Layout ist eine der grundlegendsten beruflichen Fähigkeiten für PCB-Design-Ingenieure. Die Qualität der Verkabelung wirkt sich direkt auf die Leistung des gesamten Systems aus. Die meisten Hochgeschwindigkeits-Designtheorien müssen schließlich durch Layout implementiert und verifiziert werden. Es ist ersichtlich, dass die Verkabelung sehr wichtig ist in Hochgeschwindigkeitsplatine Entwurf. Im Folgenden wird die Rationalität einiger Situationen analysiert, die bei der tatsächlichen Verkabelung auftreten können, und einige optimiertere Routing-Strategien angegeben.

Es wird hauptsächlich aus drei Aspekten erklärt: rechtwinklige Verdrahtung, differentielle Verdrahtung und serpentinenartige Verdrahtung.

1. Rechtwinkliges Routing

Die rechtwinklige Verdrahtung ist im Allgemeinen eine Situation, die bei der Leiterplattenverdrahtung so weit wie möglich vermieden werden muss, und sie ist fast zu einem der Standards für die Messung der Qualität von Verdrahtungen geworden. Wie viel Einfluss wird also die rechtwinklige Verdrahtung auf die Signalübertragung haben? Im Prinzip ändert sich durch rechtwinkliges Routing die Leitungsbreite der Übertragungsleitung, was zu einer Diskontinuität der Impedanz führt. Tatsächlich können nicht nur rechtwinkliges Routing, sondern auch Ecken und spitzwinkliges Routing Impedanzänderungen verursachen.

Der Einfluss des rechtwinkligen Routings auf das Signal spiegelt sich hauptsächlich in drei Aspekten wider:

Einer ist, dass die Ecke der kapazitiven Last auf der Übertragungsleitung äquivalent sein kann, was die Anstiegszeit verlangsamt; der zweite ist, dass die Impedanzdiskontinuität eine Signalreflexion verursacht; die dritte ist die von der rechtwinkligen Spitze erzeugte EMI.

Die durch den rechten Winkel der Übertragungsleitung verursachte parasitäre Kapazität kann mit folgender empirischer Formel berechnet werden:

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

In der obigen Formel bezieht sich C auf die äquivalente Kapazität der Ecke (Einheit: pF), W bezieht sich auf die Breite der Leiterbahn (Einheit: Zoll), εr bezieht sich auf die Dielektrizitätskonstante des Mediums und Z0 ist die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung. Zum Beispiel beträgt für eine 4Mils 50 Ohm Übertragungsleitung (εr ist 4.3) die durch einen rechten Winkel erzeugte Kapazität ungefähr 0.0101pF, und dann kann die dadurch verursachte Anstiegszeitänderung geschätzt werden:

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

Durch Berechnung ist ersichtlich, dass der durch die rechtwinklige Spur hervorgerufene Kapazitätseffekt extrem klein ist.

Wenn die Linienbreite der rechtwinkligen Spur zunimmt, nimmt die Impedanz dort ab, so dass ein gewisses Signalreflexionsphänomen auftritt. Wir können die äquivalente Impedanz berechnen, nachdem die Linienbreite gemäß der Impedanzberechnungsformel aus dem Kapitel Übertragungsleitungen erhöht wurde, und dann den Reflexionskoeffizienten gemäß der empirischen Formel berechnen:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Im Allgemeinen beträgt die Impedanzänderung, die durch eine rechtwinklige Verdrahtung verursacht wird, zwischen 7 % und 20 %, sodass der maximale Reflexionskoeffizient etwa 0.1 beträgt. Darüber hinaus ändert sich, wie aus der Abbildung unten ersichtlich, die Impedanz der Übertragungsleitung innerhalb der Länge der W/2-Leitung auf das Minimum und kehrt dann nach der Zeit von W/2 zur normalen Impedanz zurück. Die gesamte Impedanzänderungszeit ist extrem kurz, oft innerhalb von 10ps. Im Inneren sind solche schnellen und kleinen Änderungen für die allgemeine Signalübertragung fast vernachlässigbar.

