Bij het ontwerpen van de printplaat wordt veel aandacht besteed aan de signaalintegriteit van de PCB, oftewel de kwaliteit van de signalen in een systeem en hun effectiviteit. Slechte signaalintegriteit kan leiden tot datafouten, elektromagnetische interferentie en zelfs systeemstoringen. Naarmate apparaten echter sneller en compacter worden, wordt de signaalintegriteit een steeds groter probleem bij optimalisatie. In dit artikel onderzoeken we de belangrijkste factoren die van invloed zijn op de signaalintegriteit van de PCB en geven we tips om deze tijdens het ontwerpproces te verbeteren. Om te beginnen moeten we weten wat signaalintegriteit in PCB-ontwerp in de praktijk betekent.
Wat is signaalintegriteit op een PCB?
Signaalintegriteit op printplaten (PCB's) is de kwaliteit van de elektrische signalen die via de PCB worden verzonden en ontvangen. Dit omvat het vermogen van het signaal om verschillende elektrische eigenschappen, zoals spanning, tijd en golfvorm, van bron tot bestemming te behouden. Signaalintegriteit is zeer belangrijk omdat het de correcte gegevensoverdracht en de correcte werking van circuits garandeert. Dit is belangrijk bij hogesnelheidsontwerpen en grote signaalpaden, netwerken of systemen, waarbij elke kleine afname in signaalkwaliteit de prestaties van het systeem aanzienlijk beïnvloedt.
Belangrijkste factoren die de signaalintegriteit van PCB's beïnvloeden
- Spoorimpedantie
De impedantie moet consistent zijn over de gehele lengte van een spoor, aangezien het signaal kan reflecteren en verzwakken wanneer de impedantie verandert. Andere parameters, zoals spoorbreedte en -afstand, moeten op dezelfde manier worden geregeld om signaalvervorming te voorkomen.
- Overspraak
Overspraak is een vorm van elektromagnetische interferentie waarbij signalen in aangrenzende of nabijgelegen sporen met elkaar in verbinding komen, wat mogelijk datacorruptie veroorzaakt. De ernst van overspraak hangt af van factoren zoals de lengte van de parallel lopende sporen, hun nabijheid tot elkaar en de algehele lay-out van de printplaat.
- Signaalreflectie
Reflectie treedt op wanneer de impedantie van het spoor verschilt van die van de belasting of bron, waardoor het signaal vervormd wordt. Dergelijke afwijkingen worden vaak waargenomen als gevolg van verschillende spoorbreedte, diëlektrische constante of plotselinge veranderingen in de route van het signaal.
- Elektromagnetische interferentie (EMI)
Intrusieve ruis wordt ook veroorzaakt door elektromagnetische interferentie (EMI) van externe bronnen in de PCB-signalen. Externe elektromagnetische velden kunnen in de PCB-sporen worden gekoppeld, met name in gebieden met grote lussen of slechte afscherming.
- Machtsintegriteit
Een stabiele voeding is essentieel voor de signaalkwaliteit, aangezien de gegenereerde signalen en velden verstoord kunnen raken als het vermogen varieert. Afwijkingen in de elektrische signaalvoeding kunnen ruis veroorzaken of de gewenste signalen op snelle datalijnen vervormen.
- PCB-materiaal
De diëlektrische constante en verlies raaklijn van de PCB-materialen hebben invloed op de signaalsnelheden en de mate van demping. Fluctuaties in materiaaleigenschappen vormen echter een probleem, vooral bij hoogfrequente toepassingen.
- Spoorlengte en routering
Wanneer de sporen voor de differentiële paren en andere hogesnelheidssignalen even lang zijn, komen ze tegelijkertijd bij de ontvanger aan en minimaliseren ze de scheefheid. Verschillende spoorlengtes en scherpe hoeken kunnen reflectieproblemen en signaalverslechtering veroorzaken.
