El diseño es una de las habilidades laborales más básicas de Diseño de PCB ingeniero. La calidad del cableado afectará directamente el rendimiento de todo el sistema, la mayor parte de la teoría del diseño de alta velocidad debe finalmente ser realizada y verificada por Layout, por lo que se puede ver que el cableado es crucial en el diseño de PCB de alta velocidad. Lo siguiente será en vista de que el cableado real puede encontrar algunas situaciones, analizar su racionalidad y dar una estrategia de enrutamiento más optimizada. Principalmente desde la línea de ángulo recto, línea de diferencia, línea de serpiente y así sucesivamente tres aspectos para elaborar.

1. Línea go rectangular

El cableado en ángulo recto generalmente se requiere para evitar la situación en el cableado de PCB, y casi se ha convertido en uno de los estándares para medir la calidad del cableado, entonces, ¿cuánto impacto tendrá el cableado en ángulo recto en la transmisión de señales? En principio, el cableado en ángulo recto cambiará el ancho de la línea de transmisión, lo que provocará una discontinuidad de impedancia. De hecho, no solo la línea de ángulo recto, el ángulo de tonelada, la línea de ángulo agudo pueden causar cambios de impedancia.

La influencia de la alineación en ángulo recto en la señal se refleja principalmente en tres aspectos: primero, la esquina puede ser equivalente a la carga capacitiva en la línea de transmisión, lo que ralentiza el tiempo de subida; En segundo lugar, la discontinuidad de la impedancia provocará una reflexión de la señal; En tercer lugar, 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 en la esquina (pF), W se refiere al ancho de la línea (pulgadas), ε R se refiere a la constante dieléctrica del medio y Z0 es la impedancia característica de la transmisión. línea. Por ejemplo, para una línea de transmisión de 4Mils 50 ohmios (εr 4.3), la capacitancia de un ángulo recto es de aproximadamente 0.0101pF, y la variación del tiempo de subida se puede estimar:

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

Se puede ver en el cálculo que el efecto de capacitancia producido por el cableado en ángulo recto es extremadamente pequeño.

A medida que aumenta el ancho de línea de la línea en ángulo recto, la impedancia en este punto disminuirá, por lo que habrá un cierto fenómeno de reflexión de la señal. Podemos calcular la impedancia equivalente después de que el ancho de línea aumenta de acuerdo con la fórmula de cálculo de impedancia mencionada en la sección de líneas de transmisión, y luego calcular el coeficiente de reflexión de acuerdo con la fórmula empírica: ρ = (Zs-Z0) / (Zs + Z0), el cableado en ángulo recto general que da como resultado cambios de impedancia entre el 7% y el 20%, por lo que el coeficiente de reflexión máximo es de aproximadamente 0.1. Además, como se puede ver 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 se restablece a la impedancia normal después del tiempo W / 2. El tiempo para todo el cambio de impedancia es muy corto, generalmente dentro de los 10ps. Un cambio tan rápido y pequeño es casi insignificante para la transmisión de señal general.

Mucha gente tiene tal conocimiento del enrutamiento en ángulo recto, creyendo que la punta es fácil de emitir o recibir ondas electromagnéticas y producir EMI, lo que se ha convertido en una de las razones por las que mucha gente piensa que el enrutamiento en ángulo recto no es posible. Sin embargo, muchos resultados de pruebas prácticas muestran que la línea en ángulo recto no produce mucha EMI que la línea recta. Quizás el rendimiento actual del instrumento y el nivel de prueba restringen la precisión de la prueba, pero al menos muestra que la radiación de la línea en ángulo recto es menor que el error de medición del propio instrumento. En general, la alineación en ángulo recto no es tan terrible como parece. Al menos en aplicaciones por debajo de GHz, cualquier efecto como capacitancia, reflexión, EMI, etc. casi no se refleja en las pruebas TDR. El ingeniero de diseño de PCB de alta velocidad debe enfocarse en el diseño, diseño de energía / tierra, diseño de cableado, perforación, etc. Aunque, por supuesto, los efectos de la línea de paso rectangular no es muy grave, pero no quiere decir que podamos caminar en la línea de ángulo recto, la atención al detalle es la cualidad esencial para todos los buenos ingenieros y, con el rápido desarrollo de los circuitos digitales. , Los ingenieros de PCB que procesan la frecuencia de la señal también continuarán mejorando, a más de 10 GHZ en el campo de diseño de RF, Estos pequeños ángulos rectos pueden convertirse en el foco de problemas de alta velocidad.

