Layout er en af ​​de mest grundlæggende arbejdsevner inden for Printkortdesign ingeniør. The quality of wiring will directly affect the performance of the whole system, most of the high-speed design theory must be finally realized and verified by Layout, so it can be seen that wiring is crucial in high-speed PCB design. Det følgende vil blive taget i betragtning af den faktiske ledningsføring kan støde på nogle situationer, analyse af dets rationalitet og give en mere optimeret routingsstrategi. Mainly from the right Angle line, difference line, snake line and so on three aspects to elaborate.

1. Rektangulær go line

Retvinklede ledninger er generelt påkrævet for at undgå situationen i PCB-ledninger, og er næsten blevet en af ​​standarderne for at måle kvaliteten af ​​ledninger, så hvor stor indflydelse vil ledninger med ret vinkel have på signaloverførsel? I princippet vil retvinklede ledninger ændre transmissionslinjens bredde, hvilket resulterer i impedansdiskontinuitet. Faktisk kan ikke kun højre vinkel linje, ton vinkel, spids vinkel linje forårsage impedans ændringer.

Indflydelsen fra retvinklet justering på signal afspejles hovedsageligt i tre aspekter: For det første kan hjørnet svare til den kapacitive belastning på transmissionslinjen og bremse stigningstiden; For det andet vil impedansdiskontinuitet forårsage signalreflektion; For det tredje, EMI genereret af den højre vinkel spids.

Den parasitiske kapacitans forårsaget af transmissionslinjens højre vinkel kan beregnes ved hjælp af følgende empiriske formel:

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

In the above formula, C refers to the equivalent capacitance at the corner (pF), W refers to the width of the line (inch), ε R refers to the dielectric constant of the medium, and Z0 is the characteristic impedance of the transmission line. For eksempel for en 4Mils 50 ohm transmissionslinje (εr 4.3) er kapacitansen for en ret vinkel omkring 0.0101pF, og stigningstidsvariationen kan estimeres:

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

Det kan ses af beregningen, at kapacitanseffekten forårsaget af retvinklede ledninger er ekstremt lille.

Når linjebredden på den retvinklede linje stiger, vil impedansen på dette tidspunkt falde, så der vil være et bestemt signalrefleksionsfænomen. Vi kan beregne den ækvivalente impedans efter linjebredden stiger i henhold til impedansberegningsformlen nævnt i afsnittet af transmissionslinjer og derefter beregne reflektionskoefficienten i henhold til den empiriske formel: ρ = (Zs-Z0)/(Zs+Z0), den generelle retvinklede ledning resulterer i impedansændringer mellem 7%-20%, så den maksimale reflektionskoefficient er omkring 0.1. Som det kan ses af nedenstående figur, ændres transmissionsledningens impedans til et minimum inden for længden af ​​W/2 -linjen og genopretter derefter til den normale impedans efter W/2 -tid. Tiden for hele impedansændringen er meget kort, normalt inden for 10ps. En sådan hurtig og lille ændring er næsten ubetydelig for den generelle signaloverførsel.

Mange mennesker har en sådan forståelse for retvinklet routing og mener, at spidsen er let at udsende eller modtage elektromagnetiske bølger og producere EMI, hvilket er blevet en af ​​grundene til, at mange mennesker tror, ​​at retningsvinklet routing ikke er mulig. Mange praktiske testresultater viser imidlertid, at retvinklet linje ikke producerer meget EMI end lige linje. Måske begrænser den nuværende instrumentydelse og testniveau testens nøjagtighed, men i det mindste viser det, at strålingen af ​​en retvinklet linje er mindre end målefejlen i selve instrumentet. In general, right-angle alignment is not as terrible as it might seem. I hvert fald i applikationer under GHz afspejles effekter som kapacitans, refleksion, EMI osv. Næsten ikke i TDR -test. Designingeniøren til højhastigheds-printkort bør fokusere på layout, design af strøm/jord, ledningsdesign, perforering osv. Selvom virkningerne af en rektangulær go -line naturligvis ikke er særlig alvorlige, men ikke er at sige, at vi kan gå retvinklet, er opmærksomhed på detaljer den afgørende kvalitet for alle gode ingeniører og med den hurtige udvikling af digitale kredsløb , PCB -ingeniører, der behandler signalfrekvensen, vil også fortsætte med at forbedre, til mere end 10 GHZ RF -designfelt, Disse små rette vinkler kan blive fokus for problemer med høj hastighed.

