U layout hè una di e cumpetenze di travagliu più basiche di Cuncezzione PCB ingegnere. A qualità di u filu hà da influenzà direttamente e prestazioni di tuttu u sistema, a maiò parte di a teoria di cuncezzione à grande velocità deve esse finalmente realizata è verificata da Layout, dunque si pò vede chì u filu hè cruciale in a cuncezzione di PCB à alta velocità. I seguenti seranu in vista di u cablu attuale pò scuntrà alcune situazioni, analisi di a so razionalità, è dà una strategia di routing più ottimizzata. Principalmente da a linea Angle diritta, linea di differenza, linea di serpente è cusì trè aspetti da elaborà.

1. Linea rettangulare

U cablaggio à angulu rettu hè generalmente necessariu per evità a situazione in u cablaggio PCB, è hè diventatu guasi unu di i standard per misurà a qualità di u cablaggio, allora quantu impattu avrà u cablaggio à angulu rettu nantu à a trasmissione di u segnale? In principiu, u cablu à angulu rettu cambierà a larghezza di a linea di a linea di trasmissione, risultendu in discontinuità di impedenza. In fattu, micca solu a linea Angle ghjustu, ton Angle, a linea Angle acuta pò causà cambiamenti di impedanza.

L’influenza di l’allinjamentu à angulu rettu nantu à u signale si riflette principalmente in trè aspetti: prima, l’angulu pò esse equivalente à a carica capacitiva nantu à a linea di trasmissione, rallentendu u tempu di risurrezzione; Siconda, a discontinuità di impedenza pruvucarà a riflessione di u signale; Terzu, EMI generatu da a punta Angle diritta.

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

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

In a formula sopra, C si riferisce à a capacità equivalente à l’angulu (pF), W si riferisce à a larghezza di a linea (inch), ε R si riferisce à a costante dielettrica di u mediu, è Z0 hè l’impedenza caratteristica di a trasmissione ligna. Per esempiu, per una linea di trasmissione 4Mils 50 ohm (εr 4.3), a capacità di un Angulu rettu hè di circa 0.0101pF, è a variazione di u tempu di risu pò esse stimata:

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

Si pò vede da u calculu chì l’effettu di capacità purtatu da u cablu à angulu rettu hè estremamente chjucu.

Quandu a larghezza di a linea di a linea à angulu rettu aumenta, l’impedenza in questu puntu diminuisce, cusì ci serà un certu fenomenu di riflessione di u signale. Pudemu calculà l’impedenza equivalente dopu chì a larghezza di a linea cresce secondu a formula di calculu di impedenza menzionata in a sezione di e linee di trasmissione, è poi calculà u coefficiente di riflessione secondu a formula empirica: ρ = (Zs-Z0) / (Zs + Z0), u filatu generale à angulu rettu resultante in impedenza cambia trà 7% -20%, dunque u coefficiente massimu di riflessione hè di circa 0.1. Inoltre, cumu si pò vede 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 ripristina à l’impedenza normale dopu u tempu W / 2. U tempu per tuttu u cambiamentu di impedanza hè assai cortu, generalmente in 10ps. Un cambiamentu cusì veloce è chjucu hè guasi trascurabile per a trasmissione generale di u signale.

Parechje persone anu una tale comprensione di u routing à angulu rettu, cridendu chì a punta hè faciule da emette o riceve onde elettromagnetiche è produce EMI, chì hè diventatu unu di i motivi perchè parechje persone pensanu chì u routing à angulu rettu ùn sia micca pussibule. Tuttavia, parechji risultati pratichi di prova mostranu chì a linea à angulu rettu ùn produce micca assai EMI cà a linea diritta. Forse a prestazione attuale di u strumentu è u livellu di prova limitanu l’accuratezza di u test, ma almenu mostra chì a radiazione di a linea à angulu rettu hè menu di l’errore di misura di u strumentu stessu. In generale, l’allinjamentu à angulu rettu ùn hè micca cusì terribile cumu puderia sembrà. Almenu in l’applicazioni sottu GHz, qualsiasi effetti cum’è capacità, riflessione, EMI, ecc ùn sò guasi micca riflessi in i test TDR. L’ingegneru di cuncepimentu di PCB ad alta velocità deve focalizassi nantu à u layout, a putenza / cuncepimentu di terra, cuncepimentu di cablaggio, perforazione, ecc. Benchì, naturalmente, l’effetti di a linea rettangulare d’andatura ùn sia micca assai seriu, ma ùn vole micca dì chì pudemu marchjà a linea Angle diritta, l’attenzione à i dettagli hè a qualità essenziale per tutti i boni ingegneri, è, cù u rapidu sviluppu di i circuiti numerichi , L’ingegneri PCB chì trasformanu a frequenza di u segnale continueranu à migliurà, à più di 10 GHZ campu di cuncepimentu RF, Questi picculi anguli retti ponu diventà u focu di prublemi à grande velocità.

