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Introduzione
Questo articolo ti informerà sulle principali strategie che possono essere utilizzate per migliorare le prestazioni del PCB e ridurre al minimo i problemi di segnale. Sono inclusi consigli comuni per il layout, regole per percorsi e piani di segnale e concetti per migliorare l'integrità del segnale. Indipendentemente dal tipo di layout che stai sviluppando, come circuiti ad alta velocità o schede complesse, questi suggerimenti miglioreranno i tuoi output. Immergiamoci!
Cos'è l'integrità del segnale?
La definizione di integrità del segnale, in pratica, significa la qualità e l'affidabilità dei segnali elettrici in un particolare PCB. Aiuta a trasmettere dati senza alcuna interferenza o perdita come risultato di rumore o altri fattori. L'integrità del segnale è quindi dannosa per la trasmissione/commutazione del segnale, il degrado del segnale e il guasto di apparati elettrici/meccanici.
Quando dovresti preoccuparti dell'integrità del segnale?
Quando si tratta di circuiti ad alta velocità, o anche circuiti complessi, che stanno diventando sempre più popolari al giorno d'oggi, bisogna sempre prestare attenzione all'integrità del segnale. Si possono osservare problemi nei progetti ad alta frequenza o quando le sue tracce vengono estese. È meno costoso garantire segnali di buona qualità del segnale nelle fasi iniziali che farlo nelle fasi successive.
Come influisce sulla progettazione?
L'integrità del segnale a sua volta ha un impatto sulle prestazioni totali del sistema. Alcune delle cattive decisioni di progettazione che probabilmente aggiungono rumore, perdita di segnale o interferenza includono: routing di traccia non corretto, impedenza non corrispondente. Ad esempio, le reti di comunicazione dati possono essere interessate e sviluppare un problema di corruzione dei dati a causa di un PCB mal instradato.
Fondamenti dell'integrità del segnale di cui dovresti essere a conoscenza
L'integrità del segnale gioca un ruolo importante nei segnali elettrici in un PCB e ne garantisce la precisione. Alcuni dei problemi che influenzano la qualità del segnale sono EMI, diafonia, rimbalzo di terra, disadattamento di impedenza e layout del PCB. Familiarizzare con questi fondamenti ti fa sviluppare circuiti più efficienti. I seguenti fattori che dovresti considerare:
Interferenza elettromagnetica (EMI)
EMI si verifica quando segnali elettromagnetici esterni interferiscono con il funzionamento dei PCB. Questa interferenza può provenire da parti vicine del circuito o da fonti come linee elettriche. Riduzione degli effetti delle EMI Una schermatura e una messa a terra adeguate dei circuiti possono aiutare a ridurre gli effetti delle EMI. Ad esempio, l'uso di piani di terra consente di schermare tracce delicate dalle interferenze. La minimizzazione delle EMI porta al miglioramento dei segnali e delle prestazioni complessive di qualsiasi sistema coinvolto.
Diafonia o accoppiamento elettromagnetico involontario
Quando i segnali su una particolare traccia PCB interferiscono con altre tracce vicine, questo viene definito diafonia. Tale accoppiamento è accidentale, quindi porta a interferenze e a una diminuzione della qualità del segnale. Gli effetti di commutazione rapida, che si verificano in progetti ad alta velocità, possono causare diafonia che corrompe i dati. Alcuni dei modi in cui è possibile evitare la diafonia includono fornire uno spazio maggiore tra le tracce o utilizzare coppie differenziali. È possibile gestire il layout della traccia ed evitare che diventi un problema enorme.
Rimbalzo a terra o rumore di commutazione simultanea
Rimbalzo a terra si verifica quando più di un segnale cambia in questo punto e provoca un'oscillazione nel terreno. Ciò influisce sulla potenza del segnale e sulla fase, causando quindi problemi di sincronizzazione. Un altro effetto del fenomeno transitorio è il rimbalzo di terra, che di solito si verifica nei circuiti ad alta velocità di commutazione. Il rimbalzo di terra può essere ridotto al minimo con l'aiuto di condensatori di disaccoppiamento e un'immagine di messa a terra adeguata. Ecco perché i piani di terra stabili sono importanti per evitare problemi con l'integrità del segnale.
Errore di impedenza
La discrepanza di impedenza può essere definita come la differenza tra l'impedenza del percorso del segnale e il carico in cui si verificano le riflessioni del segnale. Questa riflessione può quindi avere l'effetto di degradare la qualità del segnale nei progetti ad alta velocità. La quantità di perdita è mantenuta minima quando l'impedenza della traccia è adattata al carico. Ad esempio, l'utilizzo di tracce a impedenza controllata elimina i problemi di trasmissione dei dati. Si ottiene una maggiore precisione del segnale quando l'impedenza è resa coerente.