2. Diferencia de

La señal diferencial se utiliza ampliamente en el diseño de circuitos de alta velocidad. La señal más importante en un circuito es el diseño de señal diferencial. ¿Cómo asegurar su buen desempeño en el diseño de PCB? Con estas dos preguntas en mente, pasamos a la siguiente parte de nuestra discusión.

¿Qué es una señal diferencial? En lenguaje sencillo, el controlador envía dos señales equivalentes e inversoras, y el receptor compara la diferencia entre los dos voltajes para determinar si el estado lógico es “0” o “1”. El par de cables que transportan señales diferenciales se denomina cables diferenciales.

En comparación con el enrutamiento de señal de un solo extremo ordinario, la señal diferencial tiene las ventajas más obvias en los siguientes tres aspectos:

A. Fuerte capacidad antiinterferente, debido a que el acoplamiento entre dos líneas diferenciales es muy bueno, cuando hay interferencia de ruido, están casi acoplados a dos líneas al mismo tiempo, y el receptor solo se preocupa por la diferencia entre las dos señales, por lo que el ruido de modo común externo se puede cancelar por completo.

B. Puede suprimir eficazmente EMI. De manera similar, debido a que dos señales son de polaridad opuesta, el campo electromagnético que irradian puede cancelarse entre sí. Cuanto más cerca está el acoplamiento, menos energía electromagnética se libera al mundo exterior.

C. El posicionamiento de sincronización es preciso. Dado que el cambio de conmutación de las señales diferenciales se encuentra en la intersección de dos señales, a diferencia de las señales comunes de un solo extremo que se juzgan por voltajes de umbral alto y bajo, se ve menos afectado por el proceso y la temperatura, lo que puede reducir los errores de sincronización y es más adecuado. para circuitos con señales de baja amplitud. LVDS (señalización diferencial de baja tensión) se refiere a esta tecnología de señal diferencial de pequeña amplitud.

Para los ingenieros de PCB, la preocupación más importante es cómo garantizar que estas ventajas del enrutamiento diferencial se puedan utilizar por completo en el enrutamiento real. Quizás mientras esté en contacto con Layout, la gente comprenderá los requisitos generales del enrutamiento diferencial, es decir, “igual longitud, igual distancia”. Isométrico es asegurar que las dos señales diferenciales siempre mantengan la polaridad opuesta, reducir el componente de modo común; Isométrico es principalmente para garantizar la misma impedancia diferencial, reducir la reflexión. “Lo más cerca posible” es a veces uno de los requisitos para el enrutamiento diferencial. Pero ninguna de estas reglas debe aplicarse mecánicamente y muchos ingenieros no parecen comprender la naturaleza de la señalización diferencial de alta velocidad. Lo siguiente se centra en varios errores comunes en el diseño de señales diferenciales de PCB.

Concepto erróneo 1: las señales diferenciales no necesitan un plano de tierra como ruta de reflujo, o piensan que las líneas diferenciales proporcionan una ruta de reflujo entre sí. La causa de este malentendido se confunde con el fenómeno de la superficie, o el mecanismo de transmisión de señales de alta velocidad no es lo suficientemente profundo. Como puede verse en la estructura del extremo receptor en la FIG. 1-8-15, las corrientes de emisor de los transistores Q3 y Q4 son equivalentes y opuestas, y su corriente en la unión se cancela exactamente entre sí (I1 = 0). Por lo tanto, el circuito diferencial es insensible a proyectiles de tierra similares y otras señales de ruido que pueden existir en la fuente de alimentación y el plano de tierra. La cancelación de reflujo parcial del plano de tierra no significa que el circuito diferencial no tome el plano de referencia como la ruta de retorno de la señal. De hecho, en el análisis de reflujo de señal, el mecanismo de enrutamiento diferencial es el mismo que el del enrutamiento ordinario de un solo extremo, es decir, alto

La señal de frecuencia siempre fluye de regreso a lo largo del circuito con la menor inductancia. La mayor diferencia radica en que la línea de diferencia no solo tiene acoplamiento al suelo, sino que también tiene acoplamiento entre sí. El acoplamiento fuerte se convierte en la ruta principal de reflujo.

