Durante la progettazione di un circuito stampato, viene posta grande attenzione all'integrità del segnale, ovvero alla qualità dei segnali in un sistema e alla loro efficacia. Una scarsa integrità del segnale può causare errori nei dati, interferenze elettromagnetiche e persino guasti al sistema. Tuttavia, con l'aumentare della velocità e delle dimensioni dei dispositivi, il problema dell'integrità del segnale incontra la massima difficoltà in termini di ottimizzazione. In questo articolo, esploreremo i fattori chiave che influenzano l'integrità del segnale del PCB e forniremo suggerimenti su come migliorarla durante il processo di progettazione. Innanzitutto, dobbiamo capire cosa significa realmente l'integrità del segnale nella progettazione di PCB.
Cos'è l'integrità del segnale nei PCB?
L'integrità del segnale nei circuiti stampati è la qualità dei segnali elettrici trasmessi e ricevuti attraverso la scheda. Include la capacità del segnale di mantenere diverse caratteristiche elettriche, come tensione, tempo e forma d'onda, dalla sorgente alla destinazione. L'integrità del segnale è molto importante in quanto garantisce la corretta trasmissione dei dati e il corretto funzionamento dei circuiti. Questo è fondamentale nella progettazione ad alta velocità e in percorsi, reti o sistemi di segnale di grandi dimensioni, in cui ogni piccolo calo della qualità del segnale influirà sensibilmente sulle prestazioni del sistema.
Fattori chiave che influenzano l'integrità del segnale PCB
- Impedenza di traccia
L'impedenza deve essere costante per tutta la lunghezza della traccia, poiché il segnale può riflettersi e attenuarsi al variare dell'impedenza. Anche altri parametri, come la larghezza e la spaziatura della traccia, devono essere controllati per evitare distorsioni del segnale.
- Crosstalk
La diafonia è una forma di interferenza elettromagnetica in cui i segnali in tracce adiacenti o vicine si accoppiano tra loro, potenzialmente corrompendo i dati. La gravità della diafonia dipende da fattori quali la lunghezza delle tracce parallele, la loro prossimità e il layout generale del PCB.
- Riflessione del segnale
La riflessione si verifica quando l'impedenza della traccia e quella del carico o della sorgente differiscono, distorcendo così il segnale. Tali discrepanze sono comunemente osservate a causa di diverse larghezza della traccia, costante dielettrica o bruschi cambiamenti nel percorso del segnale.
- Interferenza elettromagnetica (EMI)
Il rumore intrusivo è causato anche dalle interferenze elettromagnetiche (EMI) provenienti da fonti esterne che influiscono sui segnali del PCB. I campi elettromagnetici esterni possono accoppiarsi alle tracce del PCB, in particolare in presenza di ampie aree di loop o di schermature inadeguate.
- Power Integrity
Un'alimentazione stabile è essenziale per la qualità del segnale, poiché i segnali e i campi generati possono essere disturbati in caso di variazioni di potenza. Anomalie nell'alimentazione del segnale elettrico possono causare rumore o distorcere i segnali desiderati sulle linee dati ad alta velocità.
- PCB Materiale
La costante dielettrica e tangente di perdita di Materiali PCB influenzano la velocità del segnale e i livelli di attenuazione. Tuttavia, le fluttuazioni nelle proprietà dei materiali rappresentano un problema, soprattutto nelle applicazioni ad alta frequenza.
- Lunghezza della traccia e routing
Quando le tracce delle coppie differenziali e degli altri segnali ad alta velocità hanno la stessa lunghezza, giungono al ricevitore contemporaneamente, riducendo al minimo lo skew. Diverse lunghezze delle tracce e angoli acuti possono causare difficoltà di riflessione e degradazione del segnale.
