El diseño es una de las habilidades laborales más básicas para los ingenieros de diseño de PCB. La calidad del cableado afectará directamente el rendimiento de todo el sistema. La mayoría de las teorías de diseño de alta velocidad deben finalmente implementarse y verificarse a través de Layout. Puede verse que el cableado es muy importante en PCB de alta velocidad diseño. A continuación, se analizará la racionalidad de algunas situaciones que pueden encontrarse en el cableado real y se ofrecerán algunas estrategias de enrutamiento más optimizadas.

Se explica principalmente desde tres aspectos: cableado en ángulo recto, cableado diferencial y cableado en serpentina.

1. Enrutamiento en ángulo recto

El cableado en ángulo recto es generalmente una situación que debe evitarse tanto como sea posible en el cableado de PCB, y casi se ha convertido en uno de los estándares para medir la calidad del cableado. Entonces, ¿cuánta influencia tendrá el cableado en ángulo recto en la transmisión de la señal? En principio, el enrutamiento en ángulo recto cambiará el ancho de línea de la línea de transmisión, causando discontinuidad en la impedancia. De hecho, no solo el enrutamiento en ángulo recto, sino también en las esquinas y el enrutamiento en ángulo agudo pueden causar cambios de impedancia.

La influencia del enrutamiento en ángulo recto en la señal se refleja principalmente en tres aspectos:

Una es que la esquina puede ser equivalente a la carga capacitiva en la línea de transmisión, lo que ralentiza el tiempo de subida; el segundo es que la discontinuidad de la impedancia provocará una reflexión de la señal; el tercero es la EMI generada por la punta en ángulo recto.

La capacitancia parásita causada por el ángulo recto de la línea de transmisión se puede calcular mediante la siguiente fórmula empírica:

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

En la fórmula anterior, C se refiere a la capacitancia equivalente de la esquina (unidad: pF), W se refiere al ancho de la traza (unidad: pulgada), εr se refiere a la constante dieléctrica del medio y Z0 es la impedancia característica de la línea de transmisión. Por ejemplo, para una línea de transmisión de 4Mils 50 ohmios (εr es 4.3), la capacitancia traída por un ángulo recto es aproximadamente 0.0101pF, y luego se puede estimar el cambio de tiempo de subida causado por esto:

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

Se puede ver a través del cálculo que el efecto de capacitancia producido por la traza en ángulo recto es extremadamente pequeño.

A medida que aumenta el ancho de línea de la traza en ángulo recto, la impedancia disminuirá, por lo que se producirá un cierto fenómeno de reflexión de la señal. Podemos calcular la impedancia equivalente después de que el ancho de la línea aumente de acuerdo con la fórmula de cálculo de impedancia mencionada en el capítulo de la línea de transmisión, y luego calcular el coeficiente de reflexión de acuerdo con la fórmula empírica:

ρ = (Zs-Z0) / (Zs + Z0)

Generalmente, el cambio de impedancia causado por el cableado en ángulo recto está entre el 7% y el 20%, por lo que el coeficiente de reflexión máximo es de aproximadamente 0.1. Además, como puede verse en la figura siguiente, la impedancia de la línea de transmisión cambia al mínimo dentro de la longitud de la línea W / 2, y luego vuelve a la impedancia normal después del tiempo de W / 2. Todo el tiempo de cambio de impedancia es extremadamente corto, a menudo dentro de los 10ps. En el interior, cambios tan rápidos y pequeños son casi insignificantes para la transmisión de señales en general.

Mucha gente tiene esta comprensión del cableado en ángulo recto. Piensan que la punta es fácil de transmitir o recibir ondas electromagnéticas y generar EMI. Esta se ha convertido en una de las razones por las que mucha gente piensa que el cableado en ángulo recto no se puede enrutar. Sin embargo, muchos resultados de pruebas reales muestran que los trazos en ángulo recto no producirán una EMI obvia que las líneas rectas. Quizás el rendimiento actual del instrumento y el nivel de prueba restringen la precisión de la prueba, pero al menos ilustra un problema. La radiación del cableado en ángulo recto ya es menor que el error de medición del propio instrumento.

