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Simulação de integridade de sinal de PCB

Simulação de integridade de sinal de PCB


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A integridade do sinal está se tornando um elemento cada vez mais importante do projeto de circuito e PCB. À medida que as frequências usadas nos circuitos digitais aumentam, mesmo as conexões comparativamente curtas agem como linhas de transmissão e afetam a integridade dos sinais transportados. Os sinais que poderiam ser considerados puramente digitais são modificados por efeitos que podem ser considerados como aplicáveis ​​ao domínio analógico. Esses efeitos podem fazer com que os circuitos não funcionem e, consequentemente, a integridade do sinal é agora um grande problema para qualquer projeto de circuito.

Em vista da importância da integridade do sinal em qualquer um dos projetos de processador de alta velocidade de hoje, é necessário incorporar simulações de projeto e verificações durante o processo de projeto e layout de PCB. As placas de circuito precisam passar por engenharia de integridade de sinal. Se não for executado durante o projeto, então há pouco que pode ser feito depois que uma placa completa foi construída. Em vista disso, os principais pacotes de software de design de PCB incorporam opções para incluir engenharia de integridade de sinal e software de verificação, e isso permitirá que verificações sejam realizadas conforme o design prossegue. Desta forma, o layout do PCB pode ser otimizado para garantir que a integridade do sinal seja corretamente projetada e problemas que ocorram quando o PCB acabado estiver disponível para seu teste serão minimizados.

Problemas de integridade de sinal

Existem quatro áreas principais de design e layout de circuito que devem ser levadas em consideração para garantir que a integridade do sinal de uma placa ou design de circuito seja mantida:

  • Efeitos da linha de transmissão
  • Impedância
  • Efeitos de comutação simultâneos
  • Crosstalk

Para garantir que a integridade do sinal seja mantida, todos os problemas devem ser resolvidos para garantir que o sinal não seja distorcido de forma alguma e os dados sejam corrompidos. Desta forma, o sistema pode operar de forma satisfatória, sem erros e na velocidade necessária.

Efeitos da linha de transmissão

Em baixas frequências, o comprimento da faixa pode ser considerado puramente por suas características DC. No entanto, à medida que as frequências aumentam, os efeitos, incluindo a capacitância e a indutância associadas à pista, começam a ter um impacto significativo no desempenho da linha. Conseqüentemente, é necessário considerar os trilhos como linhas de transmissão e tratá-los adequadamente, observando aspectos como a impedância da linha.

Como resultado, é necessário garantir que a linha mantenha a mesma impedância característica ao longo do comprimento da linha, caso contrário, serão introduzidas descontinuidades. Isso pode resultar na criação de reflexos de sinal que podem causar toque e integridade de sinal insatisfatória.

Para garantir que as linhas de transmissão sejam tratadas corretamente. Primeiro, é necessário que as linhas tenham um plano de aterramento por baixo delas. Também é necessário calcular a impedância da linha. Isso é determinado a partir de uma combinação da espessura da linha, a distância entre a linha e o plano do solo e a constante dielétrica da placa. Se acontecer com freqüência, a linha precisa atravessar entre as camadas e, portanto, a distância entre a linha e o plano de solo muda. Será necessário garantir que a impedância da linha permaneça a mesma, possivelmente alterando a espessura da linha.

Impedância

Em vista do fato de que as linhas em PCBs agem mais como linhas de transmissão conforme as frequências aumentam, também é necessário considerar a maneira pela qual as impedâncias precisam ser combinadas para garantir uma boa integridade do sinal. Quando há uma incompatibilidade entre a linha e a carga, nem toda a energia da forma de onda é absorvida pela carga. O que não é absorvido é refletido de volta ao longo da linha, onde pode novamente não ser absorvido se houver uma incompatibilidade entre o transmissor e a linha. Isso pode causar overshoot e ringing, o que leva a uma integridade de sinal ruim e dando origem a erros de sinal. Para superar esse problema, é necessário combinar a linha de transmissão com os drivers ou transmissores de linha e os receptores de linha. Muitas saídas de drivers e receptores têm impedâncias de entrada e saída adequadas. Onde isso não for possível, digamos, entre a linha de transmissão e o receptor, é possível colocar um resistor no solo. Desta forma, a combinação paralela do receptor da linha e do resistor pode ser igual à impedância da linha.

Tendo em vista as altas velocidades envolvidas e o comprimento de algumas linhas, a capacidade do drive dos drivers precisa ser maior do que alguns chips "somente lógicos" e drivers de linha especiais devem ser usados. Eles serão capazes de fornecer a corrente necessária para conduzir adequadamente as linhas.

Em algumas aplicações, pode ser possível adicionar diodos de fixação para reduzir o nível de overshoot e undershoot e, desta forma, manter os níveis de integridade do sinal. No entanto, sempre que possível, é muito melhor garantir que a correspondência adequada seja alcançada.