Ontwerptips om de signaalintegriteit van PCB's te verbeteren
Hoewel het onmogelijk is om te garanderen dat het signaal volledig vrij is van vervorming, kunnen enkele PCB-ontwerptips helpen om mogelijke signaalvervorming te minimaliseren en de signaalintegriteit op de PCB te verbeteren:
Juiste laagstapeling
Signaallagen moeten dicht bij de aardvlakken worden geplaatst, omdat dit helpt bij het beheersen van de impedantie en het voorkomen van overspraak. Over het algemeen moeten de hogesnelheidssignalen op de binnenste lagen tussen de aardvlakken worden gelegd om isolatie van de interfererende signalen te garanderen.
Verder lezen: Richtlijnen voor PCB-stapelontwerp
Traceerrouteringstechnieken
De spoorlengte mag niet te lang zijn, omdat dit signaalreflecties veroorzaakt. Ook moeten we scherpe bochten vermijden. Het is beter om relatief vloeiende bochten te gebruiken, of beter nog, bochten van 45 graden, in plaats van scherpe bochten van 90 graden, omdat vloeiende bochten het signaal minder beschadigen. Differentiële paren moeten bovendien met een constante afstand van elkaar worden aangesloten om de impedantie te behouden en ruis te verminderen.
Aarding en ontkoppeling
Een solide aardingsvlak is essentieel voor het verminderen van elektromagnetische interferentie (EMI) en het bieden van een stabiele referentie voor signalen. De vakkundige ontkoppeling met de condensatoren dicht bij de voedingspinnen zorgt ervoor dat ruis in de voedingslijn wordt 'geblokkeerd' en de signaalkwaliteit wordt verbeterd. De aardverbinding moet een lage impedantie hebben en voldoende retourpaden bieden voor snelle signalen.
Gecontroleerde impedantie
Zorgen gecontroleerde impedantie: Voor kritische signaalsporen helpt het de signaalkwaliteit te behouden. Dit omvat het berekenen en handhaven van een consistente spoorbreedte, -afstand en diëlektrische dikte, afhankelijk van de vereiste impedantie. Het wordt aanbevolen om simulatietools te gebruiken die worden gebruikt voor impedantieverificatie om potentiële impedantieproblemen op te sporen vóór de fabricage.
Minimaliseer overspraak
Om overspraak te minimaliseren, is het noodzakelijk om voldoende afstand tussen signaalsporen te bewaren, met name bij hogesnelheidssignalen. Gebruik aardings- of voedingsvlakken om signaallagen te scheiden en overweeg het gebruik van guard traces (geaarde sporen) tussen hogesnelheidslijnen om ze verder te isoleren.
Gebruik van Vias
Het wordt aanbevolen om het gebruik van via's in hogesnelheidssignaalpaden te minimaliseren, omdat deze bijdragen aan inductie en reflecties veroorzaken. Indien via's vereist zijn, gebruik dan terug boren om defecte delen van de via-cilinder te elimineren en zo de effecten van impedantie te verminderen.
Hoe test je de signaalintegriteit van een PCB?
De signaalintegriteit van een PCB wordt getest met behulp van verschillende tools en methoden die de status van signalen meten om te garanderen dat ze net zo goed zijn als aanvankelijk in het circuit. TDR kan reflecties identificeren, voornamelijk als gevolg van impedantiediscontinuïteiten, terwijl VNA dient om signaaltransmissieparameters en impedantie te bepalen. Signaalintegriteit kan ook worden geëvalueerd met oscilloscoopmetingen, aangezien oogdiagrammen de kwaliteit van signalen verklaren op basis van de overlapping van verschillende signaalcycli. Bovendien omvatten enkele van de populaire tools die zowel in de front-end als in de back-end fase worden gebruikt simulatietools zoals SPICE en HyperLynx, die pre-layout/post-layout validatie mogelijk maken en zo mogelijke problemen met de signaalintegriteit kunnen voorspellen vóór fysieke tests. Deze tools helpen engineers hand in hand bij het vaststellen van fouten in de PCB en het aanbrengen van aanpassingen om de betrouwbaarheid van de boards te garanderen.
