Simulação de Integridade de Sinal PCB
Uma visão geral dos métodos usados durante o projeto de PCB e circuitos para garantir a integridade do sinal.
_______________________________________________________________________
Nosso tutorial sobre projeto do PCB inclui:
Noções básicas de design de PCB | Captura e desenho esquemático | Layout / roteamento de PCB | Diretrizes de projeto de PCB | Integridade do sinal PCB
__________________________________________
A integridade do sinal está se tornando um elemento cada vez mais importante no projeto de circuitos e PCBs. À medida que as frequências usadas nos circuitos digitais aumentam, até mesmo conexões comparativamente curtas atuam como linhas de transmissão e afetam a integridade dos sinais que estão sendo transportados. Sinais que poderiam ser considerados puramente digitais são modificados por efeitos que podem ser considerados como aplicáveis ao domínio analógico. Esses efeitos podem fazer com que os circuitos não funcionem e, portanto, a integridade do sinal é agora um problema importante para qualquer projeto de circuito.
Tendo em vista a importância da integridade do sinal em qualquer um dos designs atuais de processador de alta velocidade, é necessário incorporar simulações e verificações de design durante o processo de design e layout de PCB. Placas de circuito efetivamente precisam passar por engenharia de integridade de sinal. Se não for realizado durante o projeto, então há pouco que pode ser feito uma vez que uma placa completa tenha sido construída. Em vista disso, os principais pacotes de software de design de PCB incorporam opções para incluir engenharia de integridade de sinal e software de verificação, o que permitirá que as verificações sejam realizadas à medida que o projeto avança. Desta forma, o layout do PCB pode ser otimizado para garantir que a integridade do sinal seja projetada corretamente e os problemas que ocorrem quando o PCB finalizado estiver disponível para seu teste serão minimizados.
Problemas de integridade do sinal
Existem quatro áreas principais de design e layout de circuito que devem ser levadas em consideração para garantir que a integridade do sinal de uma placa ou design de circuito seja mantida:
- Efeitos da linha de transmissão
- Impedância
- Efeitos de comutação simultâneos
- Diafonia
Para garantir que a integridade do sinal seja mantida, todos os problemas devem ser resolvidos para garantir que o sinal não seja distorcido de forma alguma e que os dados sejam corrompidos. Desta forma, o sistema é capaz de operar satisfatoriamente sem erros e na velocidade necessária.
Efeitos da linha de transmissão
Em baixas frequências, um comprimento de via pode ser considerado puramente por suas características DC. No entanto, à medida que as frequências aumentam, os efeitos, incluindo a capacitância e a indutância associados à via, começam a ter um impacto significativo no desempenho da linha. Assim é necessário considerar os trilhos como linhas de transmissão, e tratá-los de acordo, observando aspectos como a impedância da linha.
Como resultado, é necessário garantir que a linha mantenha a mesma impedância característica ao longo do comprimento da linha, caso contrário, serão introduzidas descontinuidades. Isso pode resultar na criação de reflexões de sinal que podem dar origem a toques e integridade de sinal ruim.
A fim de garantir que as linhas de transmissão sejam tratadas corretamente. Primeiro é necessário que as linhas tenham um plano de chão abaixo delas. Também é necessário calcular a impedância da linha. Isso é determinado a partir de uma combinação da espessura da linha, a distância entre a linha e o plano de aterramento e a constante dielétrica da placa. Se acontecer com frequência, a linha precisa atravessar entre as camadas e, portanto, a distância entre a linha e o plano do solo muda. Será necessário garantir que a impedância da linha permaneça a mesma, possivelmente alterando a espessura da linha.
Impedância
Tendo em vista que as linhas em PCBs agem mais como linhas de transmissão à medida que as frequências aumentam, também é necessário considerar a maneira pela qual as impedâncias precisam ser casadas para garantir uma boa integridade do sinal. Quando há um descompasso entre a linha e a carga, nem toda a energia da forma de onda é absorvida pela carga. O que não é absorvido é refletido de volta ao longo da linha, onde pode não ser novamente absorvido se houver uma incompatibilidade entre o transmissor e a linha. Isso pode causar overshoot e ringing, o que leva a uma integridade de sinal ruim e dá origem a erros de sinal. Para superar esse problema, é necessário combinar a linha de transmissão com os drivers ou transmissores de linha e os receptores de linha. Muitas saídas de drivers e receptores que possuem impedâncias de entrada e saída adequadas. Onde isso não for possível, digamos entre a linha de transmissão e o receptor, é possível colocar um resistor no chão. Desta forma, a combinação paralela do receptor de linha e do resistor pode igualar a impedância da linha.
Tendo em vista as altas velocidades envolvidas e o comprimento de algumas linhas, a capacidade de acionamento dos drivers precisa ser maior do que alguns chips “somente lógicos” e devem ser usados drivers de linha especiais. Eles serão capazes de fornecer a corrente necessária para conduzir corretamente as linhas.
