Layout hè una di e cumpetenze di travagliu più basi per l’ingegneri di cuncepimentu di PCB. A qualità di u cablaggio affettarà direttamente a prestazione di tuttu u sistema. A maiò parte di e teorie di cuncepimentu d’alta velocità deve esse infine implementate è verificate attraversu Layout. Si pò vede chì u filatu hè assai impurtante in PCB ad alta velocità disignu. U seguitu analizà a razionalizazione di alcune situazioni chì ponu esse scontri in u cablaggio attuale, è dà alcune strategie di routing più ottimizzati.

Hè spiegatu principarmenti da trè aspetti: cablaggio angulu drittu, cablaggio differenziale è cablaggio serpentina.

1. Route-angle right

U filatu à l’angolo recto hè in generale una situazione chì deve esse evitata quant’è pussibule in u filatu PCB, è hè quasi diventatu unu di i normi per a misurazione di a qualità di u filatu. Allora quanta influenza averà u cablaggio à l’angolo drittu nantu à a trasmissione di u signale? In principiu, u routing à l’angulu drittu cambierà a larghezza di a linea di trasmissione, causendu discontinuità in l’impedenza. In fatti, micca solu u routing à l’angulu drittu, ma ancu i cantoni è u routing à l’angulu acutu pò causà cambiamenti d’impedenza.

L’influenza di l’instradamentu à l’angolo retta nantu à u signale hè principalmente riflessa in trè aspetti:

Unu hè chì u cantonu pò esse equivalente à a carica capacitiva nantu à a linea di trasmissione, chì rallenta u tempu di crescita; u sicondu hè chì a discontinuità di l’impedenza pruvucarà a riflessione di u signale; u terzu hè l’EMI generatu da a punta à l’angolo right.

A capacità parassita causata da l’angolo drittu di a linea di trasmissione pò esse calculata da a seguente formula empirica:

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

In a formula di sopra, C si riferisce à a capacità equivalente di u cantonu (unità: pF), W si riferisce à a larghezza di a traccia (unità: inch), εr si riferisce à a constante dielettrica di u mediu, è Z0 hè l’impedenza caratteristica. di a linea di trasmissione. Per esempiu, per una linea di trasmissione 4Mils 50 ohm (εr hè 4.3), a capacità purtata da un angulu retta hè di circa 0.0101pF, è poi u cambiamentu di u tempu di crescita causatu da questu pò esse stimatu:

T10-90%=2.2CZ0/2=2.20.010150/2=0.556ps

Pò esse vistu à traversu u calculu chì l’effettu di capacità purtatu da a traccia di l’angulu drittu hè estremamente chjucu.

Cum’è a larghezza di a linea di a traccia d’angolo retta aumenta, l’impedenza ci diminuirà, cusì un certu fenomenu di riflessione di u segnu si verificarà. Pudemu calculà l’impedenza equivalente dopu chì a larghezza di a linea aumenta secondu a formula di calculu d’impedenza citata in u capitulu di a linea di trasmissione, è dopu Calculate u coefficient di riflessione secondu a formula empirica:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

In generale, u cambiamentu d’impedenza causatu da u cablaggio à l’angolo retta hè trà 7% -20%, cusì u coefficient di riflessione massimu hè di circa 0.1. Inoltre, cumu pò esse vistu da a figura sottu, l’impedenza di a linea di trasmissione cambia à u minimu in a lunghezza di a linea W / 2, è poi torna à l’impedenza normale dopu à u tempu di W / 2. Tuttu u tempu di cambiamentu di l’impedenza hè estremamente cortu, spessu in 10ps. Dentru, tali cambiamenti veloci è chjuchi sò quasi insignificanti per a trasmissione di signali generale.