En general, el enrutamiento en ángulo recto no es tan terrible como se imagina. Al menos en aplicaciones por debajo de GHz, cualquier efecto como capacitancia, reflexión, EMI, etc., apenas se refleja en las pruebas de TDR. Los ingenieros de diseño de PCB de alta velocidad aún deben centrarse en el diseño, el diseño de energía / tierra y el diseño de cableado. Vía agujeros y otros aspectos. Por supuesto, aunque el impacto del cableado en ángulo recto no es muy grave, no significa que todos podamos usar cableado en ángulo recto en el futuro. La atención al detalle es la cualidad básica que todo buen ingeniero debe tener. Además, con el rápido desarrollo de los circuitos digitales, la frecuencia de la señal procesada por los ingenieros de PCB seguirá aumentando. En el campo del diseño de RF por encima de 10 GHz, estos pequeños ángulos rectos pueden convertirse en el foco de problemas de alta velocidad.

2. Enrutamiento diferencial

La señal diferencial (DifferentialSignal) se utiliza cada vez más en el diseño de circuitos de alta velocidad. La señal más crítica del circuito a menudo se diseña con una estructura diferencial. ¿Qué lo hace tan popular? ¿Cómo asegurar su buen desempeño en el diseño de PCB? Con estas dos preguntas, pasamos a la siguiente parte de la discusión.

¿Qué es una señal diferencial? En términos sencillos, el extremo conductor envía dos señales iguales e invertidas, y el extremo receptor juzga el estado lógico “0” o “1” comparando la diferencia entre los dos voltajes. El par de trazas que transportan señales diferenciales se denomina trazas diferenciales.

En comparación con los seguimientos de señales de un solo extremo ordinarios, las señales diferenciales tienen las ventajas más obvias en los tres aspectos siguientes:

una. Fuerte capacidad antiinterferente, porque el acoplamiento entre las dos trazas diferenciales es muy bueno. Cuando hay interferencia de ruido desde el exterior, casi se acoplan a las dos líneas al mismo tiempo, y el extremo receptor solo se preocupa por la diferencia entre las dos señales. Por lo tanto, el ruido del modo común externo se puede cancelar por completo. B. Puede suprimir eficazmente EMI. Por la misma razón, debido a la polaridad opuesta de las dos señales, los campos electromagnéticos que irradian pueden anularse entre sí. Cuanto más estrecho es el acoplamiento, menos energía electromagnética se ventila al mundo exterior. C. El posicionamiento de sincronización es preciso. Debido a que el cambio de interruptor de la señal diferencial se encuentra en la intersección de las dos señales, a diferencia de la señal ordinaria de un solo extremo, que depende de los voltajes de umbral alto y bajo para determinar, se ve menos afectada por el proceso y la temperatura, que pueden Reducir el error en la sincronización. , Pero también más adecuado para circuitos de señal de baja amplitud. El popular LVDS (señalización diferencial de baja tensión) se refiere a esta tecnología de señal diferencial de pequeña amplitud.

Para los ingenieros de PCB, la mayor preocupación es cómo garantizar que estas ventajas del cableado diferencial se puedan utilizar por completo en el cableado real. Quizás cualquiera que haya estado en contacto con Layout comprenderá los requisitos generales del cableado diferencial, es decir, “igual longitud y igual distancia”. La misma longitud es para asegurar que las dos señales diferenciales mantengan polaridades opuestas en todo momento y reduzcan el componente de modo común; la distancia igual es principalmente para asegurar que las impedancias diferenciales de los dos sean consistentes y reduzcan los reflejos. “Lo más cerca posible” es a veces uno de los requisitos del cableado diferencial. Pero todas estas reglas no se utilizan para aplicar mecánicamente, y muchos ingenieros todavía parecen no comprender la esencia de la transmisión de señales diferenciales de alta velocidad.

Lo siguiente se centra en varios malentendidos comunes en el diseño de señales diferenciales de PCB.

Malentendido 1: Se cree que la señal diferencial no necesita un plano de tierra como ruta de retorno, o que las trazas diferenciales proporcionan una ruta de retorno entre sí. La razón de este malentendido es que se confunden con fenómenos superficiales o que el mecanismo de transmisión de señales a alta velocidad no es lo suficientemente profundo. Puede verse en la estructura del extremo receptor de la Figura 1-8-15 que las corrientes de emisor de los transistores Q3 y Q4 son iguales y opuestas, y sus corrientes en el suelo se cancelan exactamente entre sí (I1 = 0), por lo que el El circuito diferencial es similar. Los rebotes y otras señales de ruido que pueden existir en los planos de potencia y tierra son insensibles. La cancelación de retorno parcial del plano de tierra no significa que el circuito diferencial no utilice el plano de referencia como ruta de retorno de la señal. De hecho, en el análisis de retorno de señal, el mecanismo del cableado diferencial y el cableado ordinario de un solo extremo es el mismo, es decir, las señales de alta frecuencia son siempre Reflujo a lo largo del bucle con la menor inductancia, la mayor diferencia es que además de el acoplamiento al suelo, la línea diferencial también tiene acoplamiento mutuo. Qué tipo de acoplamiento es fuerte, cuál se convierte en la ruta de retorno principal. La figura 1-8-16 es un diagrama esquemático de la distribución del campo geomagnético de señales de un solo extremo y señales diferenciales.

