El disseny és una de les habilitats bàsiques de treball de Disseny de PCB enginyer. La qualitat del cablejat afectarà directament el rendiment de tot el sistema, la majoria de la teoria del disseny d’alta velocitat ha de ser realitzada i verificada finalment per Layout, de manera que es pot veure que el cablejat és crucial en el disseny de PCB d’alta velocitat. A continuació, es tindrà en compte que el cablejat real pot trobar-se amb algunes situacions, analitzar-ne la racionalitat i proporcionar una estratègia d’encaminament més optimitzada. Principalment des de la línia angular dreta, la diferència, la serp i així successivament tres aspectes a elaborar.

1. Línia d’anar rectangular

El cablejat en angle recte es requereix generalment per evitar la situació del cablejat del PCB i gairebé s’ha convertit en un dels estàndards per mesurar la qualitat del cablejat. En principi, el cablejat en angle recte canviarà l’amplada de la línia de transmissió, cosa que provocarà una discontinuïtat d’impedància. De fet, no només la línia d’angle dret, l’angle de tona i la línia d’angle aguda poden provocar canvis d’impedància.

La influència de l’alineació de l’angle recte sobre el senyal es reflecteix principalment en tres aspectes: en primer lloc, la cantonada pot ser equivalent a la càrrega capacitiva a la línia de transmissió, la qual cosa fa que es redueixi el temps de pujada; En segon lloc, la discontinuïtat d’impedància provocarà la reflexió del senyal; En tercer lloc, l’EMI generat per la punta de l’angle dret.

La capacitat paràsita causada per l’angle recte de la línia de transmissió es pot calcular mitjançant la següent fórmula empírica:

C = 61W (Er) 1/2 / Z0

A la fórmula anterior, C es refereix a la capacitat equivalent a la cantonada (pF), W es refereix a l’amplada de la línia (polzada), ε R es refereix a la constant dielèctrica del medi i Z0 és la impedància característica de la transmissió línia. Per exemple, per a una línia de transmissió de 4Mils a 50 ohms (εr 4.3), la capacitat d’un angle recte és d’aproximadament 0.0101pF, i es pot estimar la variació del temps de pujada:

T10-90% = 2.2 * C * z0 / 2 = 2.2 * 0.0101 * 50/2 = 0.556ps

Es pot veure pel càlcul que l’efecte de capacitat provocat pel cablejat en angle recte és extremadament petit.

A mesura que l’amplada de la línia de l’angle recte augmenta, la impedància en aquest punt disminuirà, de manera que hi haurà un cert fenomen de reflexió del senyal. Podem calcular la impedància equivalent després que l’amplada de la línia augmenti segons la fórmula de càlcul d’impedància esmentada a la secció de línies de transmissió i, a continuació, calcular el coeficient de reflexió segons la fórmula empírica: ρ = (Zs-Z0) / (Zs + Z0), el cablejat en angle recte general que dóna lloc a canvis d’impedància entre el 7% i el 20%, de manera que el coeficient de reflexió màxim és d’uns 0.1. A més, com es pot veure a la figura següent, la impedància de la línia de transmissió canvia al mínim dins de la longitud de la línia W / 2 i després es restaura a la impedància normal després del temps de W / 2. El temps per a tot el canvi d’impedància és molt curt, generalment dins de 10 ps. Un canvi tan ràpid i petit és gairebé insignificant per a la transmissió general del senyal.

Moltes persones tenen una comprensió d’aquest tipus sobre l’encaminament en angle recte, creient que la punta és fàcil d’emetre o rebre ones electromagnètiques i produir EMI, cosa que s’ha convertit en un dels motius pels quals molta gent creu que no és possible l’encaminament en angle recte. No obstant això, molts resultats pràctics de proves mostren que la línia d’angle recte no produeix gaire EMI que la línia recta. Potser el rendiment i el nivell de prova actuals de l’instrument restringeixen la precisió de la prova, però almenys demostra que la radiació de la línia d’angle recte és inferior a l’error de mesura del propi instrument. En general, l’alineació en angle recte no és tan terrible com podria semblar. Almenys en aplicacions inferiors a GHz, els efectes com la capacitat, la reflexió, l’EMI, etc. gairebé no es reflecteixen a les proves TDR. L’enginyer de disseny de PCB d’alta velocitat s’hauria de centrar en el disseny, el disseny de potència / terra, el disseny de cablejat, la perforació, etc. Tot i que, per descomptat, els efectes de la línia de sortida rectangular no són molt greus, però no vol dir que puguem caminar en línia recta, l’atenció als detalls és la qualitat essencial per a tots els bons enginyers i, amb el ràpid desenvolupament de circuits digitals. Els enginyers de PCB que processen la freqüència del senyal també continuaran millorant fins a arribar al camp de disseny de RF de més de 10 GHZ, Aquests petits angles rectes poden convertir-se en el focus de problemes d’alta velocitat.

