Tantangan Desain PCB Berkecepatan Tinggi pada Integritas Sinyal dan Solusinya

Dengan kemajuan teknologi elektronik yang konstan, peningkatan frekuensi jam yang tinggi dalam sistem digital, peningkatan waktu tepi yang semakin singkat, sistem PCB telah menjadi struktur sistem dengan kinerja tinggi, jauh lebih dari sekadar komponen pendukung platform. Dari perspektif kinerja listrik, interkoneksi antara sinyal berkecepatan tinggi tidak lagi cepat atau transparan dan pengaruh interkoneksi antara lead pada PCB berkecepatan tinggi dan properti board plane tidak dapat diabaikan lagi. Berhasil menangani masalah integritas sinyal termasuk refleksi, crosstalk, penundaan, panggilan &pencocokan impedansi yang disebabkan oleh interkoneksi sinyal berkecepatan tinggi dan memastikan kualitas transmisi sinyal menentukan keberhasilan desain.

Teori Dasar Integritas Sinyal PCB

• Sirkuit berkecepatan tinggi dan prinsip penentuannya

Istilah mendefinisikan sirkuit kecepatan tinggi datang terutama dalam dua versi. Di satu sisi, dalam sebuah sirkuit, ketika penundaan sinyal digital pada saluran transmisi lebih dari 20% dari waktu tepi naik, sirkuit ini dapat dianggap sebagai sirkuit berkecepatan tinggi. Di sisi lain, dalam sebuah sirkuit, ketika frekuensi sirkuit analogi digital mencapai atau melebihi 45MHz hingga 50MHz, sirkuit tersebut dianggap sebagai sirkuit berkecepatan tinggi.

Pada dasarnya, jika L (panjang prospek) lebih dari T_r , sirkuit dianggap sebagai sirkuit berkecepatan tinggi; jika L lebih kecil dari T_r , sirkuit dianggap sebagai sirkuit kecepatan rendah. Di sini, T_r mengacu pada waktu tepi naik pulsa.

• Kecepatan transmisi sinyal dan waktu tepi naik pulsa

Tingkat kecepatan transmisi sinyal di udara adalah 3 x 10 ⁸ MS; konstanta dielektrik FR4 yang merupakan bahan PCB ditampilkan sebagai _r yaitu 4. Tingkat kecepatan transmisi sinyal dalam PCB dapat dihitung menggunakan Rumus .

V_p sama dengan 15cm/ns yaitu sekitar 6 inci/ns. Waktu tepi naik pulsa T_r =1/(10 x f_clk ) dan waktu tepi naik dari sinyal 100MHz adalah 1ns. Ketika penundaan sinyal pada perutean PCB lebih dari 20% dari waktu tepi naik, panggilan yang jelas akan terjadi pada sinyal. Untuk gelombang persegi yang waktu naiknya 1ns (100MHz), ketika panjang perutean PCB lebih dari 0,2ns x 6=1,2 inci, panggilan serius akan dilakukan pada sinyal. Oleh karena itu, panjang kritisnya adalah 1,2 inci (sekitar 3 cm).

• Impedansi karakteristik

Impedansi karakteristik merupakan parameter penting dalam pencocokan impedansi yang mempengaruhi refleksi, panggilan, pemotretan atas dan pemotretan bawah dan secara langsung berhubungan dengan integritas transmisi sinyal kecepatan tinggi, yang sangat penting dalam desain kecepatan tinggi.

Sinyal ditransmisikan sepanjang saluran transmisi, yang rasio antara tegangan dan arus dianggap sebagai impedansi transien. Impedansi transien pada saluran transmisi dihitung dengan Rumus . Dalam rumus ini, C_l mengacu pada kapasitas per setiap satuan panjang yang satuannya pF/inci (biasanya 3,3pF/inci). Ketika impedansi transien di sepanjang saluran transmisi adalah nilai konstan, nilai ini dianggap sebagai impedansi karakteristik pada saluran transmisi. Untuk jalur mikrostrip dan jalur strip pada PCB, impedansi karakteristiknya dapat diketahui dengan alat desain jalur transmisi Polar Si9000, yang ditunjukkan pada Gambar 1.