Viele Leute haben dieses Verständnis von rechtwinkliger Verdrahtung. Sie denken, dass die Spitze leicht elektromagnetische Wellen senden oder empfangen und EMI erzeugen kann. Dies ist einer der Gründe, warum viele Leute denken, dass eine rechtwinklige Verkabelung nicht verlegt werden kann. Viele tatsächliche Testergebnisse zeigen jedoch, dass rechtwinklige Leiterbahnen keine offensichtlichen EMI erzeugen als gerade Linien. Vielleicht schränken die aktuelle Geräteleistung und das Testniveau die Genauigkeit des Tests ein, aber es zeigt zumindest ein Problem. Die Abstrahlung der rechtwinkligen Verdrahtung ist bereits kleiner als der Messfehler des Gerätes selbst.

Im Allgemeinen ist das rechtwinklige Routing nicht so schrecklich wie gedacht. Zumindest bei Anwendungen unterhalb von GHz spiegeln sich etwaige Effekte wie Kapazität, Reflexion, EMI etc. kaum im TDR-Test wider. Hochgeschwindigkeits-PCB-Designingenieure sollten sich weiterhin auf Layout, Stromversorgungs-/Massedesign und Verdrahtungsdesign konzentrieren. Durchgangslöcher und andere Aspekte. Obwohl die Auswirkungen der rechtwinkligen Verdrahtung nicht sehr gravierend sind, bedeutet dies natürlich nicht, dass wir alle in Zukunft rechtwinklige Verdrahtungen verwenden können. Liebe zum Detail ist die Grundqualität, die jeder gute Ingenieur haben muss. Darüber hinaus wird mit der rasanten Entwicklung digitaler Schaltungen, PCB Die Frequenz des von den Ingenieuren verarbeiteten Signals weiter zunehmen. Im Bereich des HF-Designs über 10 GHz können diese kleinen rechten Winkel zum Brennpunkt von Hochgeschwindigkeitsproblemen werden.

2. Differenzielles Routing

Differenzsignale (DifferentialSignal) werden immer häufiger im Hochgeschwindigkeits-Schaltungsdesign verwendet. Das kritischste Signal in der Schaltung wird oft mit einer differentiellen Struktur entworfen. Was macht es so beliebt? Wie kann man seine gute Leistung im PCB-Design sicherstellen? Mit diesen beiden Fragen gehen wir zum nächsten Teil der Diskussion über.

Was ist ein Differenzsignal? Laienhaft ausgedrückt sendet die treibende Seite zwei gleiche und invertierte Signale, und die empfangende Seite beurteilt den logischen Zustand „0“ oder „1“ durch Vergleich der Differenz zwischen den beiden Spannungen. Das Paar von Spuren, die Differenzsignale tragen, wird als Differenzspuren bezeichnet.

Im Vergleich zu gewöhnlichen Single-Ended-Signalspuren haben Differenzsignale die offensichtlichsten Vorteile in den folgenden drei Aspekten:

A. Starke Entstörungsfähigkeit, da die Kopplung zwischen den beiden Differenzspuren sehr gut ist. Bei Störgeräuschen von außen werden sie fast gleichzeitig an die beiden Leitungen angekoppelt, und die Empfangsseite kümmert sich nur um den Unterschied zwischen den beiden Signalen. Daher kann das externe Gleichtaktrauschen vollständig unterdrückt werden. B. Es kann EMI effektiv unterdrücken. Aus dem gleichen Grund können sich durch die entgegengesetzte Polarität der beiden Signale die von ihnen abgestrahlten elektromagnetischen Felder gegenseitig aufheben. Je enger die Kopplung, desto weniger elektromagnetische Energie wird an die Außenwelt abgegeben. C. Die Timing-Positionierung ist genau. Da sich der Schalterwechsel des Differenzsignals im Schnittpunkt der beiden Signale befindet, wird er im Gegensatz zum gewöhnlichen Single-Ended-Signal, das von den zu bestimmenden hohen und niedrigen Schwellenspannungen abhängt, weniger durch den Prozess und die Temperatur beeinflusst, die Reduzieren Sie den Fehler im Timing. , Aber auch besser geeignet für Signalschaltungen mit niedriger Amplitude. Das derzeit populäre LVDS (Low Voltage Differentialsignaling) bezieht sich auf diese Differenzsignaltechnologie mit kleiner Amplitude.

