Layout is one of the most basic work skills of PCB-Design Ingenieur. 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. The following will be in view of the actual wiring may encounter some situations, analysis of its rationality, and give some more optimized routing strategy. Mainly from the right Angle line, difference line, snake line and so on three aspects to elaborate.

1. Rechteckige Go-Linie

Right-angle wiring is generally required to avoid the situation in PCB wiring, and has almost become one of the standards to measure the quality of wiring, so how much impact will right-angle wiring have on signal transmission? Im Prinzip verändert eine rechtwinklige Verdrahtung die Leitungsbreite der Übertragungsleitung, was zu einer Impedanzdiskontinuität führt. Tatsächlich können nicht nur rechtwinklige Linien, Tonwinkel, spitze Winkellinien Impedanzänderungen verursachen.

Der Einfluss der rechtwinkligen Ausrichtung auf das Signal spiegelt sich hauptsächlich in drei Aspekten wider: Erstens kann die Ecke der kapazitiven Last auf der Übertragungsleitung entsprechen, was die Anstiegszeit verlangsamt; Second, impedance discontinuity will cause signal reflection; Drittens, durch die rechtwinklige Spitze erzeugte EMI.

The parasitic capacitance caused by the right Angle of the transmission line can be calculated by the following empirical formula:

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. Zum Beispiel beträgt für eine 4Mils 50 Ohm Übertragungsleitung (εr 4.3) die Kapazität eines rechten Winkels ungefähr 0.0101pF, und die Anstiegszeitvariation kann geschätzt werden:

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

Aus der Berechnung ist ersichtlich, dass der durch die rechtwinklige Verdrahtung bewirkte Kapazitätseffekt extrem klein ist.

Wenn die Linienbreite der rechtwinkligen Linie zunimmt, nimmt die Impedanz an diesem Punkt ab, so dass ein gewisses Signalreflexionsphänomen auftritt. Wir können die äquivalente Impedanz nach Erhöhung der Leitungsbreite gemäß der im Abschnitt über Übertragungsleitungen erwähnten Impedanzberechnungsformel berechnen und dann den Reflexionskoeffizienten gemäß der empirischen Formel berechnen: ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0), die allgemeine rechtwinklige Verdrahtung führt zu Impedanzänderungen zwischen 7%-20%, so dass der maximale Reflexionskoeffizient etwa 0.1 beträgt. Moreover, as can be seen from the figure below, the transmission line impedance changes to the minimum within the length of W/2 line, and then restores to the normal impedance after W/2 time. The time for the whole impedance change is very short, usually within 10ps. Such a fast and small change is almost negligible for the general signal transmission.

Many people have such an understanding of right-angle routing, believing that the tip is easy to emit or receive electromagnetic waves and produce EMI, which has become one of the reasons why many people think right-angle routing is not possible. Viele praktische Testergebnisse zeigen jedoch, dass eine rechtwinklige Linie nicht viel EMI erzeugt als eine gerade Linie. Vielleicht schränken die aktuelle Instrumentenleistung und das Testniveau die Genauigkeit des Tests ein, aber es zeigt zumindest, dass die Strahlung der rechtwinkligen Linie geringer ist als der Messfehler des Instruments selbst. In general, right-angle alignment is not as terrible as it might seem. At least in applications below GHz, any effects such as capacitance, reflection, EMI, etc. are almost not reflected in TDR tests. The design engineer of high-speed PCB should focus on layout, power/ground design, wiring design, perforation, etc. Obwohl die Auswirkungen der rechteckigen Go-Linie natürlich nicht sehr gravierend sind, bedeutet dies jedoch nicht, dass wir eine rechtwinklige Linie gehen können, die Liebe zum Detail ist die wesentliche Qualität für jeden guten Ingenieur und mit der schnellen Entwicklung digitaler Schaltungen , PCB-Ingenieure Verarbeitung der Signalfrequenz wird sich auch weiter verbessern, um mehr als 10 GHZ HF-Design-Bereich, Diese kleinen rechten Winkel können zum Brennpunkt von Hochgeschwindigkeitsproblemen werden.