Configurazioni degli strati del PCB e posizionamento dei componenti
Diversi problemi possono influenzare l'integrità del segnale: è ovvio che una configurazione appropriata degli strati di un PCB e il posizionamento dei costituenti sono due condizioni essenziali per l'integrità del segnale. Utilizzando alta frequenza componenti quindi migliora la trasmissione del segnale poiché le distanze sono notevolmente ridotte poiché i componenti ad alta frequenza sono raggruppati strettamente. Si suggerisce di utilizzare piani di massa su altri strati per ridurre rumore ed EMI. Posizionare le tracce sensibili lontano dai cavi di trasmissione di energia elettrica. Si è scoperto che un buon layout forniva migliori prestazioni e affidabilità del segnale.
Instradamento e piani di tracciamento dell'integrità del segnale
Il routing delle tracce ha una connessione diretta con l'integrità del segnale. Mantenere le tracce corte e non fare curve strette per non distorcere troppo il segnale. Si suggerisce l'implementazione di piani di segnale speciali per l'esecuzione delle tracce importanti per moderare gli attacchi di rumore. L'uso di piani di alimentazione e di massa assicura che il percorso di ritorno sia conciso in modo che vi sia una maggiore integrità del percorso di ritorno. Uno dei fattori importanti nelle progettazioni ad alta velocità è la larghezza e la spaziatura delle tracce.
Come migliorare l'integrità del segnale?
Migliorare l'integrità del segnale aiuta con le prestazioni complessive del tuo dispositivo. Ecco alcuni esempi su come migliorare l'integrità del segnale.
Definizione di impilare
Lo stack-up del PCB è l'organizzazione degli strati all'interno della scheda, e questo ha un effetto significativo sull'integrità del segnale. Un buon stack-up comprende rispettivamente lo strato del segnale, il piano di alimentazione e la terra, per garantire che i segnali siano protetti da rumore ed EMI. I piani di terra possono migliorare la reiezione del rumore e ridurre al minimo la diafonia installando strati di segnale tra di loro. Nei progetti ad alta velocità, è opportuno mantenere uno stack-up particolare per controllare adeguatamente l'integrità del segnale. Inoltre, i materiali dielettrici dovrebbero avere proprietà elettriche stabili così come le strutture capacitive nel campo. Ciò chiarisce il segnale e migliora l'affidabilità del sistema se c'è una corretta pianificazione dello stack-up.
Controllo dell'impedenza
Un altro tipo è noto come controllo di impedenza, che viene utilizzato per mantenere l'integrità del segnale poiché il percorso deve avere un'impedenza costante. Se l'impedenza cambia, i segnali vengono riflessi indietro, il che rovina la trasmissione dei dati e ne perde anche alcuni. Ottieni un'impedenza controllata a piccole variazioni nella larghezza della traccia, nella separazione delle tracce e spessore di rame. Si raccomanda di prevedere le caratteristiche di impedenza prima dell'inizio della produzione; è possibile utilizzare strumenti di simulazione per questo. Un'impedenza bassa e costante riduce la degradazione del segnale, offrendo così prestazioni affidabili in progetti ad alta velocità. Si dovrebbe, quindi, assicurarsi che l'impedenza venga controllata di tanto in tanto in modo che tali problemi non si verifichino. Questo perché l'impedenza influisce sulla qualità del segnale e, pertanto, deve essere bilanciata per garantire un'elevata qualità del segnale.
Considerazioni sui PCB durante la progettazione dei circuiti
Quando si decide la disposizione di un PCB, ci sono alcuni fattori che influenzano SI; Per quanto riguarda la gestione di tracce, via e altri componenti, è fondamentale affermare che devono essere gestiti nel modo più efficiente possibile. Anche la costruzione del PCB e la selezione dei materiali laminati hanno una funzione speciale. Progettare questi elementi in modo efficace comporta la conservazione della qualità del segnale, in tutto il circuito.
