Wir ĂŒberprĂŒfen weiterhin die Leiterplattenverfolgung. Ich veröffentliche diesen Artikel aus meiner Heimatstadt Sewerodwinsk dank meiner Schullehrer. Das Thema, dem es gewidmet ist, ist grundlegend, und deshalb ist es wichtig, sich damit zu befassen. Hierbei werden Reflexionen in den Signalleitungen berĂŒcksichtigt und wie immer Empfehlungen zur Reduzierung der Signalverzerrung gegeben, einschlieĂlich der Verwendung verschiedener Leitungsanpassungstechniken.
In einem
frĂŒheren Artikel im Zyklus wurde gezeigt, dass das Vorhandensein von Ausschnitten im Pfad des RĂŒckstroms die InduktivitĂ€t der Signalschaltung erhöht, was sich negativ auf den EMR-Pegel der Leiterplatte auswirkt. Ihre negativen Auswirkungen enden jedoch nicht dort (es ist erwĂ€hnenswert, dass es Situationen gibt, in denen die Verwendung von Ausschnitten in der Referenzschicht den EMR-Wert der Leiterplatte verringert, sie jedoch unter dem Gesichtspunkt der Steuerung der RĂŒckströme eine hohe Genauigkeit erfordern und im allgemeinen Fall nicht empfohlen werden können). Ein Ausschnitt Ă€ndert wie andere InhomogenitĂ€ten (Ăbergangsloch, Spurverzweigung, Ănderung der Spurbreite oder des Abstands von der Referenzschicht usw.) den lokalen Wert der Impedanz (englische Momentanimpedanz) der Signalleitung. Jede Ănderung der Impedanz im Verlauf der Signalausbreitung fĂŒhrt zu einer Ănderung ihrer Amplitude und dem Auftreten eines reflektierten Signals, das sich zurĂŒck zur Quelle ausbreitet (Abb. 1).
Die Amplituden der VorwĂ€rts- und RĂŒckwĂ€rtssignale relativ zur Quelle werden nur durch die Werte der Impedanzen Z
1 und Z
2 bei einer gegebenen Frequenz bestimmt:
Ein Minuszeichen vor den Koeffizienten zeigt eine Ănderung der Phase des Signals um 180
° an . Selbst wenn die Signalleitung ĂŒber ihre gesamte LĂ€nge homogen ist (im Folgenden bedeutet die GleichmĂ€Ăigkeit der Leitung die Konstanz der geometrischen Parameter ihres Querschnitts) und ihre Impedanz konstant ist und als charakteristische Impedanz bezeichnet wird, können Reflexionen nicht nur in der Leitung selbst auftreten, sondern auch und an seinen Enden - auf der Quellenseite oder auf der Lastseite. Stellen Sie sich eine einfache Schaltung vor (Abb. 2), bei der die WiderstĂ€nde sowohl der Signalquelle als auch der Last nicht mit der Wellenimpedanz einer homogenen Leitung ĂŒbereinstimmen. In diesem Fall treten Reflexionen in der Linie wiederholt auf, verblassen allmĂ€hlich und fĂŒhren zu einem Interferenzmuster - der Summe der Signale. Das Muster der reflektierten Signale und die Simulationsergebnisse in LTSpice fĂŒr ein schrittweises Impulssignal mit einer Amplitude von 1,2 V und einer Vorderflanke von 1 ns sind ebenfalls in der Abbildung dargestellt.