2. Differenza di

U Signal Differenziale hè adupratu largamente in a cuncezzione di circuiti à grande velocità. U Signal più impurtante in un circuitu hè u Cuncepimentu Differential Signal. Cumu assicurà a so bona prestazione in u cuncepimentu PCB? Cù ste duie dumande in mente, passemu à a prossima parte di a nostra discussione.

Cosa hè un signale differenziale? In chjaru inglese, u cunduttore manda dui signali equivalenti è inversi, è u ricivatore face a differenza trà e duie tensioni per determinà se u statu logicu hè “0” o “1”. A coppia di fili chì portanu signali differenziali hè chjamata fili differenziali.

Rispuntendu à u routing di segnale univocu ordinariu, u signale differenziale hà i vantaghji più evidenti in i seguenti trè aspetti:

A. Forta capacità anti-interferenza, perchè l’accoppiamento tra duie linee differenziali hè assai bonu, quandu ci hè interferenza di rumore, sò guasgi accoppiati à duie linee à u listessu tempu, è u ricevitore si preoccupa solu di a differenza trà i dui segnali, cusì u rumu di modu cumunu esternu pò esse cumpletamente annullatu.

B. Pò suppressione efficace EMI. Similmente, perchè dui signali sò di polarità opposta, u campu elettromagneticu irradiatu da elli si pò annullà l’altru. Più l’accoppiamentu hè vicinu, menu l’energia elettromagnetica libera in u mondu esternu.

C. U pusizionamentu di u tempu hè precisu. Siccomu u cambiamentu di cunversione di i signali differenziali si trova à l’intersezione di dui signali, à u cuntrariu di i signali unifinali cumuni chì sò ghjudicati da tensioni di soglia alte è basse, hè menu influenzatu da u prucessu è da a temperatura, chì pò riduce l’errori di timing è hè più adatta per circuiti cù segnali di bassa amplitudine. LVDS (bassa tensione differenziale signaletica) si riferisce à sta tecnulugia di signale differenziale di piccula amplitudine.

Per l’ingegneri PCB, a preoccupazione più impurtante hè cumu per assicurà chì questi vantaghji di u routing differenziale ponu esse pienu aduprati in u routing attuale. Forse fintantu ch’ellu sia in cuntattu cù Layout a ghjente capiscerà i requisiti generali di u routing differenziale, vale à dì “lunghezza uguale, distanza uguale”. Isometrica hè di assicurà chì i dui signali differenziali mantenenu sempre a polarità opposta, riduce a cumpunente di modu cumunu; Isometrica hè principalmente per assicurà a stessa impedenza differenziale, riduce a riflessione. “U più vicinu pussibule” hè qualchì volta unu di i requisiti per u routing differenziale. Ma nisuna di queste regule hè destinata à esse applicata meccanicamente, è parechji ingegneri ùn parenu micca capisce a natura di a segnalazione differenziale à grande velocità. U seguitu si concentra nantu à parechji errori cumuni in u cuncepimentu di u segnale differenziale PCB.

Cuncepimentu sbagliatu 1: I signali differenziali ùn anu micca bisognu di u pianu di terra cum’è percorsu di riflusione, o pensate chì e linee differenziali furniscenu un percorsu di riflusione l’una per l’altra. A causa di sta malintesa hè cunfusa da u fenomenu di a superficia, o u meccanisimu di trasmissione di segnale à grande velocità ùn hè micca abbastanza prufondu. Cumu si pò vede da a struttura di l’estremità di ricezione in FIG. 1-8-15, i currenti emittenti di i transistori Q3 è Q4 sò equivalenti è opposti, è u so currente à a junzione esattamente si annulla l’altru (I1 = 0). Dunque, u circuitu differenziale ùn hè insensibile à prughjettazioni terrestri simili è à altri signali di rumu chì ponu esiste in l’alimentazione elettrica è in u pianu terrestre. L’annullamentu parziale di riflusione di u pianu terrenu ùn significa micca chì u circuitu differenziale ùn piglia micca u pianu di riferenza cum’è u percorsu di ritornu di u signale. In fattu, in l’analisi di backflow di u signale, u meccanisimu di u routing differenziale hè u listessu di quellu di u routing univocu ordinariu, vale à dì, altu

U signale di frequenza torna sempre in u circuitu cù a più chjuca induttanza. A più grande differenza si trova in chì a linea di differenza ùn hè micca solu accoppiata à a terra, ma hà ancu accoppiamento tra di l’altru. L’accoppiamentu forte diventa u percorsu principale di ritornu.