Elemen yang Mempengaruhi Integritas dan Solusi Sinyal

• Pencocokan impedansi

Pencocokan impedansi diperlukan dalam desain sirkuit berkecepatan tinggi untuk memastikan transmisi data yang cepat dan benar. Sistem akumulasi data umumnya disusun oleh sensor, instrumen pengkondisi sinyal, chip akumulasi data AD, FPGA dan SDRAM, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

AD9649 diterapkan sebagai chip AD dengan catu daya 1.8V dan sampel paralel dengan jalur data 14 bit. Frekuensi sampel diatur menjadi 20M. PCI9054 diambil sebagai chip antarmuka PCI, mendukung transmisi data DMA. 93LC66B diambil sebagai chip yang dikonfigurasi PCI. HY57V561620FTP-H diterapkan sebagai penyimpanan data, terdiri dari 4 BANK yang masing-masing memiliki ruang memori 4M x 16bit, baris alamat 13 baris dan baris alamat 9 kolom. EP1C6F256C8 dipilih oleh FPGA dengan tegangan termianl 3.3V dan tegangan inti 1.5V. Lebar bus PCI adalah 32 bit dengan clock 33MHz yang diambil sebagai clock untuk menulis dan membaca dan kecepatan maksimum untuk pengkabelan dan pembacaan mencapai 132MByte per detik, yang mampu mendukung transmisi akumulasi data berkecepatan tinggi.

Elemen-elemen berikut harus dipertimbangkan dalam proses mendesain PCB:

sebuah. Sebagai bagian pencampuran digital dan analog, AD adalah salah satu poin penting dalam desain PCB. Karena frekuensi tinggi bagian digital, bagian analog cukup sensitif terhadap gangguan. Jika pemrosesan yang sesuai tidak diterapkan, sinyal digital akan cenderung mengganggu sinyal analog sehingga masalah EMI akan terjadi. Prinsip-prinsip yang benar yang harus diikuti oleh desainer adalah:pertama, ground digital dan ground analog harus dibagi pada PCB dengan sinyal campuran; kedua, komponen elektronika analog dan digital diklasifikasikan dengan ground analog yang terdistribusi pada area analog dan ground digital yang terdistribusi pada area digital; ketiga, tanah analog dan tanah digital terhubung dengan manik-manik magnetik di sekitar segmentasi wilayah. Langkah-langkah ini mampu menerapkan pemisahan antara ground digital dan ground analog.

b. SDRAM diterapkan dalam sistem akumulasi data dan manual dengan jelas menunjukkan bahwa jalur data yang terhubung dengan FPGA harus dikonfigurasi dengan pencocokan impedansi 50Ω untuk memastikan transmisi berkecepatan tinggi, yang ditunjukkan pada Gambar 3.

Setelah FPGA menulis akumulasi data ke SDRAM, refresh harus terus dilakukan untuk menjaga data dan periode refresh setiap baris harus lebih cepat dari 64 milidetik.

Langkah-langkah pencocokan impedansi oleh perangkat lunak Polar Si9000 ditampilkan sebagai berikut:

sebuah. Garis sinyal berkecepatan tinggi harus melintasi permukaan atas PCB dan lubang harus dihindari sebisa mungkin. Model struktur garis mikrostrip diambil dalam perangkat lunak, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.

Pencocokan impedansi 50Ω umumnya dilakukan pada perutean terminal tunggal dan pencocokan impedansi 90Ω umumnya dilakukan pada perutean diferensial (seperti USB2.0 D+, D-).

b. Nilai pencocokan impedansi yang diperlukan dan nilai spesifik teknik fabrikasi PCB diisi pada antarmuka perangkat lunak dengan parameter termasuk ketebalan dielektrik, konstanta dielektrik bahan PCB, ketebalan foil tembaga, ketebalan oli hijau, dan konstanta dielektrik oli hijau.

Barang	Deskripsi	Referensi dan nilai yang dihitung
H1	Ketebalan dielektrik (bahan PP atau papan)	3,5-8,5jt
Er1	Konstanta dielektrik bahan papan	4-4.6
W1	Lebar perutean sinyal	Berdasarkan nilai impedansi
C1	Ketebalan bahan substrat berwarna hijau	0,8 juta
C2	Ketebalan minyak hijau pada tembaga	0,5 juta
CEr	Konstanta dielektrik minyak hijau	3.3
Zo	Nilai impedansi yang akan dicocokkan	Terminal tunggal:50Ω Diferensial:90Ω

Parameter spesifik dari teknik fabrikasi dapat diketahui melalui komunikasi dengan produsen PCB sehingga lebar lead dapat diketahui. Untuk jalur mikrostrip diferensial, jarak antar sadapan (S1) juga harus ditentukan.

c. Jika lebar lead yang dihitung relatif besar dan perutean PCB gagal diselesaikan, lebih banyak komunikasi harus dilakukan dengan produsen PCB untuk menyesuaikan parameter dalam teknik fabrikasi dengan persyaratan desain yang terpenuhi.

