Cara Mendesain Bidang Gambar untuk PCB Berkecepatan Tinggi

Saat ini, PCB multilayer digunakan di sebagian besar sistem sirkuit berkecepatan tinggi dan banyak sistem sirkuit memiliki banyak kekuatan operasi, memberikan persyaratan ketat untuk desain bidang gambar, terutama penyelesaian hubungan antara beberapa bidang daya/tanah. Selain itu, permukaan berlapis tembaga khusus perlu dirancang pada desain lapisan perangkat untuk menghentikan osilator menghasilkan energi RF (frekuensi radio) dan memberikan pembuangan panas yang sangat baik untuk komponen daya tinggi.

Fungsi Bidang Gambar

Bidang gambar adalah permukaan berlapis tembaga yang berdekatan dengan lapisan sinyal di papan sirkuit tercetak. Fungsi utama bidang gambar meliputi:

1). Mengurangi reflow noise dan EMI (Electro Magnetic Interference). Bidang gambar menyediakan jalur dengan impedansi rendah untuk reflow sinyal, terutama ketika arus besar mengalir dalam sistem distribusi daya. Terlebih lagi, mereka mengurangi area cincin tertutup yang dibentuk oleh sinyal dan reflow sehingga EMI turun.

2). Mengontrol crosstalk antara garis sinyal di sirkuit digital berkecepatan tinggi. Crosstalk ditentukan oleh rasio D/H di mana D mengacu pada jarak antara sumber interferensi dan objek yang diinterferensi dan H mengacu pada ketinggian bidang gambar antara lapisan sinyal. Rasio D/H dapat dikontrol dengan mengubah nilai H sehingga crosstalk antar jalur sinyal pada akhirnya dapat dikontrol.

3). Mengontrol impedansi. Impedansi karakteristik kabel tercetak terkait dengan lebar kabel dan tinggi antara kabel dan bidang gambar. Jika tidak ada bidang gambar, kemungkinan impedansi tidak dapat dikontrol, yang menyebabkan kegagalan pencocokan saluran transmisi dan refleksi sinyal.

Selain itu, bidang gambar juga mampu mengendalikan noise dari pantulan hingga papan luar. Harus diakui bahwa bidang gambar saja tidak cukup untuk implementasi fungsi-fungsi tersebut. Aturan desain yang ketat harus ditambahkan untuk mencapai target yang diharapkan. Fakta ini dapat dinyatakan sebagai:untuk mengontrol noise di sirkuit digital berkecepatan tinggi, bidang gambar sangat penting tetapi tidak dapat bekerja sendiri.

Lapisan Melewati Aliran Ulang Sinyal

Dalam PCB multilayer, setiap lapisan tata letak harus berdekatan dengan satu bidang gambar dan sirkuit arus balik sinyal pada bidang gambar yang sesuai. Ketika garis sinyal tidak melewati lapisan tata letak, metode biasa adalah bahwa garis sinyal pertama terhubung ke lapisan tata letak dan kemudian garis sinyal terhubung ke lapisan lain melalui lubang. Oleh karena itu, garis sinyal melompat dari satu lapisan ke lapisan lain, begitu juga arus balik mengikuti jalur yang sama. Ketika kedua lapisan adalah lapisan tanah, arus balik mampu melewati melalui lubang yang menghubungkan dua lapisan atau pin tanah. Ketika satu lapisan adalah lapisan daya dan yang lainnya adalah lapisan tanah, satu-satunya kesempatan arus balik untuk melewatkan antar lapisan adalah posisi dengan kapasitor decoupling ditempatkan. Jika tidak ada kapasitor decoupling atau melalui lubang yang menghubungkan lapisan ground, maka skipping harus dilakukan dengan arus balik yang harus mengikuti cara terjauh, yang membuat arus balik dipisahkan dengan sirkuit lain sehingga terjadi crosstalk dan EMI.

Akibatnya, dalam proses desain PCB, lompatan lapisan harus diatur pada pin ground yang berdekatan dengan komponen atau di sekitar kapasitor decoupling yang terbaik. Jika hal ini tidak tercapai, arde melalui lubang (melompati antara dua lapisan arde) atau kapasitor bypass (melompati antara lapisan daya dan lapisan arde) dapat ditempatkan pada titik lompat untuk membuat arus balik lewati.

Membagi Pesawat

Dalam proses penggunaan PCB multilayer, terkadang perlu untuk menghasilkan area tanpa foil tembaga dengan lebar tertentu, membagi bidang gambar terintegrasi menjadi beberapa bagian independen, yang disebut bidang pemisah.

Bidang pemisah biasanya digunakan untuk menghentikan derau yang mengganggu sirkuit sensitif dan mengisolasi voltase referensi yang berbeda seperti menghentikan derau digital yang memasuki area analog, audio, I/O dan isolasi antara voltase daya 5V dan 3.3V.