2. Forskel på

DifferenTIal Signal bruges meget i højhastigheds kredsløbsdesign. Det vigtigste signal i et kredsløb er DifferenTIal Signal design. How to ensure its good performance in PCB design? Med disse to spørgsmål i tankerne går vi videre til den næste del af vores diskussion.

Hvad er et differentielt signal? På almindeligt engelsk sender driveren to ækvivalente og inverterende signaler, og modtageren sammenligner forskellen mellem de to spændinger for at afgøre, om den logiske tilstand er “0” eller “1”. Parret ledninger, der bærer differentielle signaler, kaldes differentialtråde.

Sammenlignet med almindelig single-ended signal routing har differentialesignal de mest oplagte fordele i følgende tre aspekter:

A. Stærk anti-interferens evne, fordi koblingen mellem to differentielle linjer er meget god, når der er støjinterferens, er de næsten koblet til to linjer på samme tid, og modtageren bekymrer sig kun om forskellen mellem de to signaler, så den eksterne common-mode-støj kan annulleres fuldstændigt.

B. Det kan effektivt undertrykke EMI. På samme måde, fordi to signaler har modsat polaritet, kan det elektromagnetiske felt, der udstråles af dem, annullere hinanden. Jo tættere koblingen er, jo mindre elektromagnetisk energi frigives til omverdenen.

C. Tidspositionering er nøjagtig. Da skiftende ændring af differentielle signaler er placeret i skæringspunktet mellem to signaler, i modsætning til almindelige single-ended signaler, der bedømmes af høje og lave tærskelspændinger, påvirkes det mindre af proces og temperatur, hvilket kan reducere tidsfejl og er mere egnet til kredsløb med signaler med lav amplitude. LVDS (low voltage differenTIalsignaling) refererer til denne lille amplitude -differentialsignalteknologi.

For PCB -ingeniører er den vigtigste bekymring, hvordan man sikrer, at disse fordele ved differentiel routing kan udnyttes fuldt ud i den faktiske routing. Måske vil folk, så længe det er i kontakt med Layout, forstå de generelle krav til differentiel routing, det vil sige “lige længde, lige afstand”. Isometric is to ensure that the two differential signals always maintain opposite polarity, reduce the common mode component; Isometrisk er hovedsageligt for at sikre den samme differentielle impedans, reducere refleksion. “Så tæt som muligt” er undertiden et af kravene til differentiel routing. But none of these rules are meant to be applied mechanically, and many engineers do not seem to understand the nature of high-speed differential signalling. Det følgende fokuserer på flere almindelige fejl i design af PCB -differentialesignaler.

Misforståelse 1: Differentialsignaler behøver ikke jordplan som tilbageløbssti, eller tror, ​​at differentielle linjer giver tilbageløbssti til hinanden. Årsagen til denne misforståelse er forvirret af overfladefænomenet, eller mekanismen for højhastigheds-signaloverførsel er ikke dyb nok. Som det ses af strukturen af ​​den modtagende ende i fig. 1-8-15 er emitterstrømmene for transistorer Q3 og Q4 ækvivalente og modsatte, og deres strøm ved krydset annullerer nøjagtigt hinanden (I1 = 0). Derfor er differentialkredsløbet ufølsom over for lignende jordprojektioner og andre støjsignaler, der kan eksistere i strømforsyningen og jordplanet. Den delvise tilbagestrømning af jordplan betyder ikke, at differentialkredsløbet ikke tager referenceplanet som signalretursti. Faktisk, i signal tilbagestrømsanalyse, er mekanismen for differentiel routing den samme som for almindelig single-end routing, nemlig høj

The frequency signal always flows back along the circuit with the smallest inductance. The biggest difference lies in that the difference line not only has coupling to the ground, but also has coupling between each other. The strong coupling becomes the main backflow path.