Parechje persone anu questa cunniscenza di u filatu à l’angulu drittu. Pensanu chì a punta hè faciule per trasmette o riceve onde elettromagnetiche è generà EMI. Questu hè diventatu unu di i mutivi per quessa chì parechje persone pensanu chì u filatu à l’angulu drittu ùn pò micca esse instradatu. In ogni casu, parechji risultati di test attuali mostranu chì e tracce angulate ùn pruduceranu EMI evidenti cà e linee rette. Forse a prestazione attuale di l’instrumentu è u livellu di prova limitanu a precisione di a prova, ma almenu illustra un prublema. A radiazione di u cablaggio angulu drittu hè digià più chjucu cà l’errore di misurazione di u strumentu stessu.

In generale, u routing à l’angulu drittu ùn hè micca cusì terribili cum’è imaginatu. Almenu in l’applicazioni sottu à GHz, qualsiasi effetti cum’è capacità, riflessione, EMI, ecc. L’ingegneri di cuncepimentu di PCB à alta velocità duveranu sempre fucalizza nantu à u layout, u disignu di l’energia / terra, è u disignu di cablaggio. Via buchi è altri aspetti. Di sicuru, ancu s’è l’impattu di u filatu à l’angulu drittu ùn hè micca assai seriu, ùn significa micca chì tutti pudemu usà u filatu à l’angulu drittu in u futuru. L’attenzione à i dettagli hè a qualità basica chì ogni bonu ingegnere deve avè. Inoltre, cù u rapidu sviluppu di i circuiti digitale, PCB A freccia di u signale processatu da l’ingegneri hà da cuntinuà à cresce. In u campu di u disignu RF sopra 10GHz, questi picculi anguli dritti ponu diventà u focu di prublemi d’alta veloce.

2. Differential routing

Segnale Differential (DifférentialSignal) hè sempre più largamente utilizatu in u disignu di circuiti à alta velocità. U signale più criticu in u circuitu hè spessu cuncepitu cù una struttura differenziale. Chì ghjè cusì populari? Cumu assicurà a so bona prestazione in u disignu di PCB? Cù sti dui dumande, andemu à a prossima parte di a discussione.

Chì ghjè un signalu differenziale? In termini laici, l’estremità di guida manda dui segnali uguali è invertiti, è l’estremità ricevente ghjudica u statu logicu “0” o “1” paragunendu a diferenza trà e duie tensioni. U paru di tracce chì portanu signali differenziali hè chjamatu tracce differenziali.

In cunfrontu cù tracce di signali unicu ordinariu, i segnali differenziali anu i vantaghji più evidenti in i trè aspetti seguenti:

a. Forte capacità anti-interferenza, perchè l’accoppiamentu trà e duie tracce differenziali hè assai bona. Quandu ci hè interferenza di u sonu da l’esternu, sò guasi accoppiati à e duie linee à u stessu tempu, è l’estremità ricivuta si preoccupa solu di a diffarenza trà i dui signali. Dunque, u sonu di u modu cumunu esternu pò esse completamente annullatu. b. Puderà efficacemente suppressione EMI. Per u listessu mutivu, per via di a polarità opposta di i dui signali, i campi elettromagnetici radiati da elli ponu annullà l’altru. U più strettu l’accoppiamentu, u menu energia elettromagnetica ventilata à u mondu esternu. c. U posizionamentu di u timing hè precisu. Perchè u cambiamentu di u cambiamentu di u segnu differenziale hè situatu à l’intersezzione di i dui signali, à u cuntrariu di u signale unicu ordinariu, chì dipende da a tensione di soglia alta è bassa per determinà, hè menu affettata da u prucessu è a temperatura, chì pò riduce l’errore in u timing. , Ma ancu più adattatu per i circuiti di signali di bassa amplitude. L’attuale populari LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling) si riferisce à sta tecnulugia di signale differenziale di piccula amplitude.