Suggerimenti di progettazione per migliorare l'integrità del segnale del PCB
Sebbene sia impossibile garantire che il segnale sia completamente privo di distorsioni, alcuni suggerimenti per la progettazione di PCB possono aiutare a ridurre al minimo qualsiasi potenziale distorsione del segnale e a migliorare l'integrità del segnale nel PCB:
Corretto impilamento degli strati
Gli strati di segnale devono essere posizionati in prossimità dei piani di massa, poiché ciò facilita la gestione dell'impedenza e previene la diafonia. In generale, i segnali ad alta velocità dovrebbero essere posizionati sugli strati interni, tra i piani di massa, per garantire l'isolamento dai segnali interferenti.
Ulteriori letture: Linee guida per la progettazione dello stackup PCB
Tecniche di tracciamento del percorso
La lunghezza della traccia non dovrebbe essere eccessiva, poiché ciò causerebbe riflessioni del segnale. Dovremmo anche evitare di usare curve strette. È meglio usare curve relativamente morbide o, ancora meglio, curve a 45 gradi, invece di curve strette a 90 gradi, poiché le curve morbide sono meno distruttive per il segnale. Inoltre, le coppie differenziali dovrebbero essere instradate insieme con una spaziatura costante per mantenere l'impedenza e ridurre il rumore.
Messa a terra e disaccoppiamento
Un piano di massa solido è essenziale per ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI) e fornire un riferimento stabile per i segnali. Un disaccoppiamento intelligente con condensatori posizionati vicino ai pin di alimentazione consente di "bloccare" i disturbi nella linea di alimentazione e migliorare la qualità della trasmissione del segnale. Il collegamento a terra deve essere a bassa impedenza e fornire percorsi di ritorno adeguati per i segnali ad alta velocità.
Impedenza controllata
assicurare impedenza controllata Per le tracce di segnale critiche, la qualità del segnale viene mantenuta. Ciò comporta il calcolo e il mantenimento di larghezza, spaziatura e spessore dielettrico delle tracce coerenti in base all'impedenza richiesta. Si consiglia di utilizzare strumenti di simulazione per la verifica dell'impedenza, al fine di individuare potenziali problemi di impedenza prima della fabbricazione.
Minimizza la diafonia
Per ridurre al minimo la diafonia, è necessario mantenere una distanza sufficiente tra le tracce del segnale, in particolare quando sono coinvolti segnali ad alta velocità. Utilizzare piani di massa o di potenza per separare i livelli del segnale e valutare l'utilizzo di tracce di guardia (tracce collegate a terra) tra le linee ad alta velocità per isolarle ulteriormente.
Utilizzo di Vias
Si consiglia di ridurre al minimo l'uso di vie nei percorsi di segnale ad alta velocità poiché contribuiscono all'induttanza e causano riflessioni. Se sono necessarie vie, utilizzare foratura posteriore per eliminare i segmenti disabilitati del barilotto del via in modo da ridurre gli effetti dell'impedenza.
Come testare l'integrità del segnale del PCB?
Il test dell'integrità del segnale nei PCB si basa sull'utilizzo di diversi strumenti e metodi che misurano lo stato dei segnali per garantirne la stessa qualità iniziale. Il TDR è in grado di identificare le riflessioni, principalmente dovute a discontinuità di impedenza, mentre il VNA serve a determinare i parametri di trasmissione del segnale e l'impedenza. L'integrità del segnale può essere valutata anche con misurazioni all'oscilloscopio, poiché i diagrammi a occhio spiegano la qualità dei segnali in base alla sovrapposizione di diversi cicli di segnale. Inoltre, alcuni degli strumenti più diffusi utilizzati sia nella fase di front-end che in quella di back-end includono strumenti di simulazione come SPICE e HyperLynx, che consentono la convalida pre-layout/post-layout, consentendo di prevedere possibili problemi di integrità del segnale prima dei test fisici. Questi strumenti, agendo in sinergia, aiutano gli ingegneri a individuare guasti nei PCB e ad apportare modifiche, garantendo l'affidabilità delle schede.