Componenti PCB (Modi, Tracce e Altri)
Le tracce sono le tracce che hanno caratteristiche di percorsi di trasporto del segnale sul PCB. Ciò determina la larghezza e la spaziatura per illuminare l'impatto dell'impedenza sull'integrità del segnale. Le vie, che vengono utilizzate per collegare i diversi strati, sono una potenziale fonte di induttanza e capacità, riducendo così la qualità del segnale. Infine, l'uso del conteggio delle vie dovrebbe essere ridotto al minimo e dovrebbe essere utilizzata la larghezza corretta della traccia per ottenere una migliore integrità del segnale. Altri elementi, come resistenze oltre ai condensatori, influenzano anche i percorsi del segnale. Tuttavia, questi elementi devono essere ben progettati e posizionati per garantire che non vi sia alcuna degenerazione del segnale.
Costruzione di circuiti stampati
La costruzione del PCB è un processo in cui vengono posizionati materiali e componenti diversi dalla costruzione finale della scheda. Ci sono strato di segnale, strato di terra e strato di potenza, e diversi strati impilati correttamente; ognuno è importante per ridurre il rumore e l'interferenza. Scegli materiali laminati di alta qualità con proprietà dielettriche stabili per migliorare la qualità del segnale. Assicurati che la costruzione non sia allineata in modo errato in alcun modo o che gli strati nella costruzione siano divisi in reazione a qualcosa. La costruzione di apparecchiature di trasmissione del segnale efficaci è importante per supportare una trasmissione del segnale affidabile e le prestazioni generali dei circuiti.
Selezione del laminato PCB
Decidere il tipo giusto di laminato PCB è molto importante per l'integrità del segnale. I materiali laminati sono correlati alla costante dielettrica, alla tangente di perdita e ad altre forme di caratteristiche delle proprietà elettriche della scheda. Alcuni laminati hanno un'elevata perdita, il che significa che i segnali saranno attenuati e l'integrità del segnale sarà compromessa: i laminati ad alta perdita dovrebbero, pertanto, essere evitati. Pertanto, si può affermare che i laminati ad alte prestazioni potrebbero essere più efficaci per i progetti ad alta frequenza. Deve inoltre esserci un'ottima chiarezza del segnale per il laminato utilizzato per soddisfare i requisiti della tua particolare applicazione.
Significato dell'impedenza e del routing per l'integrità del segnale
Controllo e traccia dell'impedenza instradamento sono solitamente i due aspetti quando si tratta di progettazione dell'integrità del segnale. L'impedenza costante riduce al minimo le riflessioni e le perdite del segnale, facilitando così la trasmissione dei dati. L'approccio corretto del routing della traccia limita anche l'interferenza e la diafonia, aumentando così la qualità del segnale. Utilizzare strumenti di simulazione per prevedere e convalidare i valori di impedenza. Progettare con enfasi sulla corretta larghezza della traccia, spaziatura e stratificazione per ottenere le prestazioni ottimali.
Instradamento delle tracce del circuito stampato e piani di riferimento
Il routing delle tracce è il processo di definizione dei percorsi del segnale sul PCB. Un buon routing del segnale impedisce l'interazione del segnale e la diafonia poiché la traccia del segnale di un circuito è tenuta lontana dal generatore di rumore. Utilizzare piani comuni come i piani di massa o di alimentazione in modo che il percorso di ritorno sia sempre ben definito. La posizione corretta dei piani di riferimento riduce l'interferenza elettromagnetica e aumenta l'integrità del segnale. Le tracce devono essere brevi e dirette in caso di molti percorsi del segnale, i segnali potrebbero perdersi. Autoesplicativo perché afferma di controllare e modificare il routing di tanto in tanto in base al suo livello di efficienza. L'ottimizzazione del routing delle tracce e l'uso del piano di riferimento da parte degli sviluppatori determinano una maggiore affidabilità del circuito.
Quale ruolo gioca il layout del PCB nell'integrità del segnale?
I principali ruoli del layout del PCB nell'integrità del segnale che dovremmo considerare:
Considerazioni di progettazione per migliorare SI nelle tracce PCB
Per tenere in considerazione l'integrità del segnale nelle tracce del PCB, utilizzare le seguenti linee guida: ridurre al minimo la lunghezza delle tracce ed evitare angoli o spigoli vivi. Per avere il controllo sull'impedenza, è importante mantenere costanti le larghezze e gli spazi delle tracce. Proteggere le tracce dal rumore e dalle interferenze mediante l'uso dei piani di massa e degli strati di segnale. È necessario utilizzare una metodologia di routing delle tracce adeguata per ridurre al minimo gli effetti di diafonia e perdita di segnale. Utilizzare circuiti di adattamento di impedenza e impiegare tecniche di terminazione ogni volta che è possibile. Ciò significa anche simularli e testarli regolarmente per rilevare eventuali problemi durante la fase di sviluppo. Queste considerazioni assicurano che le prestazioni del segnale siano forti e molto affidabili.