Per l’ingegneri di PCB, a più preoccupazione hè cumu per assicurà chì questi vantaghji di u filatu differenziale ponu esse cumplettamente utilizati in u cablaggio attuale. Forsi qualcunu chì hè statu in cuntattu cù Layout hà da capisce i requisiti generali di u filatu differenziale, vale à dì “uguale lunghezza è uguale distanza”. A lunghezza uguale hè di assicurà chì i dui signali differenziali mantenenu polarità opposte in ogni mumentu è riduce u cumpunente di modu cumunu; a distanza uguale hè principarmenti per assicurà chì l’impedances differenziali di i dui sò cunsistenti è riducenu riflessioni. “U più vicinu pussibule” hè qualchì volta unu di i requisiti di cablaggio differenziale. Ma tutte queste regule ùn sò micca aduprate per applicà meccanicamente, è parechji ingegneri parenu ancu micca capiscenu l’essenza di a trasmissione di signali differenziali à alta velocità.

U seguitu si focalizeghja nantu à parechji malintesi cumuni in u disignu di signali differenziali PCB.

Malintesi 1: Si crede chì u signale differenziale ùn hà micca bisognu di un pianu di terra cum’è una strada di ritornu, o chì e tracce differenziali furniscenu una strada di ritornu per l’altri. U mutivu di stu malintesi hè chì sò cunfunditi da i fenomeni superficiali, o u miccanisimu di trasmissioni di signali d’alta veloce ùn hè micca abbastanza prufonda. Si pò vede da a struttura di l’estremità di ricezione di a Figura 1-8-15 chì i currenti emissori di i transistors Q3 è Q4 sò uguali è opposti, è i so currenti à a terra annullanu esattamente l’un l’altru (I1 = 0), cusì u circuit differenziale hè simile bounces è altri signali di rumore chì ponu esiste nant’à u putere è piani terra sò insensibili. L’annullamentu di u ritornu parziale di u pianu di terra ùn significa micca chì u circuitu differenziale ùn usa micca u pianu di riferimentu cum’è u percorsu di ritornu di u signale. In fatti, in l’analisi di ritornu di u signale, u mecanismu di cablaggio differenziale è cablaggio ordinariu unicu hè u stessu, vale à dì, i segnali d’alta freccia sò sempre Reflow longu u ciclu cù l’induttanza più chjuca, a più grande diferenza hè chì in più di l’accoppiamentu à a terra, a linea differenziale hà ancu accoppiamentu mutuale. Qualessu tipu di accoppiamentu hè forte, quale diventa a strada principale di ritornu. A Figura 1-8-16 hè un diagramma schematicu di a distribuzione di u campu geomagneticu di signali unicu è signali differenziali.

In u disignu di u circuitu PCB, l’accoppiamentu trà e tracce differenziali hè in generale chjuca, spessu cuntandu solu da 10 à 20% di u gradu di accoppiamentu, è più hè l’accoppiamentu à a terra, cusì a strada principale di ritornu di a traccia differenziale esiste sempre in terra. aviò. Quandu u pianu di terra hè discontinuu, l’accoppiamentu trà e tracce differenziali furnisce a strada principale di ritornu in l’area senza un pianu di riferimentu, cum’è mostra in Figura 1-8-17. Ancu s’ellu l’influenza di a discontinuità di u pianu di riferimentu nantu à a traccia differenziale ùn hè micca seria cum’è quella di a traccia unicu ordinariu, ancu riducerà a qualità di u segnu differenziale è cresce EMI, chì deve esse evitata quant’è pussibule. . Certi diseggiani crèdenu chì u pianu di riferimentu sottu à a traccia differenziale pò esse eliminata per suppressione qualchi signali di modu cumuni in a trasmissione differenziale. Tuttavia, stu approcciu ùn hè micca desideratu in teoria. Cumu cuntrullà l’impedenza? Ùn furnisce micca un loop d’impedenza di terra per u signale di modu cumuni inevitabbilmente pruvucarà a radiazione EMI. Stu approcciu face più male chè bè.