2. Unterschied von

DifferenTIal Signal wird häufig beim Design von Hochgeschwindigkeitsschaltungen verwendet. Das wichtigste Signal in einer Schaltung ist das DifferenTIal Signal Design. How to ensure its good performance in PCB design? Mit diesen beiden Fragen im Hinterkopf kommen wir zum nächsten Teil unserer Diskussion.

What is a differential signal? Im Klartext sendet der Treiber zwei äquivalente und invertierende Signale, und der Empfänger vergleicht die Differenz der beiden Spannungen, um festzustellen, ob der logische Zustand „0“ oder „1“ ist. Das Paar von Drähten, die differenzielle Signale führen, wird als differenzielle Drähte bezeichnet.

Im Vergleich zum gewöhnlichen Single-Ended-Signalrouting hat das Differenzsignal die offensichtlichsten Vorteile in den folgenden drei Aspekten:

A. Starke Anti-Interferenz-Fähigkeit, da die Kopplung zwischen zwei Differenzleitungen sehr gut ist, wenn Rauschstörungen auftreten, werden sie fast gleichzeitig an zwei Leitungen gekoppelt und der Empfänger kümmert sich nur um den Unterschied zwischen den beiden Signalen. so kann das externe Gleichtaktrauschen vollständig unterdrückt werden.

B. Es kann EMI effektiv unterdrücken. Da zwei Signale entgegengesetzte Polarität haben, kann sich das von ihnen ausgestrahlte elektromagnetische Feld in ähnlicher Weise gegenseitig aufheben. Je enger die Kopplung ist, desto weniger elektromagnetische Energie wird an die Außenwelt abgegeben.

C. Die Timing-Positionierung ist genau. Da sich die Schaltänderung von Differenzsignalen am Schnittpunkt zweier Signale befindet, wird sie im Gegensatz zu gewöhnlichen Single-Ended-Signalen, die durch hohe und niedrige Schwellenspannungen beurteilt werden, weniger von Prozess und Temperatur beeinflusst, was Zeitfehler reduzieren kann und besser geeignet ist für Schaltungen mit Signalen geringer Amplitude. LVDS (low voltage differenTIalsignaling) refers to this small amplitude differential signal technology.

For PCB engineers, the most important concern is how to ensure that these advantages of differential routing can be fully utilized in the actual routing. Perhaps as long as it is in contact with Layout people will understand the general requirements of differential routing, that is “equal length, equal distance”. Isometric is to ensure that the two differential signals always maintain opposite polarity, reduce the common mode component; Isometrisch dient hauptsächlich dazu, die gleiche Differenzimpedanz zu gewährleisten und Reflexionen zu reduzieren. “As close as possible” is sometimes one of the requirements for differential 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. Das Folgende konzentriert sich auf einige häufige Fehler beim PCB-Differenzsignaldesign.

Misconception 1: Differential signals do not need ground plane as backflow path, or think that differential lines provide backflow path for each other. Die Ursache für dieses Missverständnis wird durch das Oberflächenphänomen verwirrt oder der Mechanismus der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung ist nicht tief genug. Wie aus dem Aufbau des Aufnahmeendes in FIG. 1-8-15 sind die Emitterströme der Transistoren Q3 und Q4 äquivalent und entgegengesetzt, und ihr Strom an der Verbindungsstelle hebt sich genau auf (I1 = 0). Daher ist die Differenzschaltung unempfindlich gegenüber ähnlichen Masseprojektionen und anderen Rauschsignalen, die in der Stromversorgung und Masseebene vorhanden sein können. Die teilweise Rückflussaufhebung der Masseebene bedeutet nicht, dass die Differenzschaltung nicht die Referenzebene als Signalrückweg verwendet. Tatsächlich ist bei der Signalrückflussanalyse der Mechanismus des differentiellen Routings derselbe wie der des normalen Single-End-Routings, nämlich high

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.