Es ist zu beachten, dass die Spannung am Eingang der Signalleitung wÀhrend der Laufzeit des Signals (bis zur ersten Reflexion) nicht gleich der Spannung der Signalquelle V
S ist und ihr durch den Koeffizienten des Widerstandsteilers zugeordnet ist
Nach mehreren Reflexionen von den Enden der Leitungen tendiert der Wert der Spannung an der Last zur Summe des abnehmenden geometrischen Verlaufs, der der Spannung am Unterarm des Widerstandsteilers entspricht
Da es unter realen Bedingungen unmöglich ist, die Konstanz der Impedanz entlang des Signalausbreitungsweges sicherzustellen, treten immer Reflexionen auf. Die Frage ist, unter welchen Bedingungen sie zu einer merklichen Signalverzerrung fĂŒhren. Wir betrachten noch einmal ein Beispiel der in Fig. 1 gezeigten Schaltung. 2, Festlegen der Werte des Widerstands der Signalquelle, der Last und der Wellenimpedanz der Leitung. Daher bleiben auch die Amplituden der in der Summe enthaltenen Störsignale erhalten. ZusĂ€tzlich zu den Amplituden der Signale A
i hÀngt
der Wert der Summe jedoch von ihren Zeitverschiebungen Ï
i ab :
Dabei ist TD die Laufzeit des Signals in der Leitung oder die Zeitverzögerung der Leitung (englische Ăbertragungsleitungsverzögerung). Dieser Wert wird durch die LĂ€nge L der Signalleitung und die Ausbreitungsgeschwindigkeit v des Signals in der Leitung TD = L / v bestimmt. Wir werden die Zeitverzögerung der Leitung verringern - wĂ€hrend die Dauer der "Regale", wenn der Signalwert konstant ist, ebenfalls abnimmt. Und wenn das reflektierte i + 1-Signal unmittelbar nach Erreichen des Amplitudenwerts des i-Signals zur Last kommt, verschwinden die Regale. Da das Signal seinen Amplitudenwert in einer Zeit erreicht, die der Dauer der Front t
R entspricht , sollte Folgendes getan werden:
Eine weitere Verringerung der Zeitverzögerung fĂŒhrt dazu, dass die Amplitudenwerte der Welligkeit (englisches Klingeln) nicht erreicht werden. Im Grenzfall der unendlich kurzen Leitung TD â 0 fehlt der SchwingungsĂŒbergang. Daher die Schlussfolgerung ĂŒber die Notwendigkeit, die LeitungslĂ€nge fĂŒr kritische Signale zu minimieren, die bereits in einem
frĂŒheren Artikel im Zusammenhang mit einer Verringerung der InduktivitĂ€t erwĂ€hnt wurde. NatĂŒrlich haben reale Signalleitungen auf einer Leiterplatte eine endliche LĂ€nge, so dass die Bedingung TD << t
R ein mathematisches Kriterium fĂŒr eine kleine Welligkeit ist.
R.1.
Eine praktische Bedingung fĂŒr kleine Verzerrungen eines Impulssignals mit einer Frontdauer tR in einer Signalleitung mit einer Zeitverzögerung TD ist TD <1/5 R. t R. Um die LĂ€nge der Signalleitung abzuschĂ€tzen, können wir v â 15 cm / ns (fĂŒr FR4) nehmen, dann kann die Bedingung als L [cm] <3 â t R [ns] umgeschrieben werden.
Es ist wichtig zu verstehen, dass der akzeptable Grad der Verzerrung entweder vom Konstrukteur der Leiterplatte bestimmt oder dieser Parameter als einschrÀnkend angegeben werden sollte. ZusÀtzlich hÀngt die Amplitude der Welligkeit nicht nur von der Beziehung zwischen t
R und TD ab, sondern auch vom Grad der Linienfehlanpassung. In der gegebenen Empfehlung werden kleine Verzerrungen als Pulsationen verstanden, deren Amplitude etwa ± 10% nicht ĂŒberschreitet. Wenn die Bedingung t
R > 5 â TD nicht erfĂŒllt ist oder wenn die Pulsationsanforderung strenger ist, gibt es drei Möglichkeiten, die ResonanzphĂ€nomene in der Leitung zu reduzieren:
- Abnahme der TD (hauptsÀchlich aufgrund der Abnahme der LeitungslÀnge),
- Zunahme von t R (Abnahme der Signalschaltgeschwindigkeit),
- Leitungskoordination (englische Terminierung).
Ziel aller Linienanpassungsmethoden (Tabelle 1) ist es, sicherzustellen, dass an einem oder beiden Enden keine Reflexionen auftreten. Keine der Methoden ist ideal - jede hat ihre Vor- und Nachteile, wĂ€hrend absolut alle Methoden zu zusĂ€tzlichen Energieverlusten fĂŒhren. Daher wird nicht empfohlen, auf die Leitungsanpassung zurĂŒckzugreifen, bevor die minimal mögliche LeitungslĂ€nge und Signalschaltgeschwindigkeit angegeben sind.