2. Diferència de

El senyal diferencial s’utilitza àmpliament en el disseny de circuits d’alta velocitat. El senyal més important en un circuit és el disseny de senyal diferencial. Com assegurar el seu bon rendiment en el disseny de PCB? Tenint en compte aquestes dues preguntes, passem a la següent part del nostre debat.

Què és un senyal diferencial? En anglès senzill, el conductor envia dos senyals equivalents i inversors i el receptor compara la diferència entre els dos voltatges per determinar si l’estat lògic és “0” o “1”. El parell de cables que porten senyals diferencials s’anomena cables diferencials.

En comparació amb l’encaminament ordinari de senyals d’un sol extrem, el senyal diferencial té els avantatges més evidents en els tres aspectes següents:

A. Forta capacitat anti-interferència, perquè l’acoblament entre dues línies diferencials és molt bo, quan hi ha interferències de soroll, gairebé estan acoblades a dues línies al mateix temps, i al receptor només li importa la diferència entre els dos senyals. de manera que es pot cancel·lar completament el soroll extern en mode comú.

B. Pot suprimir efectivament l’EMI. De la mateixa manera, com que dos senyals són de polaritat oposada, el camp electromagnètic emès per ells es pot cancel·lar mútuament. Com més a prop estigui l’acoblament, menys energia electromagnètica s’allibera al món exterior.

C. El posicionament del temps és precís. Com que el canvi de commutació dels senyals diferencials es troba a la intersecció de dos senyals, a diferència dels senyals habituals d’un sol extrem que es jutgen per tensions llindars altes i baixes, és menys afectat pel procés i la temperatura, que poden reduir els errors de temps i és més adequat per a circuits amb senyals de baixa amplitud. La senyalització diferencial de baixa tensió (LVDS) fa referència a aquesta tecnologia de senyal diferencial de petita amplitud.

Per als enginyers de PCB, la preocupació més important és com assegurar-se que aquests avantatges de l’encaminament diferencial es puguin utilitzar plenament en l’encaminament real. Potser mentre estigui en contacte amb el disseny, la gent entengui els requisits generals de l’encaminament diferencial, és a dir, “la mateixa longitud, la mateixa distància”. Isomètric és assegurar que els dos senyals diferencials mantenen sempre la polaritat oposada, reduint el component de mode comú; Isomètric és principalment per assegurar la mateixa impedància diferencial, reduir la reflexió. De vegades, “el més a prop possible” és un dels requisits per a l’encaminament diferencial. Però cap d’aquestes regles no s’aplica mecànicament i molts enginyers no semblen entendre la naturalesa de la senyalització diferencial d’alta velocitat. El següent se centra en diversos errors comuns en el disseny de senyals diferencials de PCB.

Concepció errònia 1: els senyals diferencials no necessiten un pla de terra com a camí de retrocés, o creuen que les línies diferencials proporcionen un camí de retrocés. La causa d’aquest malentès es confon amb el fenomen superficial, o el mecanisme de transmissió de senyals d’alta velocitat no és prou profund. Com es pot veure a l’estructura de l’extrem receptor de la FIG. 1-8-15, els corrents emissors dels transistors Q3 i Q4 són equivalents i oposats, i el seu corrent a la unió es cancel·la exactament (I1 = 0). Per tant, el circuit diferencial és insensible a projectils de terra similars i altres senyals de soroll que poden existir a la font d’alimentació i al pla de terra. La cancel·lació parcial del flux de retrocés del pla de terra no significa que el circuit diferencial no prengui el pla de referència com a camí de retorn del senyal. De fet, en l’anàlisi del flux de retrocés del senyal, el mecanisme d’encaminament diferencial és el mateix que l’encaminament ordinari d’un extrem, és a dir, elevat

El senyal de freqüència sempre flueix al llarg del circuit amb la inductància més petita. La diferència més gran rau en que la línia de diferència no només té un acoblament al terra, sinó que també té un acoblament entre si. L’acoblament fort es converteix en el camí principal de retrocés.