I PCB -kredsløbsdesign er koblingen mellem differentialledninger generelt lille, der normalt kun tegner sig for 10 ~ 20% af koblingsgraden, og det meste af koblingen er til jorden, så den vigtigste tilbagestrømningsvej for differentielle ledninger stadig eksisterer i jorden fly. I tilfælde af diskontinuitet i lokalplanet tilvejebringer koblingen mellem differentieruter den vigtigste tilbagestrømningsbane i området uden referenceplan, som vist i fig. 1-8-17. Although the impact of the discontinuity of the reference plane on differential wiring is not as serious as that of ordinary single-end wiring, it will still reduce the quality of differential signal and increase EMI, which should be avoided as far as possible. Nogle designere mener, at referenceplanet for differentialtransmissionslinjen kan fjernes for at undertrykke en del af common mode -signalet i differentialtransmission, men teoretisk set er denne fremgangsmåde ikke ønskelig. Hvordan kontrolleres impedansen? Uden at give jordimpedanssløjfe til common-mode signal er EMI-stråling sandsynligvis forårsaget, hvilket gør mere skade end gavn.

Myte 2: Opretholdelse af lige afstand er vigtigere end matchende linjelængde. I selve PCB -ledningerne er det ofte ude af stand til at opfylde kravene til differentialdesign. På grund af fordelingen af ​​stifter, huller og ledningsrum og andre faktorer er det nødvendigt at opnå formålet med linjelængdeafstemning gennem passende vikling, men resultatet er uundgåeligt en del af forskelparret på nuværende tidspunkt, hvor at vælge? Inden vi springer til konklusioner, lad os tage et kig på følgende simuleringsresultater. Det kan ses ud fra ovenstående simuleringsresultater, at bølgeformer i skema 1 og skema 2 næsten er sammenfaldende, det vil sige, at indflydelsen fra ulige mellemrum er minimal, og påvirkningen af ​​linjelængdefejl er meget større på timingssekvensen (skema 3) . Fra den teoretiske analyses perspektiv, selvom den inkonsekvente afstand vil føre til forskelle i impedansændringer, men fordi koblingen mellem differenceparret ikke er signifikant, så er omfanget af impedansændringer også meget lille, normalt inden for 10%, kun ækvivalent til en refleksion forårsaget af et hul, som ikke vil forårsage væsentlig indvirkning på signaloverførsel. Når linjelængden ikke er matchet, indføres ud over tidssekvensforskydning komponenter i common mode i differentialsignalet, hvilket reducerer signalkvaliteten og øger EMI.

Det kan siges, at den vigtigste regel i PCB -differentialledningsdesign er at matche linjelængden, og andre regler kan håndteres fleksibelt i henhold til designkravene og praktiske applikationer.

Misforståelse tre: tror forskel linje skal stole på meget tæt. Pointen med at holde forskellinjerne tæt sammen er ikke andet end at øge deres kobling, både for at forbedre deres immunitet over for støj og for at drage fordel af den modsatte polaritet af magnetfeltet for at annullere elektromagnetisk interferens fra omverdenen. Selvom denne tilgang i de fleste tilfælde er meget gunstig, er den ikke absolut. Hvis de kan beskyttes fuldstændigt mod ekstern interferens, behøver vi ikke længere at nå formålet med anti-interferens og EMI-undertrykkelse gennem stærk kobling med hinanden. Hvordan sikrer man, at differential routing har god isolation og afskærmning? Forøgelse af afstanden mellem linjerne og andre signaler er en af ​​de mest grundlæggende måder. Energien i det elektromagnetiske felt falder med afstandens kvadratiske forhold. Generelt, når afstanden mellem linjerne er mere end 4 gange linjebredden, er interferensen mellem dem ekstremt svag og kan ignoreres grundlæggende. Desuden kan isoleringen gennem jordplanet også give en god afskærmningseffekt. Denne struktur bruges ofte i højfrekvente (over 10G) IC-pakkede PCB-designs, kendt som CPW-strukturen, for at sikre streng differentialimpedansstyring (2Z0), FIG. 1-8-19.

