Yksinkertaisesti sanottuna, kun digitaalisen signaalin nousu-/lasku-aika on riittävän lyhyt, jotta piirilevyn johtojen fysikaaliset ominaisuudet – kuten impedanssi, viive ja loistevaikutukset – alkavat vaikuttaa merkittävästi signaalin laatuun, piirilevy kuuluu nopeiden piirilevyjen luokkaan.
Nopeiden piirilevyjen merkitys
Nykypäivän nopeassa digitaaliaikakaudessa, älypuhelimista datakeskusten palvelimiin, laitteiden suorituskyvyn pullonkaulat riippuvat yhä enemmän niiden sisäisten piirilevyjen kyvystä siirtää ja käsitellä nopeita signaaleja.On tärkeää huomata, että ”nopeus” ei määritellä pelkästään tietyn taajuusarvon perusteella, vaan se liittyy läheisesti signaalin reunojen muutosnopeuteen ja siirtoreitin pituuteen. Siksi nopeiden piirilevyjen suunnittelun ydintavoite on siirtynyt perinteisestä ”sähköisen liitettävyyden” varmistamisesta tärkeämpään tehtävään, eli ”signaalin eheyden” ylläpitämiseen.
Mitä on nopea piirilevyn suunnittelu?
Nopeiden piirilevyjen suunnittelu on systemaattinen tekninen lähestymistapa, joka keskittyy signaalien siirron aikana mahdollisesti ilmenevien erilaisten ongelmien analysointiin ja hallintaan.Matalataajuisissa piireissä johtimet voidaan lähestyä ihanteellisina ”lyhyinä linjoina”, joissa signaalit siirtyvät lähes välittömästi. Nopeissa tilanteissa piirilevyjen johtimet eivät kuitenkaan ole enää pelkästään yksinkertaisia sähköliitäntöjä, vaan ne on mallinnettava ja analysoitava siirtolinjoina. Jos siirtolinjojen ominaisimpedanssi ei ole sopiva, se voi aiheuttaa signaalin heijastumia, rengastumista tai yliohjausilmiöitä, jotka johtavat datavirheisiin tai jopa järjestelmän vikoihin.
Siksi nopeiden piirilevyjen suunnittelussa ei riitä pelkkä ”oikeiden pisteiden yhdistäminen”. Suunnittelun alkuvaiheessa on otettava huomioon monia tekijöitä, kuten sähkömagneettisten kenttien vaikutukset, impedanssin hallinta, ylikuuluminen, ajoitus ja tehon eheys. Näin varmistetaan signaalin laatu koko siirtoprosessin ajan lähettimestä vastaanottimeen.
10 käytännön vinkkiä nopeiden piirilevyjen suunnitteluun
Varhainen yhteistyö valmistajien kanssa
Ota yhteyttä nopeaan piirilevyjen valmistajaan (kuten TOPFAST) alkuperäisen layout-suunnitteluvaiheen aikana keskustellakseen pinnoitus ehdotuksista ja impedanssin hallintamahdollisuuksista varmistaakseen, että suunnittelu on prosessivaatimusten mukainen.
Määritä selkeä pinoamisstrategia
Varaa pinossa tietyt tasot virta-, maadoitus- ja kriittisten signaalikerrosten käyttöön, jotta impedanssi on vakaa ja melun eristys tehokas.
Simulointipohjainen suunnittelu
Suorita sekä ennen layoutia että sen jälkeen signaalin eheyden (SI) ja tehon eheyden (PI) simulointeja, jotta mahdolliset ongelmat voidaan tunnistaa ja lieventää ennakoivasti.
Impedanssilaskelmien tiukka noudattaminen
Laske tarkasti ja saavuta kohdeimpedanssin edellyttämä johtimen leveys ja väli tiukasti valmistajan toimittamien materiaaliparametrien (esim. dielektrisen paksuuden, Dk) perusteella.
Varmista keskeytymättömät vertailutasot
Nopeiden kriittisten signaalijohdojen alla on oltava kiinteä vertailutaso (maa tai virta); vältä vertailutason jakautumien ylittämistä, jotta paluureitti pysyy vapaana.
Optimoi differentiaaliparien reititys
Säilytä differentiaaliparien leveys, väli ja yhdensuuntaisuus tasaisina ja valvo tarkasti parien sisäistä pituuden vastaavuutta, jotta varmistat häiriönsietoisuuden ja signaalin laadun.
Sijoita irrotuskondensaattorit lähelle nastoja
Sijoita irrotuskondensaattorit mahdollisimman lähelle IC-piirien virtapinnit, jotta silmukan induktanssi on mahdollisimman pieni ja korkeataajuinen kohina suodatetaan tehokkaasti.
Vältä jyrkkiä kulmia
Käytä 135 asteen kulmia tai kaariraitoja kaikissa signaalijohdon mutkissa, jotta impedanssin epäjatkuvuudet ja signaalin heijastukset voidaan minimoida.
Hallitse signaalin paluureittejä
Ota aina huomioon ja hallitse nopeiden signaalien paluuvirran reitti varmistaen, että se pysyy matalana impedanssina, mikä on kriittistä signaalin eheyden säilyttämiseksi.
Priorisoi kerrosten välisten siirtymien lähellä olevat maadoitusreiät
Sijoita maadoitusviat signaalivioiden viereen, kun nopeat signaalit vaihtavat kerrosta, jotta saadaan mahdollisimman lyhyt ja jatkuva matalan impedanssin paluureitti.