Malintesi 2: Si crede chì mantene a distanza uguale hè più impurtante chè a lunghezza di a linea. In u layout di PCB attuale, ùn hè spessu micca pussibule di risponde à i requisiti di u disignu differenziale à u stessu tempu. A causa di l’esistenza di a distribuzione di pin, vias, è u spaziu di cablaggio, u scopu di l’abbinamentu di a lunghezza di a linea deve esse rializatu attraversu l’avvolgimentu propiu, ma u risultatu deve esse chì certi spazii di u paru differenziale ùn ponu esse paralleli. Chì duvemu fà in questu tempu? Quale scelta ? Prima di piglià cunclusioni, fighjemu un ochju à i seguenti risultati di simulazione.

Da i risultati di simulazione sopra, si pò vede chì e forme d’onda di Scheme 1 è Scheme 2 sò quasi coincidenti, vale à dì, l’influenza causata da u spacing ineguali hè minima. In cunfrontu, l’influenza di a manca di lunghezza di a linea nantu à u timing hè assai più grande. (Schema 3). Da l’analisi teorica, ancu s’è u spaziu inconsistente farà cambià l’impedenza differenziale, perchè l’accoppiamentu trà u paru differenziale stessu ùn hè micca significativu, a gamma di cambiamentu di impedenza hè ancu assai chjuca, di solitu in u 10%, chì hè solu equivalente à un passu. . A riflessione causata da u pirtusu ùn avarà micca un impattu significativu in a trasmissione di u signale. Una volta chì a lunghezza di a linea ùn currisponde micca, in più di l’offset di timing, i cumpunenti di u modu cumuni sò intrudutti in u signale differenziale, chì riduce a qualità di u signale è aumenta l’EMI.

Si pò dì chì a regula più impurtante in u disignu di tracce differenziali di PCB hè a lunghezza di a linea currispondente, è altre regule ponu esse trattate in modu flexibule secondu e esigenze di cuncepimentu è applicazioni pratiche.

Malintesi 3: Pensate chì u cablaggio differenziale deve esse assai vicinu. Mantene e tracce differenziali vicinu ùn hè nunda di più chè per rinfurzà u so accoppiamentu, chì ùn pò micca solu migliurà l’immunità à u rumore, ma ancu aduprà pienamente a polarità opposta di u campu magneticu per compensà l’interferenza elettromagnetica à u mondu esternu. Ancu s’è stu approcciu hè assai benefica in a maiò parte di i casi, ùn hè micca assolutu. Se pudemu assicurà chì sò cumplettamente protetti da l’interferenza esterna, allora ùn avemu micca bisognu di utilizà un accoppiamentu forte per ottene anti-interferenza. È u scopu di suppressione EMI. Cumu pudemu assicurà un bonu isolamentu è schermatura di tracce differenziali? Aumentà u spaziu cù altre tracce di signale hè unu di i modi più basi. L’energia di u campu elettromagneticu diminuisce cù u quadru di a distanza. In generale, quandu u spaziu di a linea supera 4 volte a larghezza di a linea, l’interferenza trà elli hè estremamente debule. Pò esse ignoratu. Inoltre, l’isolamentu da u pianu di terra pò ancu ghjucà un bonu rolu di schermu. Sta struttura hè spessu usata in u disignu di PCB di pacchettu IC d’alta frequenza (sopra 10G). Hè chjamatu una struttura CPW, chì pò assicurà impedenza differenziale stretta. Control (2Z0), cum’è mostra in Figura 1-8-19.