Beim PCB-Schaltungsdesign ist die Kopplung zwischen der Differentialverkabelung im Allgemeinen gering und macht normalerweise nur 10 bis 20% des Kopplungsgrades aus, und der größte Teil der Kopplung erfolgt zur Erde, sodass der Hauptrückflusspfad der Differentialverkabelung immer noch im Boden vorhanden ist Flugzeug. Im Fall einer Diskontinuität in der lokalen Ebene stellt die Kopplung zwischen differentiellen Routen den Hauptrückflusspfad im Bereich ohne Referenzebene bereit, wie in Fig. 1 gezeigt. 8-17-XNUMX. 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. Some designers believe that the reference plane of the line of differential transmission can be removed to suppress part of the common mode signal in differential transmission, but theoretically this approach is not desirable. How to control the impedance? Ohne die Bereitstellung einer Erdimpedanzschleife für das Gleichtaktsignal wird zwangsläufig EMI-Strahlung verursacht, die mehr schadet als nützt.

Myth 2: Maintaining equal spacing is more important than matching line length. In the actual PCB wiring, it is often unable to meet the requirements of differential design. Aufgrund der Verteilung von Stiften, Löchern und Verdrahtungsraum und anderen Faktoren ist es notwendig, den Zweck der Leitungslängenanpassung durch geeignetes Wickeln zu erreichen, aber das Ergebnis ist unweigerlich ein Teil des Differenzpaares kann zu diesem Zeitpunkt nicht parallel sein, wie wählen? Bevor wir zu Schlussfolgerungen kommen, 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 von ungleichen Abständen ist minimal und der Einfluss von Linienlängen-Fehlanpassung ist viel größer auf die Timing-Sequenz (Schema 3) . Aus der Perspektive der theoretischen Analyse führt der inkonsistente Abstand zwar zu Differenzimpedanzänderungen, aber da die Kopplung zwischen dem Differenzpaar selbst nicht signifikant ist, ist der Bereich der Impedanzänderungen auch sehr klein, normalerweise innerhalb von 10%, nur äquivalent zu einer durch ein Loch verursachten Reflexion, die keinen wesentlichen Einfluss auf die Signalübertragung hat. Once the line length is mismatched, in addition to time sequence offset, common mode components are introduced into the differential signal, which reduces signal quality and increases EMI.

It can be said that the most important rule in PCB differential wiring design is to match the line length, and other rules can be flexibly handled according to the design requirements and practical applications.

Irrtum drei: denken, dass die Differenzlinie sehr nah sein muss. The point of keeping the difference lines close together is nothing more than to increase their coupling, both to improve their immunity to noise and to take advantage of the opposite polarity of the magnetic field to cancel out electromagnetic interference from the outside world. Obwohl dieser Ansatz in den meisten Fällen sehr günstig ist, ist er nicht absolut. Wenn sie vollständig von externen Störungen abgeschirmt werden können, müssen wir den Zweck der Entstörung und EMV-Unterdrückung durch starke Kopplung miteinander nicht mehr erreichen. How to ensure that differential routing has good isolation and shielding? Das Vergrößern des Abstands zwischen den Leitungen und anderen Signalen ist eine der grundlegendsten Möglichkeiten. Die Energie des elektromagnetischen Feldes nimmt mit dem quadratischen Verhältnis der Entfernung ab. Im Allgemeinen, wenn der Abstand zwischen den Linien mehr als das Vierfache der Linienbreite beträgt, ist die Interferenz zwischen ihnen extrem schwach und kann grundsätzlich ignoriert werden. Darüber hinaus kann die Isolierung durch die Masseebene auch eine gute Abschirmwirkung bieten. Diese Struktur wird häufig in hochfrequenten (über 10 G) IC-gekapselten PCB-Designs verwendet, die als CPW-Struktur bekannt sind, um eine strikte Differenzialimpedanzsteuerung (2Z0) sicherzustellen, FIG. 1-8-19.

