Optimasi Desain PCB Kecepatan Tinggi: Mengatasi Tantangan Integritas Sinyal

Seiring dengan kemajuan teknologi elektronik, frekuensi jam yang semakin meningkat dalam sistem digital, waktu tepi naik yang semakin pendek, sistem PCB telah menjadi struktur sistem dengan performa tinggi, jauh lebih dari sekadar platform yang mendukung komponen. Dari perspektif performa listrik, interkoneksi antara sinyal kecepatan tinggi tidak lagi cepat atau transparan dan pengaruh interkoneksi antara kabel pada PCB kecepatan tinggi dan properti board plane tidak dapat diabaikan lagi. Menangani dengan sukses masalah integritas sinyal termasuk refleksi, crosstalk, tundaan, dan pencocokan impedansi yang disebabkan oleh interkoneksi sinyal kecepatan tinggi dan memastikan kualitas transmisi sinyal menentukan kesuksesan desain.

Teori Dasar Integritas Sinyal PCB

• Sirkuit kecepatan tinggi dan prinsip penentuannya

Istilah definitif sirkuit kecepatan tinggi terutama ada dalam dua versi. Salah satunya, dalam sirkuit, ketika tundaan sinyal digital pada garis transmisi lebih dari 20% dari waktu tepi naik, sirkuit ini dapat dianggap sebagai sirkuit kecepatan tinggi. Di sisi lain, dalam sirkuit, ketika frekuensi sirkuit analog digital mencapai atau melebihi 45MHz hingga 50MHz, sirkuit dianggap sebagai sirkuit kecepatan tinggi.

Dasarnya, jika L (panjang kabel) lebih dari T_r, sirkuit dianggap sebagai sirkuit kecepatan tinggi; jika L kurang dari T_r, sirkuit dianggap sebagai sirkuit kecepatan rendah. Di sini, T_r merujuk pada waktu tepi naik pulsa.

• Kecepatan transmisi sinyal dan waktu tepi naik pulsa

Laju transmisi sinyal di udara adalah 3 x 10 ⁸m/s; konstanta dielektrik FR4 yang merupakan material PCB ditampilkan sebagai ε_r yang adalah 4. Laju transmisi sinyal dalam PCB dapat dihitung menggunakan Formula .

V_p sama dengan 15cm/ns yang sekitar 6inch/ns. Waktu tepi naik pulsa T_r=1/(10 x f_clk) dan waktu tepi naik sinyal 100MHz adalah 1ns. Saat tundaan sinyal pada routing PCB lebih dari 20% dari waktu tepi naik, panggilan yang jelas akan terjadi pada sinyal. Untuk gelombang persegi dengan waktu naik 1ns (100MHz), saat panjang routing PCB lebih dari 0.2ns x 6=1.2inch, panggilan serius akan terjadi pada sinyal. Oleh karena itu, panjang kritis adalah 1.2inch (sekitar 3cm).

• Impedansi karakteristik

Impedansi karakteristik adalah parameter penting dalam pencocokan impedansi yang mempengaruhi refleksi, panggilan, overshoot dan undershoot dan secara langsung berkaitan dengan integritas transmisi sinyal kecepatan tinggi, yang sangat penting dalam desain kecepatan tinggi.

Sinyal ditransmisikan melalui garis transmisi, yang rasio antara tegangan dan arus dianggap sebagai impedansi transien. Impedansi transien pada garis transmisi dihitung oleh Formula . Dalam formula ini, C_l merujuk pada kapasitansi per satuan panjang yang unitnya pF/inch (biasanya 3.3pF/inch). Saat impedansi transien sepanjang garis transmisi adalah nilai konstan, nilai ini dianggap sebagai impedansi karakteristik pada garis transmisi. Untuk garis mikrostrip dan strip line pada PCB, impedansi karakteristik mereka dapat dihitung oleh alat desain garis transmisi Polar Si9000, yang ditunjukkan dalam Gambar 1.

Elemen yang Mempengaruhi Integritas Sinyal dan Solusinya

• Pencocokan impedansi

Pencocokan impedansi diperlukan dalam desain sirkuit kecepatan tinggi untuk memastikan transmisi data yang cepat dan benar. Sistem akumulasi data umumnya terdiri dari sensor, instrumen kondisi sinyal, chip akumulasi data AD, FPGA dan SDRAM, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.

AD9649 diterapkan sebagai chip AD dengan pasokan daya 1.8V dan sampling paralel dengan garis data 14 bit. Frekuensi sampling diatur menjadi 20M. PCI9054 dipilih sebagai chip interface PCI, mendukung transmisi data DMA. 93LC66B dipilih sebagai chip konfigurasi PCI. HY57V561620FTP-H diterapkan sebagai penyimpanan data, terdiri dari 4 BANK masing-masing memiliki ruang memori 4M x 16bit, 13 baris garis alamat dan 9 kolom garis alamat. EP1C6F256C8 dipilih oleh FPGA dengan tegangan terminal 3.3V dan tegangan inti 1.5V. Lebar bus PCI adalah 32 bit dengan jam 33MHz dipilih sebagai jam tulis dan baca dan kecepatan maksimum tulis dan baca mencapai 132MByte per detik, mampu mendukung transmisi data kecepatan tinggi yang terkumpul.

Elemen berikut harus dipertimbangkan dalam proses desain PCB:

a. Sebagai bagian campuran digital dan analog, AD adalah salah satu titik kunci dalam desain PCB. Karena frekuensi tinggi bagian digital, bagian analog sangat sensitif terhadap gangguan. Jika pemrosesan yang sesuai tidak diimplementasikan, sinyal digital cenderung mengganggu sinyal analog sehingga masalah EMI akan terjadi. Prinsip yang benar yang diikuti desainer harus: pertama, ground digital dan ground analog harus dibagi pada PCB dengan sinyal campuran; kedua, komponen elektronik analog dan digital diklasifikasikan dengan ground analog didistribusikan di area analog dan ground digital didistribusikan di area digital; ketiga, ground analog dan ground digital dihubungkan dengan managed beads di sekitar segmentasi area. Langkah-langkah ini mampu mengimplementasikan pemisahan antara ground digital dan analog.