Für PCB-Ingenieure ist die größte Sorge, wie sichergestellt werden kann, dass diese Vorteile der differenziellen Verdrahtung in der tatsächlichen Verdrahtung vollständig genutzt werden können. Vielleicht kennt jeder, der schon einmal mit Layout in Berührung gekommen ist, die allgemeinen Anforderungen der Differentialverkabelung, d. h. „gleiche Länge und gleicher Abstand“. Die gleiche Länge soll sicherstellen, dass die beiden Differenzsignale jederzeit entgegengesetzte Polaritäten beibehalten und die Gleichtaktkomponente reduzieren; Der gleiche Abstand dient hauptsächlich dazu, sicherzustellen, dass die Differenzimpedanzen der beiden konsistent sind und Reflexionen reduzieren. „So nah wie möglich“ ist manchmal eine der Anforderungen an die Differentialverkabelung. Aber all diese Regeln werden nicht verwendet, um mechanisch angewendet zu werden, und viele Ingenieure scheinen das Wesen der Hochgeschwindigkeits-Differenzsignalübertragung immer noch nicht zu verstehen.

Das Folgende konzentriert sich auf einige häufige Missverständnisse beim PCB-Differentialsignaldesign.

Missverständnis 1: Es wird angenommen, dass das Differenzsignal keine Masseebene als Rückweg benötigt oder dass die Differenzspuren einen Rückweg füreinander bereitstellen. Der Grund für dieses Missverständnis ist, dass sie durch oberflächliche Phänomene verwirrt werden oder der Mechanismus der Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung nicht tief genug ist. Aus der Struktur des Empfängerendes in Abbildung 1-8-15 ist ersichtlich, dass die Emitterströme der Transistoren Q3 und Q4 gleich und entgegengesetzt sind und sich ihre Ströme an Masse genau aufheben (I1=0), also Differenzschaltung ist ähnlich Bounces und andere Rauschsignale, die auf der Strom- und Masseebene vorhanden sein können, sind unempfindlich. Die teilweise Rückführung der Masseebene bedeutet nicht, dass die Differenzschaltung die Referenzebene nicht als Signalrückweg verwendet. Tatsächlich ist bei der Signalrücklaufanalyse der Mechanismus der differentiellen Verdrahtung und der gewöhnlichen Single-Ended-Verdrahtung derselbe, dh Hochfrequenzsignale werden immer entlang der Schleife mit der kleinsten Induktivität reflow die Kopplung mit Masse hat die Differentialleitung auch eine gegenseitige Kopplung. Welche Art der Kopplung ist stark, welche wird zum Hauptrückweg. Abbildung 1-8-16 ist ein schematisches Diagramm der geomagnetischen Feldverteilung von Single-Ended- und Differenzsignalen.

Beim PCB-Schaltungsdesign ist die Kopplung zwischen Differenzleiterbahnen im Allgemeinen gering und macht oft nur 10 bis 20% des Kopplungsgrades aus, und mehr ist die Kopplung zur Erde, so dass der Hauptrückweg der Differenzleiterbahn immer noch auf der Erde vorhanden ist Flugzeug . Wenn die Masseebene diskontinuierlich ist, stellt die Kopplung zwischen den differentiellen Leiterbahnen den Hauptrückweg im Bereich ohne Referenzebene bereit, wie in Abbildung 1-8-17 gezeigt. Obwohl der Einfluss der Diskontinuität der Referenzebene auf die Differenzspur nicht so gravierend ist wie bei der gewöhnlichen Single-Ended-Spur, wird die Qualität des Differenzsignals dennoch verringert und die EMI erhöht, die so weit wie möglich vermieden werden sollte . Einige Konstrukteure glauben, dass die Referenzebene unter der Differenzspur entfernt werden kann, um einige Gleichtaktsignale bei der Differenzübertragung zu unterdrücken. Dieser Ansatz ist jedoch theoretisch nicht wünschenswert. Wie kontrolliere ich die Impedanz? Wenn keine Erdimpedanzschleife für das Gleichtaktsignal bereitgestellt wird, wird unweigerlich EMI-Strahlung verursacht. Dieser Ansatz schadet mehr als er nützt.