Em algumas aplicações, pode ser possível adicionar diodos de fixação para reduzir o nível de overshoot e undershoot e, dessa forma, manter os níveis de integridade do sinal. No entanto, sempre que possível, é muito melhor garantir que a correspondência adequada seja alcançada.
Efeitos de comutação simultâneos
Um efeito que pode interromper a integridade do sinal em uma placa de circuito ocorre quando várias linhas de saída são comutadas simultaneamente. Como a carga armazenada nas saídas precisa ser descarregada, isso dá origem a altos níveis de correntes transitórias. Embora os níveis de transientes sejam normalmente adequados para a mudança de saídas individuais, se várias linhas forem comutadas simultaneamente, especialmente no mesmo chip, as correntes transitórias são maiores e isso pode causar problemas. Problemas com a integridade do sinal surgem porque surge uma tensão entre o terra do dispositivo e o terra da placa. Se o chip ground aumentar o suficiente, pode fazer com que os níveis de comutação do sinal sejam excedidos, causando assim comutação espúria.
Para superar este problema, há uma série de medidas que podem ser incorporadas. Uma delas é garantir que não ocorra comutação simultânea, mas isso nem sempre é possível, principalmente quando os circuitos são operados de maneira síncrona. Um bom aterramento é essencial: um plano de aterramento deve ser usado para garantir um retorno de aterramento de baixa resistência. Além disso, um desacoplamento suficiente diretamente no chip pode ajudar com alguns dos efeitos relacionados.
Diafonia
Este aspecto da integridade do sinal surge do fato de que os sinais que aparecem em uma linha aparecem nas linhas próximas. Isso pode resultar em picos espúrios e outros sinais que aparecem nas linhas próximas. Isso pode causar dados errados ou pulsos de clock, e pode ser muito difícil rastreá-los em algumas circunstâncias. A má integridade do sinal de diafonia surge de duas causas, ou seja, indutância mútua e capacitância mútua.
A indutância mútua é o efeito que se usa nos transformadores. Surge do fato de que uma corrente em uma trilha cria um campo magnético. Mudanças neste campo então induzem uma corrente em uma trilha próxima.
O capacitivo mútuo ocorre como resultado do acoplamento dos campos elétricos entre duas trilhas. Uma voltagem que aparece em uma trilha cria um campo elétrico que pode se acoplar a uma segunda linha. A alteração de tensões, especialmente bordas rápidas, pode resultar em bordas semelhantes aparecendo em linhas próximas.
Existem várias técnicas que podem ser usadas para superar esses efeitos. Como a má integridade do sinal de diafonia surge de indutância e capacitância mútuas, as soluções envolvem tomar medidas para reduzi-las. Isso pode ser alcançado de várias maneiras, organizando o layout de acordo. O roteamento deve evitar linhas paralelas entre si. Se as linhas tiverem que se cruzar, isso deve ser feito em ângulos retos e usando camadas o mais afastadas possível. O espaçamento entre as linhas deve ser o mais amplo possível e, para reduzir a capacitância mútua, as linhas devem ser as mais finas possíveis. Finalmente, onde forem usadas linhas de transmissão, elas devem estar o mais próximo possível do plano de terra. Isso reduzirá o acoplamento com outras linhas próximas.
Mais ideias
Existem várias outras ideias que podem ser implementadas para auxiliar na manutenção de bons níveis de integridade do sinal. Uma área à qual se deve prestar atenção especial é o circuito de relógio. Como gera um pulso de clock regular, isso pode criar um ruído de fundo se as medidas de integridade do sinal não forem incorporadas. Assim, é necessário garantir que sejam implementadas medidas para reduzir o crosstalk nas linhas de relógio. Em particular, as linhas de sinal devem ser mantidas afastadas das linhas do relógio e não devem ser roteadas uma sob a outra. Se isso for necessário, o solo ou plano de terra deve estar entre eles. Para garantir a integridade do sinal, também é necessário garantir que as linhas sejam bem combinadas para evitar o toque. Isso pode adicionar picos adicionais que podem ser transmitidos ao redor do circuito.
Outro método para melhorar a integridade do sinal é garantir que todos os chips estejam adequadamente desacoplados. Um desacoplamento inadequado aumentará o ruído presente nos circuitos e isso pode afetar a integridade do sinal. Cada chip deve ser desacoplado de acordo com as diretrizes do fabricante. Os capacitores de desacoplamento também devem ser colocados o mais próximo possível dos chips.
A engenharia de integridade de sinal é agora uma parte integral e essencial do processo de projeto de placas de circuito impresso. Com as altas velocidades empregadas em muitos dos circuitos atuais, não é mais possível projetar o circuito básico isolado do PCB. Em vez disso, o projeto do PCB deve fazer parte do projeto elétrico geral. Quando esta abordagem é adotada, a possibilidade de problemas resultantes da má integridade do sinal será minimizada.
Livros para Amantes de Eletrônica
________________________________________________
Retorne ao menu Projetos de Circuito
A Raisa distribui equipamentos para soldagem e para teste e medição há mais de 30 anos! Considere explorar algumas das nossas principais soluções navegando nas categorias abaixo:
0 Comentários