I tracce differenziali ponu ancu esse in sferenti strati di signale, ma stu metudu ùn hè generalmente micca cunsigliatu, perchè e differenze in impedenza è vias prudutte da diverse strati distrughjenu l’effettu di a trasmissione in modalità differenziale è intruduce u rumore cumunu. Inoltre, se i dui strati adiacenti ùn sò micca stretti accoppiati, riducerà a capacità di a traccia differenziale per resiste à u rumore, ma se pudete mantene una distanza propria da e tracce circundante, a diafonia ùn hè micca un prublema. À frequenze generale (sottu à GHz), EMI ùn serà micca un prublema seriu. L’esperimenti anu dimustratu chì l’attenuazione di l’energia radiata à una distanza di 500 mil da una traccia differenziale hà righjuntu 60 dB à una distanza di 3 metri, chì hè abbastanza per scuntrà u standard di radiazione elettromagnetica FCC, cusì U designer ùn deve micca preoccupatu troppu. assai circa l’incompatibilità elettromagnetica causata da un accoppiamentu di linea differenziale insufficiente.

3. Linea serpentina

A linea di serpente hè un tipu di metudu di routing spessu usatu in Layout. U so scopu principale hè di aghjustà u ritardu per risponde à i requisiti di cuncepimentu di u tempu di u sistema. U disegnatore deve prima avè stu capitu: a linea di serpentina distrughjerà a qualità di u signale, cambia u ritardu di trasmissione, è pruvate d’evità di usà quandu u filatu. Tuttavia, in u disignu propiu, per assicurà chì u segnu hà abbastanza tempu di mantene, o per riduce l’offset di u tempu trà u stessu gruppu di signali, hè spessu necessariu di vultà deliberatamente u filu.

Allora, chì effettu hà a linea serpentina nantu à a trasmissione di u signale? À chì deve esse attentu à u cablaghju? I dui paràmetri più critichi sò a lunghezza di accoppiamentu parallelu (Lp) è a distanza di accoppiamentu (S), cum’è mostra in a Figura 1-8-21. Ovviamente, quandu u signale hè trasmessu nantu à a traccia di serpentina, i segmenti di linea parallela seranu accoppiati in modu differenziale. U più chjucu u S è u più grande u Lp, u più grande u gradu di accoppiamentu. Puderia riduzzione di u ritardu di trasmissione, è a qualità di u signale hè assai ridutta per via di crosstalk. U mecanismu pò riferite à l’analisi di u modu cumuni è di a diafonia di modu differenziale in u Chapter 3.

Eccu alcuni suggerimenti per l’ingegneri di Layout quandu si tratta di linee serpentine:

1. Pruvate à aumentà a distanza (S) di segmenti di linea parallela, almenu più grande di 3H, H si riferisce à a distanza da a traccia di u segnu à u pianu di riferimentu. In termini laici, hè di andà intornu à una grande curva. Mentre S hè abbastanza grande, l’effettu di accoppiamentu mutuale pò esse quasi completamente evitatu. 2. Reduce a lunghezza di accoppiamentu Lp. Quandu u duppiu ritardu Lp s’avvicina o supera u tempu di salita di u signale, a diafonia generata ghjunghje à a saturazione. 3. U ritardu di trasmissione di signali causatu da a linea serpentina di u Strip-Line o Embedded Micro-strip hè menu di quellu di u Micro-strip. In teoria, a stripline ùn affetterà micca a velocità di trasmissione per via di a diafonia in modalità differenziale. 4. Per e linee di signali d’alta veloce è quelli chì anu strettu esigenza di timing, pruvate micca d’utilizà linee serpentine, in particulare in spazii chjuchi. 5. Pudete spessu aduprà tracce serpentine in ogni angulu, cum’è a struttura C in Figura 1-8-20, chì ponu efficacemente riduce l’accoppiamentu mutuale. 6. In u disignu di PCB d’alta velocità, a linea di serpentina ùn hà micca a capacità di filtrazione o anti-interferenza chjamata, è pò solu riduce a qualità di u signale, per quessa hè solu utilizata per u timing matching è ùn hà micca altru scopu. 7. Calchì volta vi pò cunsiderà routing spirale per winding. A simulazione mostra chì u so effettu hè megliu cà u routing serpentine normale.