En el diseño de circuitos de PCB, el acoplamiento entre trazas diferenciales es generalmente pequeño, a menudo solo representa del 10 al 20% del grado de acoplamiento, y más es el acoplamiento al suelo, por lo que la ruta de retorno principal de la traza diferencial todavía existe en el suelo plano . Cuando el plano de tierra es discontinuo, el acoplamiento entre las trazas diferenciales proporcionará la ruta de retorno principal en el área sin un plano de referencia, como se muestra en la Figura 1-8-17. Aunque la influencia de la discontinuidad del plano de referencia en la traza diferencial no es tan grave como la de la traza ordinaria de un solo extremo, aún reducirá la calidad de la señal diferencial y aumentará la EMI, lo que debe evitarse tanto como sea posible. . Algunos diseñadores creen que el plano de referencia debajo de la traza diferencial se puede eliminar para suprimir algunas señales de modo común en la transmisión diferencial. Sin embargo, este enfoque no es deseable en teoría. ¿Cómo controlar la impedancia? No proporcionar un bucle de impedancia de tierra para la señal de modo común causará inevitablemente radiación EMI. Este enfoque hace más daño que bien.

Malentendido 2: Se cree que mantener el mismo espaciado es más importante que hacer coincidir la longitud de la línea. En el diseño de PCB real, a menudo no es posible cumplir con los requisitos del diseño diferencial al mismo tiempo. Debido a la existencia de distribución de pines, vías y espacio de cableado, el propósito de la coincidencia de la longitud de la línea debe lograrse mediante el devanado adecuado, pero el resultado debe ser que algunas áreas del par diferencial no pueden ser paralelas. ¿Qué debemos hacer en este momento? Cual eleccion? Antes de sacar conclusiones, echemos un vistazo a los siguientes resultados de simulación.

De los resultados de la simulación anterior, se puede ver que las formas de onda del Esquema 1 y el Esquema 2 son casi coincidentes, es decir, la influencia causada por el espaciamiento desigual es mínima. En comparación, la influencia del desajuste de la longitud de la línea en la sincronización es mucho mayor. (Esquema 3). Desde el análisis teórico, aunque el espaciado inconsistente hará que la impedancia diferencial cambie, debido a que el acoplamiento entre el par diferencial en sí no es significativo, el rango de cambio de impedancia también es muy pequeño, generalmente dentro del 10%, que solo equivale a una pasada. . La reflexión causada por el agujero no tendrá un impacto significativo en la transmisión de la señal. Una vez que la longitud de la línea no coincide, además del desplazamiento de tiempo, se introducen componentes de modo común en la señal diferencial, lo que reduce la calidad de la señal y aumenta la EMI.

Se puede decir que la regla más importante en el diseño de trazas diferenciales de PCB es la longitud de línea correspondiente, y otras reglas se pueden manejar de manera flexible de acuerdo con los requisitos de diseño y las aplicaciones prácticas.

Malentendido 3: Piense que el cableado diferencial debe estar muy cerca. Mantener las trazas diferenciales cerca no es más que mejorar su acoplamiento, lo que no solo puede mejorar la inmunidad al ruido, sino también hacer un uso completo de la polaridad opuesta del campo magnético para compensar la interferencia electromagnética al mundo exterior. Aunque este enfoque es muy beneficioso en la mayoría de los casos, no es absoluto. Si podemos asegurarnos de que estén completamente protegidos de interferencias externas, entonces no es necesario utilizar un acoplamiento fuerte para lograr la antiinterferencia. Y el propósito de suprimir EMI. ¿Cómo podemos asegurar un buen aislamiento y blindaje de las trazas diferenciales? Aumentar el espaciado con otros rastros de señal es una de las formas más básicas. La energía del campo electromagnético disminuye con el cuadrado de la distancia. Generalmente, cuando el espaciado de línea excede 4 veces el ancho de línea, la interferencia entre ellos es extremadamente débil. Puede ignorarse. Además, el aislamiento por el plano de tierra también puede desempeñar un buen papel de blindaje. Esta estructura se utiliza a menudo en el diseño de PCB de paquete IC de alta frecuencia (por encima de 10G). Se llama estructura CPW, que puede garantizar una impedancia diferencial estricta. Control (2Z0), como se muestra en la Figura 1-8-19.