Come gestire le fonti di rumore per migliorare l'integrità del segnale
È quindi evidente che il controllo del rumore è un aspetto molto importante per mantenere al meglio l'integrità del segnale. Ridurre la generazione di rumore escludendo qualsiasi fonte di rumore, ad esempio i componenti di commutazione o le interferenze esterne. Metodi di schermatura e una corretta messa a terra possono essere utilizzati per filtrare segnali diversi e proteggerli dalle interferenze. Disporre correttamente le tracce sensibili al rumore per evitare aree con alta corrente o alta frequenza. Ottenere le strategie di filtraggio e disaccoppiamento per migliorare il alimentatori. È fondamentale adattare il layout per ridurre i livelli di rumore, e questo dovrebbe essere fatto su base continua. In questo modo, si prevengono le interferenze da vari segnali, migliorando così i segnali di uscita e il funzionamento complessivo del circuito.
Strumenti di layout per i progettisti per mantenere l'integrità del segnale
Gli strumenti di layout svolgono un ruolo fondamentale nell'integrità del segnale. Prima di essere incorporati nel prodotto. L'impiego di questi strumenti può portare a un percorso di routing efficace e a prestazioni migliorate dei circuiti.
Progettista Altium
I dati di controllo delle regole di progettazione in tempo reale e di analisi dell'integrità del segnale, insieme ad altre funzionalità avanzate, sono forniti in Altium Progettista. Tra le sue caratteristiche rientrano, tra le altre, la funzione di controllo dell'impedenza, la funzione di simulazione della diafonia della linea di trasmissione e la funzione di analisi della riflessione del segnale. Queste capacità aiutano a garantire che il tuo Disegni PCB hanno segnali puliti e ad alte prestazioni e sono perfetti per l'uso in progetti complessi ad alta velocità, evitando così i problemi che potrebbero sorgere durante la produzione.
Cadenza Allegro
Cadence Allegro offre una soluzione efficace per l'esecuzione di analisi del segnale e pianificazione dell'impedenza. Include il controllo delle regole in tempo reale e l'analisi di diafonia per migliorare il tracciamento del routing del percorso del segnale e l'attenuazione del segnale. Gli attributi delle funzionalità di Allegro forniscono il vantaggio di prestazioni e affidabilità anche su alcune delle funzioni complesse dei progetti di circuiti stampati e garantiscono la gestione accurata e precisa dei segnali ad alta velocità.
Mentor Graphics PAD
Per quanto riguarda l'efficacia degli strumenti, Mentor Graphics PADS offre risultati soddisfacenti nella sfera del routing delle tracce e dell'analisi del rumore. Ha incluso l'attrezzatura relativa al controllo dell'impedenza e al controllo delle regole di progettazione in tempo reale per evitare l'off e migliorare le prestazioni on. Innanzitutto, la gestione dell'integrità del segnale risulta efficiente in PADS grazie alla sua versatilità nelle applicazioni ad alta velocità dei PCB.
ANSYS HFSS
È progettato per fornire una simulazione di sistemi elettromagnetici ad alta frequenza e il suo punto di forza principale è la descrizione della risposta del segnale. Aiuta ad anticipare e prevenire questioni come la perdita e la distorsione del segnale attraverso il controllo del routing delle tracce e dello stacking dei livelli. HFSS sta per simulatore di struttura ad alta frequenza, che è molto importante nella progettazione complessa e nei progetti ad alta velocità, specialmente quando i progettisti e gli ingegneri vogliono progettare i loro circuiti o circuiti stampati che non ammorbidiscano il segnale creato o il segnale generato nei circuiti o nei PCB in fase di progettazione.
Spedizione Siemens
Il routing e l'analisi dell'integrità del segnale sono alcuni degli strumenti più avanzati offerti da Siemens Xpedition. Include il controllo dell'impedenza, la gestione del rumore e la convalida delle regole in tempo reale. Xpedition è perfetto per progetti ad alta velocità, promettendo un'integrità del segnale impeccabile e prestazioni PCB stabili grazie al numero di funzionalità che consentono di affrontare sfide difficili nel modo più efficiente.
Best Practice per il mantenimento dell'integrità del segnale
Pertanto, è bene attenersi a misure quali il corretto posizionamento dei PCB, evitare di usare schermi e gestire l'impedenza dei segnali. Migliorano le prestazioni e riducono le incidenze di errori. La sua corretta implementazione per utente e dispositivo facilita un segnale di trasmissione dati affidabile e ad alta velocità.