In a cuncezzione di u circuitu PCB, l’accoppiamentu trà i cablaggi differenziali hè generalmente chjucu, generalmente conta solu per 10 ~ 20% di u gradu di accoppiamento, è a maiò parte di l’accoppiamento hè in terra, allora u percorsu principale di ritornu di u cablaggio differenziale esiste sempre in terra aviò. In casu di discontinuità in u pianu lucale, l’accoppiamentu trà e rotte differenziali furnisce u percorsu principale di riflusione in a regione senza pianu di riferimentu, cum’è mostratu in FIG. 1-8-17. Ancu se l’impattu di a discontinuità di u pianu di riferimentu nantu à u cablatu differenziale ùn hè micca cusì seriu cum’è quellu di u cablu univocu ordinariu, riducerà comunque a qualità di u segnale differenziale è aumenterà l’EMI, chì deve esse evitatu u più pussibule. Certi cuncettori credenu chì u pianu di riferenza di a linea di trasmissione differenziale pò esse rimossu per suppressione una parte di u signale di modu cumunu in a trasmissione differenziale, ma teoricamente questu approcciu ùn hè micca desiderabile. Cumu cuntrullà l’impedenza? Senza furnisce un loop di impedenza di terra per u signale in modu cumunu, a radiazione EMI hè probabile chì sia causata, ciò chì face più male chè bè.

Mitu 2: Mantene u spaziu uguale hè più impurtante ch’è a lunghezza di linea currispondente. In u cablu PCB attuale, hè spessu incapace di soddisfà i requisiti di cuncepimentu differenziale. A causa di a distribuzione di spilli, fori, è spaziu di cablaggio è altri fattori, hè necessariu uttene u scopu di a lunghezza di a linea chì currisponde à traversu un avvolgimentu adeguatu, ma u risultatu hè inevitabilmente una parte di a coppia di differenza ùn pò esse parallela, in questu momentu, cumu sceglie? Prima di saltà à e conclusioni, fighjemu i seguenti risultati di simulazione. Si pò vede da i risultati di simulazione sopra riprisentati chì e forme d’onda di u schema 1 è di u Schema 2 coincidenu guasi, vale à dì, l’influenza di spaziatura ineguale hè minima, è l’influenza di a discordanza di lunghezza di linea hè assai più grande nantu à a sequenza di timing (Schema 3) . Da a perspettiva di l’analisi teorica, ancu se u spaziu inconsistente cunducerà à l’impedenza cambiamenti cambiamenti, ma perchè l’accoppiamento tra a coppia di differenza stessa ùn hè micca significativu, cusì a gamma di cambiamenti di impedenza hè ancu assai chjuca, di solitu in u 10%, solu equivalente à una riflessione causata da un foru, chì ùn causerà micca impattu significativu nantu à a trasmissione di u signale. Una volta chì a lunghezza di a linea ùn hè micca currispundente, in più di l’offset di sequenza di tempu, cumpunenti di modu cumunu sò introdutti in u signale differenziale, chì riduce a qualità di u segnale è aumenta l’EMI.

Si pò dì chì a regula più impurtante in u cuncepimentu di cablaggio differenziale di PCB hè di abbinà a lunghezza di a linea, è altre regule ponu esse gestite in modu flessibile secondu i requisiti di cuncepimentu è l’applicazioni pratiche.

Cuncepimentu sbagliatu trè: pensate chì a linea di differenza deve basassi assai vicinu. U puntu di mantene e linee di differenza strette inseme ùn hè altru chè di aumentà u so accoppiamentu, sia per migliurà a so immunità à u rumore sia per prufittà di a polarità opposta di u campu magneticu per annullà l’interferenze elettromagnetiche da u mondu esternu. Ancu se questu approcciu hè assai favorevule in a maiò parte di i casi, ùn hè micca assolutu. Se ponu esse cumpletamente prutetti da interferenze esterne, allora ùn avemu micca bisognu di uttene u scopu di anti-interferenza è di suppressione EMI per mezu di un forte accoppiamento tra di elli. Cumu assicurà chì u routing differenziale abbia un bellu isolamentu è schermatura? Aumentà a distanza trà e linee è altri segnali hè unu di i modi più basi. L’energia di u campu elettromagneticu diminuisce cù a relazione quadrata di a distanza. Generalmente, quandu a distanza trà e linee hè più di 4 volte a larghezza di a linea, l’interferenza trà elle hè estremamente debule è pò esse ignorata in fondu. Inoltre, l’isolamentu attraversu u pianu di terra pò ancu furnisce un bonu effettu di schermatura. Questa struttura hè spessu usata in disegni PCB imballati à alta frequenza (sopra 10G) IC, cunnisciuti cum’è struttura CPW, per assicurà un rigidu cuntrollu di impedenza differenziale (2Z0), FIG. 1-8-19.