Las trazas diferenciales también se pueden ejecutar en diferentes capas de señal, pero este método generalmente no se recomienda, porque las diferencias en impedancia y vías producidas por diferentes capas destruirán el efecto de la transmisión en modo diferencial e introducirán ruido en modo común. Además, si las dos capas adyacentes no están estrechamente acopladas, reducirá la capacidad de la traza diferencial para resistir el ruido, pero si puede mantener una distancia adecuada de las trazas circundantes, la diafonía no es un problema. En frecuencias generales (por debajo de GHz), la EMI no será un problema grave. Los experimentos han demostrado que la atenuación de la energía radiada a una distancia de 500 milésimas de pulgada de una traza diferencial ha alcanzado los 60 dB a una distancia de 3 metros, lo que es suficiente para cumplir con el estándar de radiación electromagnética de la FCC, por lo que el diseñador no tiene que preocuparse demasiado. mucho sobre la incompatibilidad electromagnética causada por un acoplamiento de línea diferencial insuficiente.

3. Línea serpentina

La línea de serpiente es un tipo de método de enrutamiento que se usa a menudo en Layout. Su objetivo principal es ajustar el retardo para cumplir con los requisitos de diseño de temporización del sistema. El diseñador primero debe tener este conocimiento: la línea serpenteante destruirá la calidad de la señal, cambiará el retardo de transmisión y tratará de evitar su uso al realizar el cableado. Sin embargo, en el diseño real, para asegurar que la señal tenga suficiente tiempo de retención, o para reducir el desfase de tiempo entre el mismo grupo de señales, a menudo es necesario enrollar deliberadamente el cable.

Entonces, ¿qué efecto tiene la línea serpentina en la transmisión de la señal? ¿A qué debo prestar atención al realizar el cableado? Los dos parámetros más críticos son la longitud de acoplamiento paralelo (Lp) y la distancia de acoplamiento (S), como se muestra en la Figura 1-8-21. Obviamente, cuando la señal se transmite en la traza serpentina, los segmentos de la línea paralela se acoplarán en modo diferencial. Cuanto menor sea la S y mayor sea la Lp, mayor será el grado de acoplamiento. Puede hacer que se reduzca el retardo de transmisión y que la calidad de la señal se reduzca en gran medida debido a la diafonía. El mecanismo puede referirse al análisis de diafonía de modo común y modo diferencial en el Capítulo 3.

Las siguientes son algunas sugerencias para los ingenieros de diseño cuando se trata de líneas serpentinas:

1. Intente aumentar la distancia (S) de los segmentos de líneas paralelas, al menos mayor que 3H, H se refiere a la distancia desde la traza de la señal hasta el plano de referencia. En términos sencillos, es dar la vuelta a una gran curva. Siempre que S sea lo suficientemente grande, el efecto de acoplamiento mutuo se puede evitar casi por completo. 2. Reducir la longitud del acoplamiento Lp. Cuando el retardo de doble Lp se acerca o supera el tiempo de subida de la señal, la diafonía generada alcanzará la saturación. 3. El retardo de transmisión de la señal causado por la línea serpenteante de Strip-Line o Micro-strip incrustado es menor que el de Micro-strip. En teoría, la línea de banda no afectará la velocidad de transmisión debido a la diafonía de modo diferencial. 4. Para líneas de señal de alta velocidad y aquellas con estrictos requisitos de sincronización, trate de no usar líneas serpenteantes, especialmente en áreas pequeñas. 5. A menudo, puede utilizar trazos serpentinos en cualquier ángulo, como la estructura C de la Figura 1-8-20, que puede reducir eficazmente el acoplamiento mutuo. 6. En el diseño de PCB de alta velocidad, la línea serpentina no tiene la denominada capacidad de filtrado o antiinterferencias y solo puede reducir la calidad de la señal, por lo que solo se usa para sincronizar la sincronización y no tiene otro propósito. 7. A veces puede considerar el enrutamiento en espiral para bobinar. La simulación muestra que su efecto es mejor que el enrutamiento serpentino normal.