattında sonsuzluk yaratıyor çünkü kapasitance, indükance ve geri dönüş yolunda bir değişiklik sunuyor.Bir via a over ve inversely niska to its half. For high- speed, minimize via stub tall (theductance, and a change in the return current road.)

Mevcutlar iki şekilde karşılaşır: sinyal bir zemin uçağıyla geçerken, uçaktan diğerine doğru giden bir anti-pad (a permission de) ile sinyalin etrafında bir araya gelmesi gerekir.Bu topraklar, bu etkiyi azaltır ve en küçük izin verilen anti-pad çapındaki yolu azaltır.

Gelişmiş Tahminler

Yüksek Frequencies'ta geri dönüş: Skin Etkisi ve Şimdiki Dağıtım

Frekanslar birkaç yüzölçün ötesine yükselirken, cilt etkisi, iz yüzeyinin yakınında akış için mevcut sinyal akımını güçlendiriyor ve geri dönüş akımı da referans uçağın yüzeyindeki küçük bir slota doğrudan izden uzak duracaktır. 10 GHz hattında, bakırdaki derinlik yaklaşık% 60-70 oranında sabit bir şekilde yüzeye çıkıyor - bu da yüzeyin yüksekliğe karşı çıkıyor.

Tasarımcılar, zemin uçağın düz ve sürekli olduğundan emin olmalıdır, özellikle de sinyal izlerinin yakınında. pedler, termal rahatlama konuşması veya bu yoğun mevcut bölgede uzun slotlar.Diferansiyel sinyaller için, geri dönüş akımı büyük ölçüde iptal edilir (evcut mod geri dönüş akımı çok küçük), ancak herhangi bir ortak nokta bileşeni hala temiz bir geri dönüş yolu gerektirecektir.

Diferansiyel İşaretler ve Geri Döndürün

Diferansiyel sinyaller doğal bağışıklık sağlar ortak mod gürültüsüne ve EMI'yi azaltır çünkü zemin uçaktaki geri dönüşler ideal olarak sıfırdır. Ancak, pratikte, çiftdeki dengesizlikler (örneğin, simetrik, eşit katlama, genişlik varyasyonları veya darbe asimmetri) tüm çiftlerin sürekli olarak bir dönüş yolunu gerektirir.Mevcut sabit düzlem için geri dönüş yolu gerekir.Bu sayede, aynı zamanda mevcut olan sabit akışları kontrol etmek için de geçerlidir.

Çok yüksek hızlarda, çiftlerin her bacağı için geri dönüş akımı, zemin uçağa binmek yerine diğer bacaklara kısmen bağlıdır. Bu, komşunun izlerinin çoğunuz, zeminin katılımını ve EMI'ye karşı duran mevcut geri dönüş oranını azaltır.

Birden Çok Zemin Planları ve Slots

Kompleksi, çoklu zemin uçaklar (örneğin, analog zemin, dijital zemin, şasi zemin) genellikle farklı işlevsel blokları izole etmek için kullanılır. Ancak, bu uçakları tek bir noktada birbirine bağlayan, sınır için 10 nF'ye kadar olan mesafe 100 pF'yi analog bölüme geçebilecek bir sinyale sahip olmalıdır.Bir yandan, bir düzlemde bir zeminde köprünün ayrılması gerekir.

Zemin uçaklarda slotlar (örneğin, izolasyon boşlukları veya termal rahatlama için) özellikle sorunludur. Bir işaret izine paralel olarak, her iki uçta da seyahat etmek için geri dönüş akımı, büyük bir döngü oluşturmak, yüksek kabul edilebilir bir yuva oranına bağlıdır: en yüksek önemli frekansın ⁇ /20'si kritik izlerinin yakınından daha uzun.

Tasarım Doğrulama ve Simülasyon

Geri dönüş akımlarını etkili bir şekilde elektromanyetik simülasyon ve ölçüm yoluyla doğrulama gerektirir. 3D alan çözücüleri kullanın (Asys HFSS, CST Mikrodalga Stüdyosu veya Keysight ADS) PCB yığınlarını modellemek için, iz geometrisi ve yapılar üzerinden.Bu araçlar, en yüksek saat frekansının beşinci harmoniklerini veya sonluluğunu tespit edebilir.

Anahtar simülasyon ölçümleri şunları içerir:

  • Loop birim uzunluğu başına transfer edilebilir - mümkün olduğunca düşük olmalıdır ( kritik sinyaller için < 1 nH/cm).
  • [FONT=0)Common-mode Dönüşüm) (Scd21 parametresi) - istenmeyen geri dönüş akımlarına neden olan farklı çiftlerde dengesizliğe işaret eder.
  • [FONT:0)Geri dönüş yolu devamsızlık engellenme[Dönem: 1) – bir veya uçak bölmesinde aniden bir değişiklik yansımalara neden olur.
  • [FONT:0)Radiated Emisyonlar[[Dönüşüküm: 1) - FCC/CE sınırlarına uyum sağlamak için çok fazla alan radyasyon modelleri simüle eder.

Zaman-bölge reflekmetri (TDR) ölçümler de geri dönüş yol sorunlarını ortaya çıkarabilir. TDR izlerinin içine genellikle daha yüksek bir engel dönüş yolunu gösterir (örneğin, zemin olmadan geçiş yoluyla).

Bazı mesafe içinde veya dikme yoluyla bir tasarım kuralı kontrol (DRC) senaryosu, bayrakların yüksek hızlı sinyallerin bölünmesi, bitişik zemin uçağın eksikliğini veya dikme yoluyla yetersiz bir zeminin olmaması önerilir.Birçok EDA araçları (Altium, Allegro, PADS) bu tür yetenekler sağlar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Hızlı sinyal yollarında geri dönüş akımları, daha sonra bir tasarım disiplini değildir - ilk çöplük planlamadan ve nihai doğrulama yoluyla entegre edilmesi gereken bir tasarım disiplinidir. Temel prensip, sinyal izlerini yakından takip eden sürekli, düşük giriş yolu sağlamaktır.Bu, kontrollü bir engel tasarımları, sağlam ve kesintisiz zemin uçaklarla elde edilir, en azametli dielektrik yükseklikleri ile dikkatli bir şekilde, uçak bölmeleri ile yönetim yoluyla dikkatli olun.

Veri oranları 25 Gbps'nin ötesine ve milimetre dalga aralığına (30 GHz ve yukarıda), yol sona erdirmek için hassaslıklar dramatik bir şekilde artacaktır. Geçişler yoluyla ko aksiyel, plakalı mikrovialar ve gömülü planlayıcılar gerekli değildir. Simülasyon araçları artık tercih edilemez - manuel muayene sırasında göz önünde bulundurulacak sorunları tahmin etmek için kritiktir.

Bu stratejileri benimsemeye göre, tasarımcılar sağlam sinyal bütünlüğü elde edebilir, ilk prototip üzerinde EMI uyumluluk testleri geçebilir ve kısa bir gelişim döngüleri. İyi bir yollu yüksek hızlı bir yönetim, geri dönüş akımlarının asla "düşünce" olması gerektiği bir şeydir - sadece sinyali otomatik olarak takip ederler.

Daha fazla okuma için: Dr. Howard Johnson tarafından kanonik metinlere danış ([Dönetici:0) Yüksek Hızlı Dijital Tasarım[Dönemli: 1) ve Rick Hartley'nin zemin uçaktaki pratik makaleler[Dönemli) ve ek kaynaklar, önde gelen PCB malzeme tedarikçilerinden (Isola, Rogers) ve sinyal bütünlüğü mühendislerine başvuru notları içerir.