• Crosstalk

Crosstalk mengacu pada gangguan kebisingan tegangan tak terduga pada saluran transmisi yang berdekatan sebagai akibat dari kopling elektromagnetik ketika sinyal sedang ditransmisikan pada saluran transmisi. Terlalu banyak crosstalk dapat menyebabkan rangkaian pemicu palsu sehingga sistem gagal bekerja secara normal. Crosstalk dihasilkan oleh kopling elektromagnetik dan kopling dibagi menjadi kopling kapasitif dan kopling induktif. Yang pertama sebenarnya interferensi elektromagnetik yang dipimpin oleh arus induktif yang disebabkan sebagai akibat dari perubahan tegangan pada sumber interferensi sedangkan yang kedua sebenarnya adalah interferensi elektromagnetik yang dipimpin oleh tegangan induktif yang disebabkan sebagai akibat dari perubahan arus pada sumber interferensi. Saat keadaan sumber interferensi berubah, serangkaian pulsa interferensi akan dihasilkan pada objek yang terganggu, yang sangat umum dalam sistem kecepatan tinggi.

Langkah-langkah untuk menangani crosstalk ditampilkan sebagai berikut:
a. Ortogonalitas harus dijaga pada arah perutean antara bidang yang berdekatan. Arah yang sama harus dihindari pada bidang yang berdekatan dengan jalur sinyal yang berbeda untuk mengurangi crosstalk. Terutama ketika laju kecepatan sinyal relatif tinggi, ground harus dipertimbangkan untuk memisahkan bidang perutean dan jalur sinyal harus dipisahkan oleh jalur sinyal ground.
b. Untuk mengurangi crosstalk antar baris, jarak antar baris harus cukup besar. Ketika jarak antara pusat garis tidak kurang dari tiga kali lebar garis, 70% medan listrik dapat dihentikan dari interferensi timbal balik, yang merupakan prinsip 3W.
c. Dalam situasi di mana jalur sinyal berkecepatan tinggi memenuhi persyaratan, pencocokan dapat diakses untuk bergabung dengan terminal untuk mengurangi atau menghilangkan refleksi dan untuk mengurangi crosstalk.

Penerapan Metode Desain Integritas Sinyal

Dalam proses desain PCB, banyak aturan desain telah dirangkum berdasarkan teori integritas sinyal. Dengan mengacu pada aturan desain PCB ini, integritas sinyal dapat diperoleh dengan lebih baik. Dalam proses desain PCB, informasi desain harus diketahui secara detail, antara lain:
a. Posisi tata letak komponen, apakah ada persyaratan khusus pada komponen dengan daya besar dan pembuangan panas pada komponen chip.
b. Klasifikasi sinyal, laju kecepatan, arah transmisi dan persyaratan pencocokan impedansi.
c. Kapasitas penggerak sinyal, sinyal kunci, dan tindakan perlindungan.
d. Jenis daya, ground, persyaratan batas kebisingan daya dan ground, pengaturan power plane dan ground plane dan divisi.
e. Jenis dan tingkat kecepatan jalur jam, sumber jalur jam, arah, persyaratan penundaan jam, dan persyaratan perutean maksimum.

Sumber Daya Bermanfaat:
• 3 Teknik Perutean pada Desain Sirkuit Sinyal Kecepatan Tinggi PCB
• Metode Supresi Pemantulan Sinyal pada Tata Letak PCB Kecepatan Tinggi
• Analisis Integritas Sinyal dan Desain PCB pada Kecepatan Tinggi Sirkuit Campuran Digital-Analog
• Kontrol Impedansi Vias dan Pengaruhnya pada Integritas Sinyal dalam Desain PCB
• Layanan Pembuatan PCB Fitur Lengkap dari PCBCart - Beberapa opsi Nilai tambah
• Layanan Perakitan PCB Tingkat Lanjut dari PCBCart - Mulai dari 1 buah