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

Setelah FPGA menulis data yang terkumpul ke SDRAM, refresh harus dilakukan secara terus-menerus untuk mempertahankan data dan periode refresh setiap baris harus lebih cepat dari 64 milidetik.

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

a. Garis sinyal kecepatan tinggi harus melewati permukaan atas PCB dan lubang harus dihindari sebanyak mungkin. Model struktur garis mikrostrip dipilih dalam perangkat lunak, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4.

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

b. Nilai pencocokan impedansi yang diperlukan dan nilai spesifik teknik pembuatan PCB diisi pada antarmuka perangkat lunak dengan parameter termasuk ketebalan dielektrik, konstanta dielektrik material PCB, ketebalan foil tembaga, ketebalan green oil dan konstanta dielektrik green oil.

Item	Deskripsi	Nilai Referensi dan Terhitung
H1	Ketebalan dielektrik (PP atau material papan)	3.5-8.5mil
Er1	Konstanta dielektrik material papan	4-4.6
W1	Lebar routing sinyal	Berdasarkan nilai impedansi
C1	Ketebalan green oil material substrat	0.8mil
C2	Ketebalan green oil pada tembaga	0.5mil
CEr	Konstanta dielektrik green oil	3.3
Zo	Nilai impedansi yang akan dicocokkan	Satu terminal: 50Ω Diferensial: 90Ω

Parameter spesifik teknik pembuatan dapat diketahui melalui komunikasi dengan produsen PCB sehingga lebar kabel dapat dihitung. Untuk garis mikrostrip diferensial, jarak antara kabel (S1) juga harus dihitung.

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

• Crosstalk

Crosstalk merujuk pada derau tegangan yang tidak diinginkan pada garis transmisi berdekatan sebagai akibat dari coupling elektromagnetik saat sinyal ditransmisikan pada garis transmisi. Terlalu banyak crosstalk dapat menyebabkan pemicu palsu sirkuit sehingga sistem gagal bekerja secara normal. Crosstalk dihasilkan oleh coupling elektromagnetik dan coupling dibagi menjadi coupling kapasitif dan coupling induktif. Yang pertama sebenarnya adalah gangguan elektromagnetik yang dipimpin oleh arus induktif yang disebabkan oleh perubahan tegangan di sumber gangguan sementara yang kedua sebenarnya adalah gangguan elektromagnetik yang dipimpin oleh tegangan induktif yang disebabkan oleh perubahan arus di sumber gangguan. Seiring dengan perubahan keadaan sumber gangguan, serangkaian pulsa gangguan akan dihasilkan pada objek yang diganggu, yang sangat umum dalam sistem kecepatan tinggi.

Langkah-langkah untuk menangani crosstalk ditampilkan sebagai berikut:
a. Ortogonalitas harus dipertahankan pada arah routing antara plane yang berdekatan. Arah yang sama harus dihindari pada plane yang berdekatan dengan garis sinyal yang berbeda untuk mengurangi crosstalk. Terutama saat kecepatan sinyal relatif tinggi, ground harus dipertimbangkan untuk memisahkan plane routing dan garis sinyal harus dipisahkan oleh garis sinyal ground.
b. Untuk mengurangi crosstalk antara garis, jarak antara garis harus cukup besar. Saat jarak antara pusat garis tidak kurang dari tiga kali lebar garis, 70% medan listrik dapat dihindari dari interferensi saling, yang merupakan prinsip 3W.
c. Dalam situasi di mana garis sinyal kecepatan tinggi memenuhi persyaratan, pencocokan dapat diakses ke terminal gabungan untuk mengurangi atau menghilangkan refleksi dan untuk mengurangi crosstalk.

Penerapan Metode Desain Integritas Sinyal

Dalam proses desain PCB, banyak aturan desain telah diringkas berdasarkan teori integritas sinyal. Dengan referensi aturan desain PCB ini, integritas sinyal dapat diperoleh dengan lebih baik. Dalam proses desain PCB, informasi desain harus diketahui secara detail, termasuk:
a. Posisi tata letak komponen, apakah ada persyaratan khusus pada komponen dengan daya besar dan dissipasi panas pada komponen chip.
b. Klasifikasi sinyal, kecepatan, arah transmisi dan persyaratan pencocokan impedansi.
c. Kemampuan driver sinyal, sinyal kunci dan langkah perlindungan.
d. Tipe daya dan ground, persyaratan batas derau daya dan ground, pengaturan power plane dan ground plane dan pembagian.
e. Tipe dan kecepatan garis jam, sumber garis jam, arah, persyaratan tundaan jam dan persyaratan routing maksimum.

Sumber Manfaat:
• 3 Teknik Routing pada Desain Sirkuit Sinyal Kecepatan Tinggi PCB
• Metode Penindasan Refleksi Sinyal dalam Tata Letak PCB Kecepatan Tinggi
• Analisis Integritas Sinyal dan Desain PCB pada Sirkuit Digital-Analog Campuran Kecepatan Tinggi
• Kontrol Impedansi Via dan Pengaruhnya terhadap Integritas Sinyal dalam Desain PCB
• Layanan Manufaktur PCB Fitur Penuh dari PCBCart - Pilihan Tambahan Nilai Banyak
• Layanan Assembly PCB Lanjutan dari PCBCart - Mulai dari 1 potong