Membelah pesawat dapat diklasifikasikan menjadi membelah lengkap dan membelah tidak lengkap. Yang pertama mengacu pada isolasi lengkap antara lapisan daya dan lapisan tanah setelah pemisahan. Yang terakhir mengacu pada isolasi lengkap antara lapisan daya sementara lapisan tanah dihubungkan oleh "jembatan". Apakah akan menggunakan pemisahan lengkap atau tidak lengkap tergantung pada apakah ada koneksi sinyal antara bidang yang membelah.

• Contoh bidang membelah

Gambar 1 adalah bagian dari desain bidang gambar sirkuit campuran analog dan digital dari platform uji. Input analog video ditransmisikan ke FPGA dengan konversi AD dan output sebagai konversi DA. Baik AD dan DA menggunakan komponen daya independen untuk menyediakan daya. Komponen digital bertanggung jawab atas sebagian besar ruang papan sementara komponen analog hanya mencakup sebagian kecil. Namun, semuanya adalah bagian penting yang penting untuk kinerja keseluruhan sistem. Oleh karena itu, banyak kehati-hatian harus diambil dalam proses menangani komponen-komponen tersebut. Idealnya noise bagian digital tidak masuk ke bagian analog. Namun, beberapa sinyal dari konverter AD dan DA terhubung ke FPGA bagian digital. Untuk memastikan reflow dari sinyal yang terhubung ini, daya digital dan daya analog harus diisolasi sepenuhnya sedangkan ground digital dan ground analog harus diisolasi secara tidak lengkap sehingga pengaruh bagian analog dari bagian digital dikurangi seminimal mungkin.

Semua saluran dari bagian digital ke bagian analog harus melewati jembatan yang ukuran bukaannya harus sesuai untuk melewati kabel yang diperlukan sehingga aliran balik sinyal data dapat kembali melalui jembatan, sehingga menghindari interferensi ke sinyal lain sebagai akibatnya. berliku untuk jalur kembali. Dalam desain PCB ini, bagian AD dan DA benar-benar terisolasi satu sama lain.

• Beberapa masalah dalam proses membelah pesawat

sebuah. Tumpang tindih lapisan isolasi

Dalam PCB multilayer, bidang pemisah biasanya digunakan untuk mengisolasi kekuatan yang berbeda. Secara umum, lapisan tanah yang sesuai dari kekuatan ini terisolasi satu sama lain, yaitu, setiap kekuatan memiliki lapisan referensi sendiri. Dalam proses desain PCB, tumpang tindih lapisan isolasi harus dihindari. Misalnya, di sebagian besar PCB multilayer, lapisan daya dan ground dari bagian analog dan bagian digital diisolasi satu sama lain. Lapisan daya analog dan lapisan tanah digital tidak boleh tumpang tindih dalam ruang seperti Gambar 2.

Jika lapisan isolasi yang tumpang tindih muncul, kapasitansi bantalan kecil C1 akan muncul di area yang tumpang tindih. Kapasitansi akan membuat energi RF ditransmisikan dari satu lapisan ke lapisan lain terisolasi, statis dan independen untuk mengurangi validitas isolasi.

b. Penempatan kapasitor decoupling

Untuk menyaring kebisingan dengan frekuensi tinggi yang dihasilkan oleh komponen berkecepatan tinggi, banyak kapasitor decoupling diatur pada PCB. Jika bidang pemisah keluar dalam PCB, dalam proses tata letak, situasi mungkin akan terjadi bahwa pin ground dari kapasitor decoupling tidak terhubung dengan lapisan ground referensi lain alih-alih lapisan ground yang sesuai. Jenis kesalahan ini mungkin akan terjadi dan mengarah pada pemisahan kebisingan dari satu lapisan ke lapisan lainnya, yang mirip dengan bidang-bidang pemisah yang tumpang tindih. Itu sebabnya masalah ini harus ditangani dalam tahap desain. Ambil rangkaian campuran analog digital sebagai contoh lagi. Daya analog dibawa dari bagian digital melalui manik ferit dan C1 mengacu pada kapasitansi decoupling bagian digital. Pada Gambar 3A, pin daya C1 dihubungkan dengan daya digital sedangkan pin arde dengan arde analog, yang mengarah ke decoupling derau digital dengan frekuensi tinggi di bagian analog yang sensitif, yang merupakan sambungan yang salah. Gambar 3B adalah koneksi kapasitor decoupling kanan.

c. Pembumian titik tunggal

Ketika lapisan referensi dari kekuatan yang berbeda dihubungkan bersama, pembumian titik tunggal harus dipastikan. Dalam rangkaian campuran analog digital yang dicontohkan, papan sirkuit diklasifikasikan menjadi bagian digital dan bagian analog dan baik arde digital maupun arde analog memiliki setidaknya dua titik koneksi sehingga sinyal noise mungkin membentuk sirkulasi antara dua lapisan referensi melalui dua titik koneksi, yaitu disebut "lingkaran tanah". Ground loop akan menyebabkan kebisingan, EMI, konsumsi energi dan kesulitan pembuangan panas. Ada solusi mudah untuk masalah loop tanah:selama hanya ada satu titik koneksi antara lapisan referensi, loop tidak dapat dibentuk.

