Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu PCB Đa Bảng: Hướng Dẫn Đầy Đủ

Thiết kế PCB đa bảng nghe có vẻ rất đơn giản trên bề mặt. Bạn đang thiết kế một hệ thống gồm nhiều bảng mạch và kết nối chúng lại với nhau bằng cáp, kết nối cạnh, kết nối mezzanine, chốt pogo, v.v. PCB đa bảng có một loạt các thách thức về tính toàn vẹn tín hiệu mà không phải lúc nào cũng tìm thấy trong các hệ thống chỉ có một PCB duy nhất. Dù bạn có một bảng mạch duy nhất hay một hệ thống gồm nhiều bảng mạch, tính toàn vẹn tín hiệu cần được duy trì, đặc biệt là trong các hệ thống tiên tiến được tìm thấy trong các lĩnh vực như quân sự, hàng không vũ trụ, HPC và AI.

Vậy thì nguyên tắc tính toàn vẹn tín hiệu được áp dụng ở đâu trong một hệ thống PCB đa bảng? Có một số khu vực mà tính toàn vẹn tín hiệu cần được duy trì và thường xuyên được kiểm tra một cách thực nghiệm:

• Các chốt kết nối và giao diện
• Thiết kế cáp và dây dẫn
• Kết nối trở lại với vỏ máy, ví dụ, một vỏ máy được mạ kim loại

Các vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu trong những khu vực này cũng có thể trở thành vấn đề EMI/EMC, và điều đó đặc biệt đúng với PCB đa bảng.

Trong hướng dẫn này, tôi sẽ hướng dẫn cách chọn linh kiện và thiết kế kết nối sao cho đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu trên nhiều bảng mạch. Những bước này vẫn không loại bỏ được nhu cầu về tính toàn vẹn tín hiệu trên PCB; cả hai lĩnh vực đều quan trọng trong hệ thống và giúp ngăn chặn vấn đề EMI.

Tín hiệu và Phát thải trên Kết nối Đa Bảng Mạch

Khi nói đến thiết kế PCB đa bảng mạch, rõ ràng chúng ta đang chuyển tín hiệu giữa hai PCB, vì vậy chúng ta nên biết một số điều về tín hiệu và khả năng phát thải mà chúng có thể tạo ra. Sự tham chiếu đến phát thải là một trong những liên kết cốt lõi giữa EMI/EMC và thiết kế PCB đa bảng mạch.

Loại phát thải và nhiễu bạn có thể mong đợi phụ thuộc vào loại tín hiệu bạn cần gửi giữa hai PCB:

• Tín hiệu khác biệt, tự tham chiếu
• Tín hiệu đơn cuối, yêu cầu một điểm tham chiếu
• Tín hiệu hình sin hoặc băng hẹp, thường là đơn cuối

Loại tín hiệu và tốc độ biên sẽ quyết định thiết kế của bạn cho pinout, giả sử pinout chưa được xác định trước cho bạn. Nếu bạn có thể thiết kế pinout một cách phù hợp và chọn đúng loại kết nối, bạn có thể đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu qua giao diện kết nối.

Ngoài thiết kế của pinout, chính bộ kết nối cũng có thể gây ra vấn đề về tính toàn vẹn của tín hiệu. Vấn đề tính toàn vẹn tín hiệu chính có thể phát sinh trong kết nối từ bảng này sang bảng khác là sự phản xạ quá mức, dẫn đến bức xạ. Trong trường gần, bức xạ có thể được truy vết trực tiếp đến chính thân bộ kết nối, đặc biệt là do thiếu một mốc đất nhất quán sẽ chứa tín hiệu. Cuối cùng, mặc dù một bộ kết nối cụ thể có thể có pinout phù hợp và được đánh giá cho một tốc độ dữ liệu nhất định, việc nhập trace không chính xác vào thân bộ kết nối hoặc các đoạn stub còn sót lại có thể tạo ra tổn thất quá mức.

Đầu tiên, hãy xem xét loại bộ kết nối nào sẽ cần thiết trong các tình huống mà tính toàn vẹn tín hiệu là mối quan tâm lớn.