Missverständnis 2: Es wird angenommen, dass die Einhaltung gleicher Abstände wichtiger ist als die Anpassung der Zeilenlänge. Beim tatsächlichen PCB-Layout ist es oft nicht möglich, gleichzeitig die Anforderungen des differentiellen Designs zu erfüllen. Aufgrund der Pinverteilung, Durchkontaktierungen und des Verdrahtungsraums muss der Zweck der Leitungslängenanpassung durch richtiges Wickeln erreicht werden, aber das Ergebnis muss sein, dass einige Bereiche des Differentialpaars nicht parallel sein können. Was sollen wir in dieser Zeit tun? Welche Wahl? Bevor wir Schlussfolgerungen ziehen, werfen wir einen Blick auf die folgenden Simulationsergebnisse.

Aus den obigen Simulationsergebnissen ist ersichtlich, dass die Wellenformen von Schema 1 und Schema 2 fast zusammenfallen, d. h. der Einfluss, der durch den ungleichen Abstand verursacht wird, ist minimal. Im Vergleich dazu ist der Einfluss der Leitungslängenfehlanpassung auf das Timing viel größer. (Schema 3). Aus der theoretischen Analyse geht hervor, dass, obwohl der inkonsistente Abstand zu einer Änderung der Differenzimpedanz führt, da die Kopplung zwischen dem Differenzpaar selbst nicht signifikant ist, der Impedanzänderungsbereich auch sehr klein ist, normalerweise innerhalb von 10 %, was nur einem Durchgang entspricht . Die durch das Loch verursachte Reflexion hat keinen wesentlichen Einfluss auf die Signalübertragung. Wenn die Leitungslänge nicht übereinstimmt, werden zusätzlich zum Timing-Offset Gleichtaktkomponenten in das Differenzsignal eingeführt, was die Qualität des Signals verringert und die EMI erhöht.

Es kann gesagt werden, dass die wichtigste Regel beim Design von PCB-Differenzleiterbahnen die passende Leitungslänge ist, und andere Regeln können je nach Designanforderungen und praktischen Anwendungen flexibel gehandhabt werden.

Missverständnis 3: Denken Sie, dass die Differentialverkabelung sehr eng sein muss. Die Nähe der differentiellen Leiterbahnen ist nichts anderes, als ihre Kopplung zu verbessern, was nicht nur die Störfestigkeit verbessern kann, sondern auch die entgegengesetzte Polarität des Magnetfelds voll ausnutzt, um elektromagnetische Störungen nach außen zu kompensieren. Obwohl dieser Ansatz in den meisten Fällen sehr vorteilhaft ist, ist er nicht absolut. Wenn wir sicherstellen können, dass sie vollständig von externen Störungen abgeschirmt sind, müssen wir keine starke Kopplung verwenden, um eine Entstörung zu erreichen. Und der Zweck der Unterdrückung von EMI. Wie können wir eine gute Isolierung und Abschirmung von differentiellen Leiterbahnen gewährleisten? Das Vergrößern des Abstands mit anderen Signalspuren ist eine der grundlegendsten Möglichkeiten. Die elektromagnetische Feldenergie nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Im Allgemeinen ist die Interferenz zwischen ihnen extrem schwach, wenn der Zeilenabstand das 4-fache der Zeilenbreite überschreitet. Kann ignoriert werden. Darüber hinaus kann die Isolation durch die Masseebene auch eine gute Schirmungsrolle spielen. Diese Struktur wird häufig im Hochfrequenz-(über 10G)-IC-Gehäuse-PCB-Design verwendet. Es wird als CPW-Struktur bezeichnet, die eine strenge Differenzimpedanz gewährleisten kann. Steuerung (2Z0), wie in Abbildung 1-8-19 gezeigt.