U routing differenziale pò ancu esse realizatu in diversi strati di signale, ma questu ùn hè generalmente micca raccomandatu, perchè differenze cum’è impedenza è fori attraversi in diversi strati ponu distrughje l’effettu di trasmissione in modalità differenziale è introduce rumore in modu cumunu. Inoltre, se i dui strati cunfinanti ùn sò micca strettamente accoppiati, a capacità di u routing differenziale di resistere à u rumore serà ridutta, ma a crosstalk ùn hè micca un prublema se a spaziatura curretta hè mantenuta cù u routing circundante. In frequenza generale (sottu GHz), EMI ùn serà micca un prublema seria. L’esperimenti mostranu chì l’attenuazione di l’energia da radiazione di e linee differenziali cù una distanza di 500Mils oltre i 3 metri hà righjuntu 60dB, chì hè abbastanza per soddisfà u standard di radiazioni ELETTROMAGNETICU di FCC. Dunque, i cuncettori ùn anu micca bisognu di preoccupassi troppu per l’incumpatibilità elettromagnetica causata da un accoppiamento insufficiente di linee differenziali.

3. serpentina

Una linea serpentina hè spessu usata in Layout. U so scopu principale hè di adattà u ritardu di u tempu è soddisfà i requisiti di cuncepimentu di sincronizazione di u sistema. I cuncettori devenu prima capisce chì u filu serpentinu distrughjerà a qualità di u signale, cambierà u ritardu di trasmissione, è duverà esse evitatu durante u cablaggio. Tuttavia, in u cuncepimentu praticu, per assicurà un tempu di tenuta sufficiente di i segnali, o per riduce u compensu di tempu trà u listessu gruppu di segnali, u liquidu deve esse deliberatamente effettuatu.

Allora chì face a serpentina per signalà a trasmissione? À chì devu fà casu quandu marchjendu a linea? I dui parametri più critichi sò a lunghezza di accoppiamento parallela (Lp) è a distanza di accoppiamento (S), cum’è mostratu in FIG. 1-8-21. Ovviamente, quandu u signale hè trasmessu in linea serpentina, ci sarà un accoppiamento tra segmenti di linea parallela in forma di modalità di differenza. U più chjucu S hè, u più grande Lp hè, è più grande serà u gradu di accoppiamentu. Què pò dà un ritardu di trasmissione riduttu è una riduzione significativa di a qualità di u signale per via di a crosstalk, cum’è descritta in u capitulu 3 per l’analisi di u modu cumunu è di a modalità differenziale crosstalk.

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

1. Pruvate à aumentà a distanza (S) di u segmentu di linea parallella, chì hè almenu più grande di 3H. H si riferisce à a distanza da a linea di signale à u pianu di riferimentu. In generale parlendu, hè di piglià una grande curva. Finchè S hè abbastanza grande, l’effettu di accoppiamentu pò esse guasgi cumpletamente evitatu.

2. Quandu a lunghezza di accoppiamentu Lp hè ridutta, a diafonia generata ghjunghjerà à a saturazione quandu u ritardu di Lp si avvicina duie volte o supera u tempu di risalita di u signale.

3. U ritardu di trasmissione di u signale causatu da a Linea di serpente di linea di striscia o di micro-striscia Embedded hè più chjucu di quellu di a micro-striscia. Teoricamente, a linea di nastro ùn affetta micca a velocità di trasmissione per via di a crosstalk in modalità differenziale.

4. Per e linee ad alta velocità è di segnale cun esigenze strette in quantu à u tempu, pruvate à ùn marchjà micca e linee serpentine, in particulare in una piccula zona.

5. U routing serpentinu in ogni Angulu pò esse spessu aduttatu. A struttura C in FIG. 1-8-20 pò riduce in modu efficace l’accoppiamento tra l’altru.

6. In a cuncezzione di PCB à grande velocità, a serpentina ùn hà micca una cosiddetta capacità di filtrazione o anti-interferenza, è pò riduce solu a qualità di u signale, dunque hè aduprata solu per a corrispondenza di u tempu è senza altru scopu.

7. Calchì volta si pò cunsiderà u liquidu spirale. A simulazione mostra chì u so effettu hè megliu cà u serpente nurmale.