Tabelle 1. Methoden zur Anpassung der Signalleitung.
| Titel und Schema | Verlustrate | Kommentare |
|---|
 | niedrig |  |
 | hoch |  |
 | Durchschnitt |  |
 | Durchschnitt |  |
Anmerkungen:
(1) In einer Parallelschaltung kann eine Verbindung sowohl zu einem gemeinsamen Draht als auch zur Stromversorgung verwendet werden.
(2) Mit OptimalitÀt ist ein Kriterium zur Minimierung von Energieverlusten gemeint.
In dem Fall, in dem die Signalleitung die Signalquelle mit einer einzelnen Last (Punkt-zu-Punkt) verbindet, kann sowohl die Impedanzanpassung auf der Quellenseite als auch auf der Lastseite verwendet werden. Wenn sich auf der Signalleitung mehrere Lasten befinden (englische Mehrfachlast), wird empfohlen, die Last auf der Lastseite anzuwenden. Beispiele fĂŒr solche Schemata, bei denen das Fehlen von Signalverzerrungen immer kritisch ist, sind hĂ€ufig eine verteilte Taktschaltung, ein Mehrpunktdatenbus, die Organisation eines externen Speichers mit mehreren Mikroschaltungen usw. In der englischsprachigen Literatur werden kurze (englische Stichleitung) und lange (englische Verzweigung) Signalleitungszweige unterschieden . Der Vorteil von kurzen Zweigen besteht darin, dass sie am Ende möglicherweise keine passenden Komponenten haben, ihre LĂ€nge jedoch begrenzt ist.
R.2.
Kurze Verzweigungen von der Signalleitung können inkonsistent sein, aber ihre LĂ€nge sollte minimal sein und den Wert nicht ĂŒberschreiten, bei dem TD STUB 1/5 â t R ist.
Drei Hauptmuster zum Verzweigen der Signalleitung in N Abschnitte sind in Fig. 4 gezeigt. 3. Eine Schaltung mit einem kurzen Abschnitt (das gleiche Kriterium wie fĂŒr eine Verzweigung) vor der Verzweigung fĂŒhrt zu einer erhöhten Belastung der Signalquelle. Wenn der Abschnitt lange vor dem Verzweigen ist, muss die Impedanz der Verzweigungen erhöht werden. Eine Erhöhung des Wellenwiderstands der Signalleitung auf derselben Schicht erfordert eine Verringerung ihrer Breite, was zu einer EinschrĂ€nkung werden kann. Wenn Sie einen Vorwiderstand mit dem Widerstand R = (N - 1) â Z
0 verwenden , bildet er einen Spannungsteiler - und die Signalamplitude an der Last nimmt ab. V
LOAD = 1 / N â V
IN . Offensichtlich ist jedes der Schemata nicht ohne Nachteile (zusÀtzlich zur Erhöhung der Anzahl der verwendeten Komponenten), daher wird empfohlen, die Topologie mit Verzweigung (Sterntopologie) nur zu verwenden, wenn eine Topologie mit einer Hauptsignalleitung und kurzen Verzweigungen davon verwendet wird (dt. Daizy-Chain-Topologie) ist nicht möglich.
Zusammenfassend ist anzumerken, dass die Wahl des Signalleitungsanpassungsverfahrens eng mit der Schaltung der Leiterplatte zusammenhĂ€ngt. Wenn der Entwickler also nur fĂŒr die Topologie der Leiterplatte verantwortlich ist, sollte die Entscheidung zusammen mit dem Schaltungsingenieur mithilfe der Signalleitungsmodellierung (SPICE oder spezielle Software) getroffen werden. Die Frage nach der Notwendigkeit, die Leitung zu koordinieren, wird jedoch immer vom Konstrukteur der Leiterplatte gestellt, wenn es nicht möglich ist, das erforderliche MaĂ an Verzerrung auf andere Weise bereitzustellen.
Der Artikel wurde erstmals in der Zeitschrift Components and Technologies 2018, Nr. 3 veröffentlicht. Die Veröffentlichung auf Habr wurde mit den Herausgebern der Zeitschrift vereinbart.