En el disseny de circuits de PCB, l’acoblament entre el cablejat diferencial és generalment petit, generalment només suposa un 10 ~ 20% del grau d’acoblament, i la major part de l’acoblament es troba a terra, de manera que el camí principal de flux de retrocés del cablejat diferencial encara existeix a terra. avió. En el cas de discontinuïtat en el pla local, l’acoblament entre rutes diferencials proporciona el camí principal de retrocés a la regió sense pla de referència, com es mostra a la FIG. 1-8-17. Tot i que l’impacte de la discontinuïtat del pla de referència sobre el cablejat diferencial no és tan greu com el del cablejat ordinari d’un extrem, encara reduirà la qualitat del senyal diferencial i augmentarà l’EMI, que s’hauria d’evitar en la mesura del possible. Alguns dissenyadors creuen que el pla de referència de la línia de transmissió diferencial es pot eliminar per suprimir part del senyal de mode comú en la transmissió diferencial, però teòricament aquest enfocament no és desitjable. Com controlar la impedància? Sense proporcionar un bucle d’impedància de terra per al senyal de mode comú, és probable que es produeixi radiació EMI, cosa que fa més mal que bé.

Mite 2: mantenir un espaiat igual és més important que coincidir amb la longitud de la línia. En el cablejat real de PCB, sovint no pot complir els requisits del disseny diferencial. A causa de la distribució de pins, forats i espai de cablejat i altres factors, és necessari aconseguir el propòsit de coincidir entre la longitud de la línia mitjançant un bobinatge adequat, però el resultat és inevitablement part del parell de diferències que no poden ser paral·lels, en aquest moment, com escollir? Abans de saltar a conclusions, fem una ullada als resultats de la simulació següents. Es pot observar, a partir dels resultats de simulació anteriors, que les formes d’ona de l’esquema 1 i l’esquema 2 gairebé coincideixen, és a dir, la influència de l’espaiat desigual és mínima i la influència del desajust de longitud de línia és molt més gran en la seqüència de temps (esquema 3) . Des de la perspectiva de l’anàlisi teòrica, tot i que l’espaiat inconsistent conduirà a canvis d’impedància de la diferència, sinó perquè l’acoblament entre el propi parell de diferències no és significatiu, de manera que l’interval de canvis d’impedància també és molt petit, generalment dins del 10%, només equivalent a un reflex causat per un forat, que no causarà un impacte significatiu en la transmissió del senyal. Un cop la longitud de la línia no coincideix, a més del desplaçament de seqüència de temps, s’introdueixen components de mode comú al senyal diferencial, cosa que redueix la qualitat del senyal i augmenta l’EMI.

Es pot dir que la regla més important en el disseny del cablejat diferencial de PCB és coincidir amb la longitud de la línia i que es poden manejar altres regles de manera flexible segons els requisits de disseny i les aplicacions pràctiques.

Tres equivocacions: penseu que la línia de diferència ha de dependre de molt a prop. El punt de mantenir les línies de diferència properes no és res més que augmentar el seu acoblament, tant per millorar la seva immunitat al soroll com per aprofitar la polaritat oposada del camp magnètic per cancel·lar la interferència electromagnètica del món exterior. Tot i que aquest enfocament és molt favorable en la majoria dels casos, no és absolut. Si es poden protegir completament d’interferències externes, no haurem d’aconseguir l’objectiu d’anti-interferències i supressió d’EMI mitjançant un fort acoblament entre si. Com assegurar-se que l’encaminament diferencial tingui un bon aïllament i protecció? Augmentar la distància entre les línies i altres senyals és una de les maneres més bàsiques. L’energia del camp electromagnètic disminueix amb la relació quadrada de la distància. En general, quan la distància entre les línies és més de quatre vegades l’amplada de la línia, la interferència entre elles és extremadament feble i es pot ignorar bàsicament. A més, l’aïllament a través del pla de terra també pot proporcionar un bon efecte de protecció. Aquesta estructura s’utilitza sovint en dissenys de PCB empaquetats d’alta freqüència (superiors a 10G), coneguts com a estructura CPW, per garantir un estricte control d’impedància diferencial (2Z0), FIG. 1-8-19.

