Tìm hiểu thiết kế high speed pcb – Phần 2

0
659

Nội dung trong chuỗi bài viết tìm hiểu về high speed design pcb trên PCBVIET không cố gắng cung cấp đầy đủ về thiết kế high speed, vì có vô số những tài liệu, sách rất hay và chuyên môn cao về chủ đề này. Mục đích của bài viết này là giới thiệu các yếu tố chính của thiết kế high speed pcb và sau đó sẽ giới thiệu cách mà từng yếu tố ấy được xử lý trong thiết kế PCB bằng phần mềm thiết kế mạch Altium Designer.

Những nội dung của chuỗi bài viết học thiết kế high speed pcb được mình đọc hiểu, tổng hợp và dịch lại thành từng chủ đề theo mỗi bài viết dựa theo kinh nghiêm làm việc của mình. Nó có thể không đúng hoàn toàn, thậm trí còn sai hoàn toàn, vì có thể mình hiểu sai hoặc truyền đạt sai. Nếu bạn thấy điểm nào sai hoặc chưa đúng hãy vui lòng email cho tôi (syhaunguyen@pcbviet.com) để tôi kịp thời sửa chữa những gì tôi đã viết ra ở đây, đồng thời cũng giúp tôi cải thiện được kiến thức của mình.

Hãy đọc những bài viết về high speed pcb ở blog của tôi vì bài viết có thể được bổ sung và sửa đổi.

Nhanh như thế nào thì được cho là high-speed PCB?


 

Khi chuyển mạch ở tần số cao, năng lương truyền qua các đường mạch sẽ hoạt động khác đi. Như đã đề cập ở phần trước, nó không còn di chuyển bên trong như một đường ống nữa, thay vào đó, năng lượng tập trung ở chính bề mặt của của đường mạch. Còn được gọi là “skin effect”. Với một phần năng lượng thực sự được truyền đi dưới dạng bức xạ điện từ. Không đi qua dây dẫn thực tế mà năng lượng này đi qua vật liệu xung quanh đường mạch.

Đây là lý do tại sao những high speed pcb thường được mạ vàng.

Tại sao high speed pcb thường được mạ vàng?
Tại sao high speed pcb thường được mạ vàng?

Khi tín hiệu tốc độ cao được truyền đi trên một bo mạch, những thuộc tính của vật liệu của PCB sẽ cho biết tín hiệu truyền nhanh như thế nào và mức độ ảnh hưởng của nó đến tốc độ truyền tín hiệu.

Khi độ trễ của tín hiệu đủ lâu, nó sẽ trở thành vấn đề lớn với thiết kế mạch high-speed. Giống như sóng đâp vào bờ, khi tín hiệu đến đích một phần năng lượng trong tín hiệu được phản xạ lại về phía nguồn phát. Nếu năng lượng phản xạ này quay lại phía nguồn phát trong khi tín hiệu của bạn vẫn trong quá trình chuyển mức thì tín hiệu ban đầu sẽ đủ mạnh để triệt tiêu phần năng lượng phản xạ này khi nó hoàn thành quá trình chuyển đổi. Nhưng nếu quá trình chuyển đổi này được hoàn thành trước khi năng lượng phản xạ quay trở lại thì tính toàn vẹn của tín hiệu sẽ gặp vấn đề.

Giống như bạn nói A… B… C vào một vách núi vậy, sóng âm phản xạ sẽ hòa cùng sóng âm của A B C bạn nói, những gì bạn nghe được sẽ không còn chính xác là A B C như bạn nói nữa. Nó hòa giữa nguồn phát và sóng âm phản xạ.

Tóm lại, khi thời gian dịch chuyển dọc theo chiều dài của đường mạch bằng hoặc dài hơn thời gian chuyển mạch thì tính toàn vẹn của tín hiệu sẽ bị nghi ngờ. Khi đó bạn mới đang thực sự thiết kế một high speed PCB.

Khi đó độ dài lớn nhất của đường mạch mà vẫn chưa bị ảnh hưởng được gọi là độ dài tới hạn; các đường mạch ngắn hơn độ dài đó sẽ không gặp phải sự cố về toàn vẹn tín hiệu. Trong khi những đường mạch dài hơn mức này có thể gặp vấn đề về bảo toàn tín hiệu.

Quay lại công thức vật lý : Quãng đường = Vận tốc x thời gian

Quy đổi ra các tham số thuật ngữ trong thiết kế mạch

  • Quãng đường(Interconnect Lenth): là quãng đường mà tín hiệu đi từ đến đầu đến điểm cuối (Source to load). Ký hiệu là Li
  • Vận tốc truyền(Propagation velocity): Tín hiệu thường chậm hơn tốc độ của ánh sáng trong môi trường chân không, nó tỷ lệ với căn bậc 2 của hằng số điện môi của vật liệu làm mạch. Ký hiệu là Vp
toc do truyen tin hieu
Công thức tính tốc độ truyền tín hiệu

Trong đó

    • C là tốc độ truyền của ánh sáng trong chân không
    • Er là hằng số điện môi của vật liệu PCB
    • Vp là tốc độ truyền
  • Thời gian(Time of flight): Thời gian truyền là thời gian cần thiết để tín hiệu truyền tới đích. Ký hiệu là Tf
thoi gia truyen
Công thức tính thời gian truyền

Với tín hiệu có thêm một thông số cần quan tâm đó là Rise time. Rise time là thời gian cần thiết kế một tín hiệu chuyển từ lức thấp sang mức cao. Một số tài liệu sử dụng quy tắc 1/3 hoặc 20% của VCC

Tìm hiểu rõ hơn về rise time

rise time

Khi đó tỷ lệ giữa thời gian truyền và Rise time sẽ quyết định nó thuộc nhóm tốc độ nào từ đó sẽ có những phương án kỹ thuật giải quyết để đảm bảo tính bảo toàn tín hiệu. Những phương án đó có thể áp dụng vào thiết kế hoặc  quá trình sản xuất.

  • Slow  nếu Tf/Trise < 0.25
  • Fast nếu 0.25 < Tf/Trise < 1
  • High speed Tf/Trise > 1

Trong thiết kế mạch, với tín hiệu tốc độ thấp sẽ không cần quan tâm và không yêu cầu những kỹ thuật đặc biệt, nhưng với những tín hiệu tốc độ cao và rất cao thì cần sử dụng một số kỹ thuật như slow down edge rate, impedance matching, path length,…

Trong những bài tiếp theo trong chuỗi bài viết về tìm hiểu thiết kế high speed pcb. Tôi sẽ cùng các bạn tìm hiểu các kỹ thuật thường sử dụng trong thiết kế high speed pcb.

 

 

Facebook Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here