Ottimizzare il layout del PCB
Una disposizione corretta del PCB riduce anche l'interferenza del segnale e il rumore. Le tracce devono essere mantenute corte e, meglio ancora, isolate dai segnali ad alta velocità per ridurre le possibilità di diafonia. L'accessibilità è inoltre migliorata tramite un orientamento ottimale degli elementi, mentre il segnale, di norma, rimane chiaro.
Utilizzare schermatura e piani di massa
L'EMI è ridotta al minimo utilizzando schermature e piani di massa, mentre la stabilità dei percorsi di ritorno è anche migliorata. Protegge altri segnali importanti da interferenze provenienti da altre fonti. Un'implementazione efficace migliora la produttività dell'integrità del segnale nelle schede di circuito e nella funzionalità generale del circuito.
Impedenza di controllo
Il controllo dell'impedenza riduce al minimo le riflessioni e le perdite che sono caratteristiche della trasmissione del segnale. Ciò a sua volta significa che quando le varie tracce devono trasmettere un segnale in un dato percorso, la loro impedenza deve essere assolutamente coerente. Ridurre al minimo qualsiasi variazione di impedenza è la chiave per evitare distorsioni nei progetti ad alta velocità per ottenere le migliori prestazioni.
Segnalazione differenziale
Segnalazione differenziale trasmette segnali usando due linee complementari che assicurano che il rumore influenzi entrambe le linee allo stesso modo e quindi qualsiasi dato estratto avrà un impatto minore del rumore. Riduce la vulnerabilità al rumore e migliora la qualità del segnale, che è molto cruciale nei progetti ad alta velocità. Questo metodo è davvero utile per ridurre qualsiasi forma di interferenza e, allo stesso tempo, aumentare le prestazioni.
Vantaggi del miglioramento dell'integrità del segnale
Quando l'integrità del segnale migliora, l'efficienza operativa del PCB aumenta per trasmettere dati a velocità più rapide e precise. Aumenta anche l'affidabilità a lungo termine e riduce i guasti. A lungo termine, una migliore integrità del segnale contribuisce a progetti convenienti e, a sua volta, a una migliore e migliorata qualità del prodotto.
Prestazioni PCB migliorate
Il miglioramento dell'integrità del segnale ha ovviamente un impatto sul miglioramento delle prestazioni del PCB. Le icone hanno dimostrato di essere un modo per evitare errori di dati e interruzioni di comunicazione. Quando l'integrità del segnale viene gestita correttamente, le modifiche dei dati vengono eseguite in modo più rapido e accurato. Ciò migliora l'uscita complessiva della tensione di alimentazione del circuito, che, in un certo senso, ottimizza l'intero circuito. Ciò porta a un'elevata qualità e affidabilità l'industria elettronica viene prodotto in linea con le specifiche tecnologiche del mercato.
Affidabilità a lungo termine
Per chi non lo sapesse, l'integrità del segnale è fondamentale per l'affidabilità del tuo PCB a lungo termine. La degradazione del segnale è il nemico del lungo termine e quindi più ci si avvicina all'ideale, meglio è. L'integrità è un aspetto importante in un'organizzazione poiché aiuta a controllare gli slittamenti causati dai cambiamenti nell'ambiente. Ciò fa sì che i prodotti abbiano una vita più lunga rispetto a quando vengono riparati frequentemente, il che è costoso. Un buon design porta anche alla soddisfazione del cliente e alla fiducia del cliente nei prodotti e nei servizi.
Design conveniente
La riduzione del rumore e delle interferenze migliora l'economicità delle schede a circuito stampato. I problemi di segnale durante il controllo del design contribuiscono a riprogettazioni e correzioni post-produzione che vengono evitate quando si minimizzano i segnali. I nuovi design efficienti di Filed minimizzano consumo di materiale così come le spese di produzione riducendo il routing e il layout delle tracce. Ciò porta anche alla riduzione del numero di test condotti. L'integrazione precoce dell'integrità del segnale è in realtà un modo efficace per tagliare i costi a lungo termine.
Conclusione
Pertanto, è importante garantire che l'integrità del segnale sia ben gestita per migliorare la capacità del PCB di funzionare in modo ottimale e duraturo. Il raggiungimento di un layout appropriato, la gestione dell'impedenza e la riduzione del rumore sono note come buone pratiche. La progettazione con l'ausilio di strumenti avanzati contribuisce a ottenere risultati migliori.