Differentielle Leiterbahnen können auch in verschiedenen Signalschichten verlaufen, aber dieses Verfahren wird im Allgemeinen nicht empfohlen, da die Unterschiede in Impedanz und Durchkontaktierungen, die von verschiedenen Schichten erzeugt werden, den Effekt der Gegentaktübertragung zerstören und Gleichtaktrauschen einführen. Wenn die benachbarten zwei Schichten nicht fest gekoppelt sind, verringert dies außerdem die Fähigkeit der differentiellen Leiterbahn, Rauschen zu widerstehen, aber wenn Sie einen angemessenen Abstand zu den umgebenden Leiterbahnen einhalten können, ist Übersprechen kein Problem. Bei allgemeinen Frequenzen (unter GHz) ist EMI kein ernsthaftes Problem. Experimente haben gezeigt, dass die Dämpfung der abgestrahlten Energie in einer Entfernung von 500 mil von einer Differenzspur 60 dB in einer Entfernung von 3 Metern erreicht hat, was ausreichend ist, um den FCC-Standard für elektromagnetische Strahlung zu erfüllen. Der Designer muss sich also keine Sorgen machen viel über die elektromagnetische Inkompatibilität, die durch unzureichende differentielle Leitungskopplung verursacht wird.

3. Schlangenlinie

Schlangenlinie ist eine Art von Routing-Methode, die häufig in Layout verwendet wird. Sein Hauptzweck besteht darin, die Verzögerung einzustellen, um die Designanforderungen für das Systemtiming zu erfüllen. Der Designer muss zunächst dieses Verständnis haben: Die Serpentinenleitung zerstört die Signalqualität, ändert die Übertragungsverzögerung und versucht, sie bei der Verkabelung zu vermeiden. Um jedoch sicherzustellen, dass das Signal eine ausreichende Haltezeit hat oder um den Zeitversatz zwischen derselben Gruppe von Signalen zu reduzieren, ist es in der tatsächlichen Konstruktion oft notwendig, den Draht absichtlich zu wickeln.

Welche Auswirkung hat die Schlangenlinie auf die Signalübertragung? Was ist bei der Verkabelung zu beachten? Die beiden kritischsten Parameter sind die parallele Kopplungslänge (Lp) und der Kopplungsabstand (S), wie in Abbildung 1-8-21 dargestellt. Wenn das Signal auf der Serpentinenspur übertragen wird, werden die parallelen Leitungssegmente offensichtlich in einem Differenzmodus gekoppelt. Je kleiner S und je größer Lp, desto größer ist der Kopplungsgrad. Dies kann dazu führen, dass die Übertragungsverzögerung reduziert wird und die Signalqualität aufgrund von Übersprechen stark reduziert wird. Der Mechanismus kann sich auf die Analyse von Gleichtakt- und Gegentaktübersprechen in Kapitel 3 beziehen.

Im Folgenden finden Sie einige Vorschläge für Layout-Ingenieure beim Umgang mit Serpentinenlinien:

1. Versuchen Sie, den Abstand (S) paralleler Liniensegmente zu erhöhen, mindestens um mehr als 3H, H bezieht sich auf den Abstand von der Signalspur zur Referenzebene. Für den Laien bedeutet es eine große Kurve. Solange S groß genug ist, kann der gegenseitige Kopplungseffekt fast vollständig vermieden werden. 2. Reduzieren Sie die Kupplungslänge Lp. Wenn sich die doppelte Lp-Verzögerung der Signalanstiegszeit nähert oder diese überschreitet, erreicht das erzeugte Übersprechen die Sättigung. 3. Die durch die Schlangenlinie des Strip-Line oder Embedded Micro-Strip verursachte Signalübertragungsverzögerung ist geringer als die des Micro-Strips. Theoretisch beeinflusst die Streifenleitung die Übertragungsrate aufgrund des Übersprechens im Gegentaktmodus nicht. 4. Versuchen Sie bei Hochgeschwindigkeits-Signalleitungen und solchen mit strengen Timing-Anforderungen, keine Serpentinenleitungen zu verwenden, insbesondere in kleinen Gebieten. 5. Sie können häufig Serpentinenspuren in jedem beliebigen Winkel verwenden, wie z. B. die C-Struktur in Abbildung 1-8-20, wodurch die gegenseitige Kopplung effektiv reduziert werden kann. 6. Beim Hochgeschwindigkeits-PCB-Design verfügt die Serpentinenleitung nicht über die sogenannte Filter- oder Anti-Interferenz-Fähigkeit und kann nur die Signalqualität reduzieren, so dass sie nur zur Timing-Anpassung verwendet wird und keinen anderen Zweck hat. 7. Manchmal können Sie zum Wickeln eine Spiralführung in Betracht ziehen. Die Simulation zeigt, dass seine Wirkung besser ist als die normale Serpentinenführung.