Differential routing kan også udføres i forskellige signallag, men dette anbefales generelt ikke, fordi forskelle som impedans og gennem huller i forskellige lag kan ødelægge differential mode transmissionseffekten og indføre common mode støj. Desuden, hvis de to tilstødende lag ikke er tæt forbundet, reduceres differential routings evne til at modstå støj, men krydstale er ikke et problem, hvis der opretholdes korrekt afstand til den omgivende routing. Generelt (under GHz) vil EMI ikke være et alvorligt problem. Eksperimenter viser, at dæmpningen af ​​strålingsenergi af differentielle linjer med en afstand på 500Mils ud over 3 meter har nået 60dB, hvilket er nok til at opfylde den ELECTROMAGNETIC -strålingsstandard for FCC. Derfor behøver designere ikke at bekymre sig for meget om elektromagnetisk inkompatibilitet forårsaget af utilstrækkelig kobling af differentielle linjer.

3. Serpentine

A serpentine line is often used in Layout. Dets hovedformål er at justere tidsforsinkelsen og opfylde kravene til systemtiming design. Designere bør først forstå, at serpentintråd ødelægger signalkvaliteten, ændrer transmissionsforsinkelse og bør undgås, når der tilsluttes ledninger. I praktisk design skal viklingen imidlertid bevidst udføres for at sikre tilstrækkelig holdetid for signaler eller for at reducere tidsforskydning mellem den samme gruppe af signaler.

So what does the serpentine do to signal transmission? Hvad skal jeg være opmærksom på, når jeg går på linjen? De to mest kritiske parametre er parallel koblingslængde (Lp) og koblingsafstand (S), som vist i FIG. 1-8-21. Når signalet transmitteres i serpentinlinje, vil der naturligvis være kobling mellem parallelle linjesegmenter i form af differenstilstand. Jo mindre S er, jo større Lp er, og jo større vil koblingsgraden være. Dette kan resultere i reducerede transmissionsforsinkelser og en signifikant reduktion i signalkvaliteten på grund af krydstale, som beskrevet i kapitel 3 til analyse af common mode og differential mode crosstalk.

Her er nogle tips til layoutingeniører, når de beskæftiger sig med serpentiner:

1. Prøv at øge afstanden (S) for det parallelle linjesegment, som er mindst større end 3H. H refererer til afstanden fra signallinjen til referenceplanet. Generelt er det at tage en stor kurve. Så længe S er stor nok, kan koblingseffekten næsten helt undgås.

2. Når koblingslængden Lp reduceres, vil den genererede krydstale nå mætning, når forsinkelsen af ​​Lp to gange nærmer sig eller overstiger signalstigningstiden.

3. Signaltransmissionsforsinkelsen forårsaget af den slangelignende Line of strip-line eller Embedded micro-strip er mindre end mikrostrimlen. Teoretisk påvirker båndlinjen ikke overførselshastigheden på grund af krydstale i differentialtilstand.

4. For højhastigheds- og signallinjer med strenge krav til timing, prøv ikke at gå serpentine linjer, især i et lille område.

5. Serpentin routing i enhver vinkel kan ofte vedtages. C -strukturen i fig. 1-8-20 kan effektivt reducere koblingen mellem hinanden.

6. I højhastigheds-PCB-design har serpentine ingen såkaldt filtrering eller anti-interferens evne og kan kun reducere signalkvaliteten, så den bruges kun til timing matching og ingen andre formål.

7. Nogle gange kan spiralvikling overvejes. Simulering viser, at dens effekt er bedre end normal serpentinvikling.