L’encaminament diferencial també es pot dur a terme en diferents capes de senyal, però generalment no es recomana, ja que diferències com la impedància i els forats a través de capes diferents poden destruir l’efecte de transmissió en mode diferencial i introduir soroll en mode comú. A més, si les dues capes adjacents no estan ben acoblades, es reduirà la capacitat de l’encaminament diferencial per resistir el soroll, però la diafonía no és un problema si es manté l’espaiat adequat amb l’encaminament circumdant. En freqüència general (per sota de GHz), l’EMI no serà un problema greu. Els experiments demostren que l’atenuació de l’energia de la radiació de les línies diferencials amb una distància de més de 500 metres de 3Mils ha arribat a 60 dB, la qual cosa és suficient per complir amb l’estàndard de radiació ELECTROMAGNÈTIC de FCC. Per tant, els dissenyadors no necessiten preocupar-se massa per la incompatibilitat electromagnètica causada per un insuficient acoblament de línies diferencials.

3. serpentina

Sovint s’utilitza una línia serpentina a Layout. El seu propòsit principal és ajustar el retard i complir els requisits del disseny de sincronització del sistema. Els dissenyadors primer han d’entendre que el filferro serpentí destruirà la qualitat del senyal, canviarà el retard de transmissió i s’hauria d’evitar quan es connecti. No obstant això, en un disseny pràctic, per tal de garantir un temps de retenció suficient dels senyals o per reduir el temps de desplaçament entre el mateix grup de senyals, cal realitzar deliberadament els bobinats.

Llavors, què fa la serpentina per transmetre el senyal? A què he de prestar atenció en caminar per la línia? Els dos paràmetres més crítics són la longitud d’acoblament paral·lel (Lp) i la distància d’acoblament (S), tal com es mostra a la FIG. 1-8-21. Viouslybviament, quan el senyal es transmeti en línia serpentina, hi haurà acoblament entre segments de línia paral·lels en forma de manera diferencial. Com més petit sigui, més gran serà Lp i major serà el grau d’acoblament. Això pot resultar en retards de transmissió reduïts i una reducció significativa de la qualitat del senyal a causa de la diafonía, tal com es descriu al capítol 3 per a l’anàlisi del diafragma en mode comú i diferencial.

A continuació, es detallen alguns consells per als enginyers de disseny quan s’ocupen de serpentines:

1. Intenteu augmentar la distància (S) del segment de línia paral·lela, que és com a mínim superior a 3H. H es refereix a la distància de la línia de senyal al pla de referència. En termes generals, és prendre una gran corba. Mentre S sigui prou gran, es pot evitar l’efecte d’acoblament gairebé completament.

2. Quan es redueix la longitud d’acoblament Lp, la diafonía generada arribarà a la saturació quan el retard de Lp s’apropi dues vegades o superi el temps d’augment del senyal.

3. El retard de transmissió del senyal causat per la línia de serra de la línia de cintes o la microcinta incrustada és menor que el de la cinta de microcinta. Teòricament, la línia de cinta no afecta la velocitat de transmissió a causa de la interconnexió en mode diferencial.

4. Per a línies d’alta velocitat i senyal amb estrictes requisits de sincronització, intenteu no caminar amb línies serpentines, especialment en una zona petita.

5. Sovint es pot adoptar l’encaminament serpentí en qualsevol angle. L’estructura C de la FIG. 1-8-20 pot reduir efectivament l’acoblament entre si.

6. En el disseny de PCB d’alta velocitat, la serpentina no té l’anomenada capacitat de filtratge ni anti-interferència i només pot reduir la qualitat del senyal, de manera que només s’utilitza per a la concordança de temps i no té cap altre propòsit.

7. De vegades es pot considerar el bobinatge en espiral. La simulació demostra que el seu efecte és millor que l’enrotllament serpentí normal.