Efeitos de comutação simultâneos

Um efeito que pode interromper a integridade do sinal em uma placa de circuito ocorre quando várias linhas de saída são comutadas simultaneamente. Como a carga armazenada nas saídas precisa ser descarregada, isso dá origem a altos níveis de correntes transitórias. Embora os níveis de transientes sejam normalmente adequados para mudanças de saídas únicas, se várias linhas forem comutadas simultaneamente, especialmente no mesmo chip, as correntes de transientes são maiores e isso pode dar origem a problemas. Problemas com a integridade do sinal surgem porque uma tensão surge entre o aterramento do dispositivo e o aterramento da placa. Se o aterramento do chip aumentar o suficiente, isso pode fazer com que os níveis de comutação do sinal sejam excedidos, causando assim a ocorrência de comutação espúria.

Para contornar esse problema, várias medidas podem ser incorporadas. Uma é garantir que a comutação simultânea não ocorra, mas isso nem sempre é possível, especialmente quando os circuitos são operados de forma síncrona. Um bom aterramento é essencial: um plano de aterramento deve ser usado para garantir um retorno de aterramento de baixa resistência. Além disso, o desacoplamento suficiente diretamente no chip pode ajudar com alguns dos efeitos relacionados.

Crosstalk

Este aspecto da integridade do sinal surge do fato de que os sinais que aparecem em uma linha aparecem em linhas próximas. Isso pode resultar em picos espúrios e outros sinais aparecendo nas linhas próximas. Isso pode causar o aparecimento de dados ou pulsos de clock errados, o que pode ser muito difícil de rastrear em algumas circunstâncias. Fraca integridade de sinal de crosstalk surge de duas causas, nomeadamente indutância mútua e capacitância mútua.

A indutância mútua é o efeito que é usado em transformadores. Ela surge do fato de que uma corrente em uma trilha cria um campo magnético. Mudanças neste campo induzem então uma corrente em uma trilha próxima.

O capacitivo mútuo ocorre como resultado do acoplamento dos campos elétricos entre duas trilhas. Uma voltagem aparecendo em uma trilha cria um campo elétrico que pode se acoplar a uma segunda linha. Alterar as tensões, especialmente as bordas rápidas, pode resultar no aparecimento de bordas semelhantes nas linhas próximas.

Existem várias técnicas que podem ser usadas para superar esses efeitos. Como a integridade do sinal ruim da diafonia surge da indutância e capacitância mútua, as soluções envolvem tomar medidas para reduzi-las. Isso pode ser feito de várias maneiras, organizando o layout de acordo. O roteamento deve evitar linhas paralelas umas às outras. Se as linhas tiverem que se cruzar, isso deve ser feito em ângulos retos e usando camadas o mais afastadas possível. O espaçamento entre linhas deve ser o mais largo possível e, para reduzir a capacitância mútua, as linhas devem ser o mais finas possível. Finalmente, onde linhas de transmissão são usadas, elas devem estar o mais próximo possível do plano do solo. Isso reduzirá o acoplamento a outras linhas próximas.

Outras ideias

Existem várias outras idéias que podem ser implementadas para ajudar a manter bons níveis de integridade do sinal. Uma área à qual deve ser dada atenção especial é o circuito de clock. Como ele gera um pulso de clock regular, isso pode criar um ruído de fundo se as medidas de integridade do sinal não forem incorporadas. Consequentemente, é necessário garantir que as medidas para reduzir a diafonia nas linhas do relógio sejam implementadas. Em particular, as linhas de sinal devem ser mantidas afastadas das linhas do relógio e não devem ser roteadas uma embaixo da outra. Se isso for necessário, o solo ou plano de terra deve estar entre eles. Para garantir a integridade do sinal, também é necessário garantir que as linhas estejam bem combinadas para que o toque seja evitado. Isso pode adicionar picos adicionais que podem ser transmitidos ao redor do circuito.

Outro método para melhorar a integridade do sinal é garantir que todos os chips estejam adequadamente desacoplados. O desacoplamento ruim aumentará o ruído presente nos circuitos e isso pode afetar a integridade do sinal. Cada chip deve ser desacoplado de acordo com as diretrizes do fabricante. Os capacitores de desacoplamento também devem ser colocados o mais próximo possível dos chips.

A engenharia da integridade do sinal agora é uma parte integrante e essencial do processo de design da placa de circuito impresso. Com as altas velocidades empregadas em muitos dos circuitos atuais, não é mais possível projetar o circuito básico isolado do PCB. Em vez disso, o projeto do PCB deve fazer parte do projeto elétrico geral. Quando esta abordagem é adotada, a possibilidade de problemas decorrentes da integridade do sinal insuficiente será minimizada.


Assista o vídeo: As dificuldades de se fazer pcb com caneta.. (Julho 2022).


Comentários:

  1. Gardall

    A little disappointed with your gems, you only see the tip of the iceberg as usual, dig deeper

  2. Mackaillyn

    Eu recomendo pesquisar no google.com

  3. Gardamuro

    Por que assim? Eu duvido como podemos cobrir este tópico.

  4. Felkree

    Eu parabenizo sua ideia simplesmente excelente



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