Loại Bộ Kết Nối Tốt Nhất cho Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu

Những nhà cung cấp bộ kết nối lớn đã phát triển nhiều hệ thống kết nối giữa bảng với bảng đã được chứng minh là có thể sử dụng ở tốc độ dữ liệu rất cao. Nói cách khác, những hệ thống kết nối này đã được chứng minh là hoạt động thành công lên đến băng thông kênh rất cao như được xác định từ các thông số thiết bị. Một số ví dụ về các loại bộ kết nối này bao gồm:

• Các kết nối bảng với bảng gắn mép với tiếp xúc chân trượt
• Các kết nối lưỡi (dọc và gắn mép)
• Hệ thống kết nối lỗ thông hoặc lưỡi gắn qua lỗ, như trong hệ thống VPX
• Hệ thống kết nối chân trượt
• Kết nối loại đồng trục cho mảng kết nối
• Kết nối gắn BGA mật độ cao

Một ví dụ tuyệt vời về một bộ phận có thể hỗ trợ các tốc độ tín hiệu cực cao này là cặp kết nối ghép Samtec 40 chân QTE/QSE, được biết đến nhiều hơn với tên gọi là kết nối SYZYGY.

Mã phần: Samtec QTE-020-01-F-D-A

Trong lĩnh vực hệ thống RF, đặc biệt là hệ thống sóng mm, cũng có sản phẩm kết nối đồng trục gắn nhóm có thể gắn vào PCB và kết nối với cáp. Ví dụ, kết nối SMPM gắn nhóm dưới đây.

Mã phần: TE Connectivity 2441485-1

Cuối cùng, tôi luôn muốn giới thiệu một ví dụ về connector qua lỗ có thể tìm thấy trong backplane VPX để minh họa cho sự hữu ích của những connector này, ngay cả trong các kết nối tốc độ cao. Mặc dù connector được lắp đặt như một thành phần qua lỗ, giao diện board-to-board không sử dụng các chân như bạn sẽ tìm thấy trong một header. Thay vào đó, đây là các connector tiếp xúc trượt tương thích với tốc độ dữ liệu rất cao.

Connector ghép nối Amphenol SpaceVPX VITA 78

Vì connector cụ thể này được lắp qua lỗ vào một bảng mạch, bạn sẽ cần thực hiện khoan lùi cho các chân tốc độ cao nhất, hoặc bạn sẽ phải định tuyến qua toàn bộ stack-up. Một lựa chọn khác là sử dụng vias boomerang, nhưng thường thì các bảng mạch sử dụng loại connector này không sử dụng lớp xây dựng HDI do lo ngại về độ tin cậy.

Vì vậy, nếu connector qua lỗ sẽ được sử dụng để truyền tín hiệu trong các kênh số tốc độ cao, hãy chắc chắn lên kế hoạch định tuyến cẩn thận để bạn có thể định tuyến tín hiệu qua stack-up. Đây là nơi mà việc lên kế hoạch pinout cũng trở nên quan trọng như chúng ta sẽ thấy ngay sau đây.

Thiết kế Pinout cho Kết nối Đa Bảng Tốc độ Cao

Các chân kết nối cho kết nối giữa các bảng mạch hỗ trợ tín hiệu tốc độ cao cần phải bao gồm một số chân tham chiếu đất qua kết nối từ bảng này sang bảng khác. Điều này áp dụng cho cả kết nối trực tiếp giữa các bảng mạch và kết nối từ bảng mạch đến cáp. Giống như trong cấu trúc xếp chồng PCB, nơi chúng ta phân bổ một số lớp cho các mặt đất, chúng ta cũng muốn phân bổ một số chân làm đất trong bố trí chân kết nối.

Một quy tắc đơn giản rất dễ nhớ là nối đất giữa các tín hiệu số. Một trong những ví dụ phổ biến tôi thường trình bày là trong một bài viết khác về việc định tuyến trong backplanes, cụ thể là backplanes VPX. Hình dưới đây cho thấy việc định tuyến cặp tín hiệu vi sai vào một bố trí chân kết nối chạy ở nhiều gigabit mỗi giây. Lưu ý rằng kết nối này là một thành phần lắp qua lỗ được gắn dọc, và các đường dẫn đến gần lớp sau để giảm thiểu phần còn thừa.

Những chân vi sai Gbps này chạy chéo trong bố trí chân kết nối và chúng được tách biệt với nhau bởi đất. Mặc dù bạn có thể đưa nhiều tín hiệu hơn qua kết nối này, việc phân bổ nhiều chân cho đất là cần thiết để giảm thiểu nhiễu chéo vi sai và bức xạ phát ra.