- Vakaa signaalin paluureitti: Vankka maataso tarjoaa suoran, jatkuvan paluureitin nopeille signaaleille, estäen epäsäännölliset virtasilmukat ja minimoiden EMI:n lähteellä.
- Tehokas melunvaimennus: Erilliset virta- ja maadoituskerrokset suojaavat niiden välissä olevia herkkiä nopeita signaalikerroksia ja estävät ylikuulumisen.
- Hallittu ominaisimpedanssi: Tarkka pinontasuunnittelu mahdollistaa johtojen impedanssin laskennan ja hallinnan, mikä on ratkaisevan tärkeää signaalin heijastusten minimoimiseksi ja mikä ei ole mahdollista kaksipuolisilla levyillä.
- Erinomainen virranjakelu: Vankka virtataso tarjoaa matalan impedanssin reitin puhtaan virran toimittamiseksi siruille, mikä parantaa virran eheyttä ja estää jännitteen vaihteluita.
Nopeiden piirilevyjen reitityskäytännöt
1. Asettelun prioriteettia koskeva periaate
Noudata layout-vaiheessa strategiaa ”ensin kriittiset, sitten yleiset”. Aseta etusijalle nopeiden komponenttien (kuten CPU:t, muisti, SerDes-rajapinnat jne.) sijoittelu ja minimoi niiden väliset liitäntäetäisyydet signaalireitin viiveen ja häviön vähentämiseksi.
2. Impedanssin säätö
Impedanssin hallinta on nopeiden piirilevyjen suunnittelun kulmakivi. Olipa kyseessä sitten jäykät piirilevyt tai nopeat joustavat piirilevyt, on käytettävä tarkkoja simulointilaskelmia ja prosessinohjausta, jotta impedanssi pysyy tasaisena kriittisillä johtimilla ja vältytään impedanssin epäsuhdasta johtuvilta signaalin heijastuksilta.
3. Pituuden sovitus
Rinnakkaisväylissä (esim. DDR) tai differentiaalisignaaleissa on tärkeää, että asianomaisten johtojen pituudet ovat samat, jotta tiukat ajoitusvaatimukset täyttyvät. Yleinen käytäntö on käyttää käärmeenmuotoista reititystä lyhyempien reittien kompensoimiseksi, jotta signaalit saapuvat synkronisesti vastaanottopäähän.
4. 3W-sääntö
Vierekkäisten johtojen välisen ylikuulumisen estämiseksi on suositeltavaa noudattaa ”3W-sääntöä”: vierekkäisten johtojen keskikohdan välisen etäisyyden tulisi olla vähintään kolme kertaa yhden johtimen leveys. Tämä vähentää tehokkaasti sähkökentän kytkentää ja parantaa signaalin eheyttä.
5. Optimoinnin kautta
Viat aiheuttavat loistahtokapasitanssia ja induktanssia, mikä johtaa impedanssin epäjatkuvuuksiin ja heikentää signaalin laatua. Nopeissa suunnitteluissa viat tulisi minimoida. Tarvittaessa optimoi parametrit, kuten reiän koko, padin halkaisija ja anti-pad-rakenne, loistahtovaikutusten hallitsemiseksi.
Nopeiden piirilevyjen suunnittelu – usein kysyttyjä kysymyksiä
K: Mikä määrittelee ”nopean” suunnittelun?
A: Se määräytyy signaalin nousuajan ja jäljen pituuden suhteen perusteella. Jos jäljen pituus ylittää 1/12 signaalin tehollisesta aallonpituudesta (esim. >5 cm 1 ns:n nousuajalla), siirtolinjan vaikutukset tulevat kriittisiksi. Nopeat reunavauhdit ovat tärkeämpiä kuin kellotaajuus.
K: Onko 4-kerroksinen piirilevy käyttökelpoinen nopeaan suunnitteluun?
A: Kyllä. Tavallinen 4-kerroksinen pinnoitus tarjoaa välttämättömät maadoitus-/virtalähteet impedanssin hallintaan ja paluureitteihin. Sopii useimpiin sulautettuihin järjestelmiin (ARM/FPGA), mutta monen gigabitin rajapinnat (PCIe/SATA) vaativat paremman eristyksen saavuttamiseksi useampia kerroksia.
K: Miten differentiaalisignaalit suodattavat kohinaa?
A: Differentiaaliparit lähettävät käänteisiä signaaleja. Molempiin linjoihin kytketty yhteismuodon kohina kumoutuu, kun vastaanotin laskee niiden eron. Niiden vastakkaiset kentät vähentävät myös sähkömagneettista säteilyä.
K: Miksi valmistajat tulisi ottaa mukaan jo varhaisessa vaiheessa?
A: Valmistusmateriaalit (dielektrisyysvakio, kuparin paino) vaikuttavat suoraan impedanssin tarkkuuteen. Varhainen yhteistyö varmistaa, että suunnittelusi on valmistajan valmiuksien mukainen, mikä estää kalliit uudelleensuunnittelut ja viivästykset.
Nopeiden suunnittelujen menestys riippuu viime kädessä tarkasta valmistuksesta. Topfast on ammattimainen nopeiden piirilevyjen valmistaja, jolla on 17 vuoden kokemus. Se varmistaa, että suunnittelusi toteutuu tarkasti fyysisesti vakaalla dielektrisyysvakion hallinnalla ja tiukalla linjan leveyden/välin ja kerrosten välisen kohdistuksen noudattamisella. Tarjoamme myös ammattimaisia impedanssitestiraportteja, joilla tuotteen suorituskyky voidaan luotettavasti vahvistaa.