Differenzielles Routing kann auch in verschiedenen Signalschichten durchgeführt werden, dies wird jedoch im Allgemeinen nicht empfohlen, da Unterschiede wie Impedanz und Durchgangslöcher in verschiedenen Schichten den Differenzmodusübertragungseffekt zerstören und Gleichtaktrauschen verursachen können. Wenn die beiden benachbarten Schichten nicht fest gekoppelt sind, wird außerdem die Fähigkeit des differentiellen Routings, Rauschen zu widerstehen, verringert, aber Übersprechen ist kein Problem, wenn der richtige Abstand mit dem umgebenden Routing beibehalten wird. In general frequency (below GHz), EMI will not be a serious problem. Experiments show that the radiation energy attenuation of differential lines with a distance of 500Mils beyond 3 meters has reached 60dB, which is enough to meet the ELECTROMAGNETIC radiation standard of FCC. Therefore, designers do not need to worry too much about electromagnetic incompatibility caused by insufficient coupling of differential lines.

3. Serpentin

A serpentine line is often used in Layout. Its main purpose is to adjust the time delay and meet the requirements of system timing design. Designers should first understand that serpentine wire will destroy signal quality, change transmission delay, and should be avoided when wiring. However, in practical design, in order to ensure sufficient hold time of signals, or to reduce time offset between the same group of signals, winding has to be deliberately carried out.

So what does the serpentine do to signal transmission? What should I pay attention to when walking the line? The two most critical parameters are parallel coupling length (Lp) and coupling distance (S), as shown in FIG. 1-8-21. Obviously, when the signal is transmitted in serpentine line, there will be coupling between parallel line segments in the form of difference mode. The smaller S is, the larger Lp is, and the greater the coupling degree will be. Dies kann zu reduzierten Übertragungsverzögerungen und einer deutlichen Reduzierung der Signalqualität durch Übersprechen führen, wie in Kapitel 3 zur Analyse von Gleichtakt- und Gegentaktübersprechen beschrieben.

Here are some tips for Layout engineers when dealing with serpentines:

1. Versuchen Sie, den Abstand (S) des parallelen Liniensegments zu vergrößern, der mindestens 3H beträgt. H bezeichnet den Abstand von der Signalleitung zur Referenzebene. Generally speaking, it is to take a big curve. As long as S is large enough, the coupling effect can be almost completely avoided.

2. Wenn die Kopplungslänge Lp verringert wird, erreicht das erzeugte Übersprechen eine Sättigung, wenn sich die Verzögerung von Lp zweimal der Signalanstiegszeit nähert oder diese überschreitet.

3. Die Signalübertragungsverzögerung, die durch die schlangenartige Leitung von Streifenleitung oder eingebettetem Mikrostreifen verursacht wird, ist kleiner als die von Mikrostreifen. Theoretisch beeinflusst die Bandleitung die Übertragungsrate wegen des Übersprechens im Gegentaktmodus nicht.

4. Versuchen Sie bei Hochgeschwindigkeits- und Signalleitungen mit strengen Anforderungen an das Timing, keine Serpentinenlinien zu gehen, insbesondere in einem kleinen Bereich.

5. Die Serpentinenführung in jedem Winkel kann oft übernommen werden. Die C-Struktur in FIG. 1-8-20 kann die Kopplung untereinander effektiv reduzieren.

6. In high-speed PCB design, serpentine has no so-called filtering or anti-interference ability, and can only reduce signal quality, so it is only used for timing matching and no other purpose.

7. Manchmal kann auch eine spiralförmige Wicklung in Betracht gezogen werden. Die Simulation zeigt, dass seine Wirkung besser ist als bei normaler Serpentinenwicklung.