Hướng dẫn Bố Trí Chân Kết Nối

Theo dõi những hướng dẫn đơn giản này cho thiết kế bố trí chân kết nối để giúp đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu:

• Sử dụng các chân nối đất xen kẽ khi có thể
• Đặt các chân đơn cuối cạnh các chân nối đất
• Đối với các cặp vi sai, đặt chân dương và chân âm cạnh nhau
• Tránh chồng chéo các chân vi sai trên nhiều hàng
• Nếu có các chân không sử dụng, kết nối tất cả chúng với GND

Tại Sao Chúng Ta Xen Kẽ Nối Đất trên Các Chân

Trong các ví dụ trên, bạn có thể thấy rằng các chân tín hiệu đến được bao quanh bởi các chân nối đất. Điều này được thực hiện với ba lý do:

• Để giảm thiểu nhiễu chéo giữa các chân
• Để thiết lập một trở kháng đầu vào nhất quán vào bộ kết nối
• Để giảm bức xạ phát ra từ tín hiệu
• Để chứa nhiễu chế độ chung trên các chân vi sai

Đây là những lý do cơ bản chúng ta bao gồm các chân nối đất trên cả kết nối đơn cuối và kết nối vi sai đến một bộ kết nối nhiều chân. Lý do chính là để cung cấp nối đất cho các tín hiệu đơn cuối, điều này sẽ giảm bức xạ phát ra và nhiễu chéo độc lập, đặc biệt nếu một tín hiệu được định tuyến ra ngoài một cáp. Lý do thứ hai là nối đất thường được cần trong cáp để thiết lập trở kháng cáp, điều này đúng với các cáp tiêu chuẩn với cáp xoắn đôi, như cáp USB.

Điều này cũng áp dụng cho các kết nối và cáp với tín hiệu vi sai. Mặc dù đúng là các cặp vi sai tự tham chiếu, sự hiện diện của mặt đất thay đổi trường điện xung quanh cặp vi sai, và đó là lý do tại sao nó ảnh hưởng đến khả năng gây nhiễu chéo vi sai.

Định Tuyến Đầu Vào Dây Truyền

Các kết nối cho tín hiệu tốc độ cao có thể không có bất kỳ khuyến nghị đặc biệt nào về định tuyến đầu vào dây truyền trong tờ dữ liệu linh kiện khi các đường mạch nằm trên cùng một lớp với các chân kết nối. Kết nối sẽ có một trở kháng đầu vào nhất định khi nhìn vào cáp hoặc kết nối ghép nối của bạn, và điều này cần được khớp với trở kháng dây truyền. Bình thường, đây chỉ là một trở kháng 50-ohm cho các đường mạch đơn cuối hoặc một trở kháng vi sai 100-ohm cho các đường mạch vi sai.

Một lưu ý quan trọng về các đường mạch vi sai: một trở kháng vi sai 100-ohm trong trường hợp này thực sự tương ứng với một trở kháng chế độ lẻ 50-ohm. Nếu kết nối là vi sai, hãy chắc chắn bạn đang khớp với trở kháng vi sai của kết nối.

Một ví dụ về định tuyến đầu vào trên một kết nối dày đặc hai hàng được tìm thấy dưới đây. Trong hình ảnh, chúng tôi có các đường mạch đơn cuối và các đường mạch vi sai.

Trong hình ảnh này của đường dẫn, các cặp vi sai xa kết nối được mở rộng ra, nhưng các đường dẫn lại gần nhau hơn khi đi vào kết nối. Việc kéo chúng lại gần nhau khi tiếp cận với các chân kết nối là phù hợp, giống như bạn sẽ làm khi tiếp cận với các chân trên một mạch tích hợp. Đặc điểm đáng chú ý khác của kết nối này là tiếp điểm ở giữa, được phân bổ cho GND và nó cho phép sử dụng nhiều cặp vi sai trong nhóm chân.

Tiếp theo, lưu ý rằng độ rộng của đường dẫn tương tự như kích thước pad. Có thể có đường dẫn rộng hơn kích thước pad, nhưng bạn có thể cần phải thu hẹp đường dẫn khi đi vào pad. Điều này có thể được yêu cầu bởi vì khi các đường dẫn đến gần các chân, bạn có thể vi phạm khoảng cách an toàn, và việc thu hẹp sẽ được yêu cầu. Nhớ rằng, đây là các đường dẫn có trở kháng kiểm soát, vì vậy nếu bạn cần có đường dẫn hẹp hơn, bạn sẽ cần làm cho lớp nền mỏng hơn hoặc sử dụng giá trị hằng số điện môi cao hơn.