Lapisan Tanah Lokal

Sebagai bagian dari bidang gambar, lapisan tanah lokal mengacu pada lapisan tembaga di permukaan atas PCB, yang terhubung langsung dengan lapisan tanah bagian dalam. Fungsi utamanya adalah untuk menangkap fluks magnet RF yang dihasilkan oleh bagian dalam beberapa chip kunci (misalnya osilator) atau untuk digunakan sebagai disipasi daya.

Untuk mendapatkan kinerja yang sangat baik, osilator, kristal, dan penyangga jam harus dipasang pada lapisan arde lokal yang independen. Penyebabnya antara lain:
1). Jika osilator dikemas dalam lapisan logam, arus RF yang dihasilkan di dalam lapisan logam mungkin akan sangat besar sehingga pin pembumiannya gagal mengalirkan arus besar ke tanah dengan metode konsumsi energi yang rendah. Alhasil, balutan logam ini menjadi antena unipolar.
2). Jika teknik perakitan pemasangan permukaan digunakan saat menempatkan osilator pada PCB, masalah yang disebutkan di atas menjadi lebih buruk karena bahan plastik biasanya digunakan dalam kemasan SMT, menghentikan arus RF menyebabkan titik tanah. Akhirnya, arus RF yang dihasilkan di dalam kemasan akan dipancarkan ke ruang bebas dan dipisahkan dengan komponen lain.
3). Osilator biasa mampu menggerakkan buffering jam yang dimiliki komponen dengan kecepatan super tinggi dan kecepatan tepi yang cepat, menghasilkan arus RF dalam jumlah besar, yang mungkin akan menyebabkan kegagalan fungsi saat ini.

Jika lapisan tanah lokal dirakit di osilator dan sirkuit jam, bidang gambar akan disediakan, digunakan untuk menangkap energi RF yang dihasilkan di bagian dalam osilator dan sirkuit yang sesuai sehingga radiasi RF dapat dikurangi.

Aturan 20-J

Sebagai aturan empiris, aturan 20-H menjelaskan bahwa dalam PCB multilayer dengan kepadatan tinggi, untuk mengurangi energi elektromagnetik yang dipancarkan ke ruang bebas oleh papan sirkuit, ukuran lapisan daya harus lebih kecil sebesar 20H daripada lapisan tanah di mana H mengacu pada jarak antara dua lapisan. Pada Gambar 4, bagian kiri menunjukkan lapisan daya/tanah tanpa desain khusus di mana radiasi tepi sangat kuat sehingga akan mempengaruhi fungsi sirkuit yang berdekatan. Bagian kanan menunjukkan situasi radiasi RF melalui penurunan ukuran permukaan daya sebesar X-H. Dapat dilihat bahwa lapisan tanah menarik banyak garis gaya magnet dan energi radiasi RF berkurang. Menurut hasil percobaan, gaya radiasi RF mulai turun dari 10-H; dalam kasus 20-H, tanah mampu menarik 70% aliran magnet; dalam kasus 100-H, gaya magnet mampu berkurang sebesar 98%.

Secara alami, 20-H tidak sempurna untuk semua struktur PCB. Efisiensi 20-H tergantung pada frekuensi operasi, ukuran fisik lapisan daya/tanah dan jarak di antara keduanya, dua elemen terakhir yang menentukan SRF (frekuensi self-resonant) papan PCB. Penelitian menunjukkan bahwa ketika PCB beroperasi pada SRF apa pun, 20-H tidak berfungsi dan ground gagal menarik energi radiasi juga. Yang lebih parah, banyak energi radiasi yang akan dihasilkan. Oleh karena itu, dalam praktik sirkuit berkecepatan tinggi, situasi tertentu harus dipertimbangkan saat memutuskan apakah akan memilih aturan 20-H atau tidak.

Sumber Daya Bermanfaat
• Kiat Tata Letak Berkecepatan Tinggi
• Teknik Perutean PCB Berkecepatan Tinggi untuk Mengurangi Pengaruh EMI
• Kesalahpahaman dan Strategi pada Desain PCB Berkecepatan Tinggi
• Diferensial Isometrik Verifikasi Pemrosesan dan Simulasi Desain PCB Berkecepatan Tinggi
• Layanan Pembuatan PCB Fitur Lengkap dari PCBCart - Beberapa opsi Nilai tambah
• Layanan Perakitan PCB Tingkat Lanjut dari PCBCart - Mulai dari 1 buah