Cuối cùng, chúng ta có thể có đường dẫn đi qua vias, và điều này có thể được thực hiện như via trong pad hoặc một sự chuyển tiếp xa hơn từ các chân kết nối. Tùy thuộc vào khoảng cách giữa các chân, bạn có thể cần phải phân tách các vias để tránh lỗi DRC về khoảng cách.

Hãy nhớ rằng chúng ta đang xử lý một loại kết nối được đánh giá cho tín hiệu tốc độ cao, vì vậy việc chuyển đổi qua via cũng cần được thiết kế một cách có chủ ý. Mục đích là để khớp trở kháng đặc trưng của via với trở kháng đầu vào của chân kết nối, với kết quả cuối cùng là trở kháng đầu vào kết hợp thấy ở via khớp với trở kháng đường truyền của bạn. Điều đó có nghĩa là cần phải đúng cách kích thước các yếu tố sau:

• Kích thước antipad
• Đường kính via
• Kích thước pad hạ cánh của via
• Sự hiện diện hoặc loại bỏ NFPs
• Vị trí và số lượng via ghép nối

Đây chung quy là cách tiếp cận bạn sẽ áp dụng khi xử lý một chuyển đổi đơn cuối hoặc chênh lệch yêu cầu băng thông kênh cao. Điều này bắt đầu trở nên quan trọng khi bạn làm việc ở trên khoảng 3 GHz, mà tôi đã trình bày chi tiết trong một bài viết khác.

Phân tích Liên kết Tốc độ Cao với Kết nối Sử dụng S-Parameters

Giống như các liên kết tốc độ cao khác, S-parameters có thể được sử dụng để phân tích các đường truyền với các kết nối và cáp như một phần của kết nối liên tục. Tất nhiên, có thể xây dựng toàn bộ hình học kết nối liên tục sử dụng mô hình 3D của thân kết nối, và thậm chí là mô hình 3D của cáp; sau đó bạn sẽ sử dụng một trình giải quyết trường điện từ 3D để xác định S-parameters cho toàn bộ liên kết. Rõ ràng, đây là một nhiệm vụ rất tốn thời gian, đòi hỏi nhiều sức mạnh tính toán cũng như phần mềm chuyên biệt.

May mắn thay, các nhà cung cấp kết nối thị trường sản phẩm của họ để sử dụng trong các liên kết số tốc độ cao hoặc các liên kết RF tần số cao thường cung cấp dữ liệu S-parameter cho sản phẩm của họ trong các tệp Touchstone. Bạn có thể sau đó sử dụng dữ liệu của nhà cung cấp kết nối để tạo một mô hình mạng tuyến tính cho kết nối liên tục và sau đó xác định S-parameters xếp chồng.

Các công cụ phân tích như Simbeor, MATLAB và Keysight ADS sau đó có thể xác định các S-parameters ghép nối cho mô hình này. Điều này cho bạn biết về sự truyền tải công suất và tổn thất dọc theo toàn bộ kết nối liên lạc. Bạn giờ đây có thể dự đoán cách liên kết sẽ hoạt động dựa trên các tham số khác trong thiết kế mà bạn có thể kiểm soát, đáng chú ý là thiết kế đường truyền và thiết kế nhập của bộ kết nối. Trong mạng lưới này, các S-parameters cho từng phần riêng lẻ phải được biết, và sau đó bộ mô phỏng có thể tính toán mạng lưới ghép nối và các S-parameters của nó.

Vậy về vấn đề ngược lại, khi bạn không biết các S-parameters của bộ kết nối? Trong trường hợp này, bạn sẽ cần sử dụng các phép đo để loại bỏ các S-parameters cho bộ kết nối. Trong trường hợp này, bộ kết nối tạo thành DUT trong mạng lưới tuyến tính, và các S-parameters của bộ kết nối được xác định từ các S-parameters của mạng lưới ghép nối bằng cách sử dụng phương pháp loại bỏ. Cùng các chương trình phân tích đã liệt kê ở trên cũng có thể được sử dụng để loại bỏ các S-parameters cho bộ kết nối miễn là các S-parameters cho các thành phần khác trong mạng lưới tuyến tính được biết.

Để tìm hiểu thêm, xem video sau đây từ Ben Jordan.