En el diseño de circuitos de PCB, el acoplamiento entre el cableado diferencial es generalmente pequeño, por lo general representa solo el 10 ~ 20% del grado de acoplamiento, y la mayor parte del acoplamiento está a tierra, por lo que la ruta principal de reflujo del cableado diferencial todavía existe en el suelo plano. En el caso de discontinuidad en el plano local, el acoplamiento entre rutas diferenciales proporciona la ruta principal de reflujo en la región sin plano de referencia, como se muestra en la FIG. 1-8-17. Aunque el impacto de la discontinuidad del plano de referencia en el cableado diferencial no es tan grave como el del cableado ordinario de un solo extremo, reducirá la calidad de la señal diferencial y aumentará la EMI, lo que debe evitarse en la medida de lo posible. Algunos diseñadores creen que el plano de referencia de la línea de transmisión diferencial puede eliminarse para suprimir parte de la señal de modo común en la transmisión diferencial, pero teóricamente este enfoque no es deseable. ¿Cómo controlar la impedancia? Sin proporcionar un bucle de impedancia de tierra para la señal de modo común, es probable que se produzca radiación EMI, lo que hace más daño que bien.

Mito 2: Mantener el mismo espaciado es más importante que hacer coincidir la longitud de la línea. En el cableado de PCB real, a menudo no puede cumplir con los requisitos del diseño diferencial. Debido a la distribución de pines, orificios y espacio de cableado y otros factores, es necesario lograr el propósito de igualar la longitud de la línea a través del devanado apropiado, pero el resultado es inevitablemente parte del par de diferencias no puede ser paralelo, en este momento, cómo ¿elegir? Antes de sacar conclusiones precipitadas, echemos un vistazo a los siguientes resultados de simulación. Se puede ver en los resultados de la simulación anterior que las formas de onda del esquema 1 y el esquema 2 casi coinciden, es decir, la influencia del espaciado desigual es mínima y la influencia del desajuste de longitud de línea es mucho mayor en la secuencia de tiempo (esquema 3) . Desde la perspectiva del análisis teórico, aunque el espaciado inconsistente dará lugar a cambios de impedancia de diferencia, pero debido a que el acoplamiento entre el par de diferencias en sí no es significativo, el rango de cambios de impedancia también es muy pequeño, generalmente dentro del 10%, solo equivalente a una reflexión causada por un agujero, que no causará un impacto significativo en la transmisión de la señal. Una vez que la longitud de la línea no coincide, además del desplazamiento de la secuencia 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 cableado diferencial de PCB es hacer coincidir la longitud de la línea, y otras reglas se pueden manejar de manera flexible de acuerdo con los requisitos de diseño y las aplicaciones prácticas.

Concepto erróneo tres: creo que la línea de diferencia debe depender de muy cerca. El objetivo de mantener las líneas de diferencia juntas no es más que aumentar su acoplamiento, tanto para mejorar su inmunidad al ruido como para aprovechar la polaridad opuesta del campo magnético para cancelar la interferencia electromagnética del mundo exterior. Aunque este enfoque es muy favorable en la mayoría de los casos, no es absoluto. Si pueden protegerse completamente de las interferencias externas, entonces ya no es necesario que logremos el propósito de supresión de interferencias y EMI mediante un fuerte acoplamiento entre sí. ¿Cómo garantizar que el enrutamiento diferencial tenga un buen aislamiento y blindaje? Aumentar la distancia entre las líneas y otras señales es una de las formas más básicas. La energía del campo electromagnético disminuye con la relación al cuadrado de la distancia. Generalmente, cuando la distancia entre las líneas es más de 4 veces el ancho de la línea, la interferencia entre ellas es extremadamente débil y se puede ignorar básicamente. Además, el aislamiento a través del plano de tierra también puede proporcionar un buen efecto de blindaje. Esta estructura se utiliza a menudo en diseños de PCB empaquetados con IC de alta frecuencia (por encima de 10G), conocida como estructura CPW, para garantizar un estricto control de impedancia diferencial (2Z0), FIG. 1-8-19.

El enrutamiento diferencial también se puede llevar a cabo en diferentes capas de señal, pero esto generalmente no se recomienda, porque las diferencias como la impedancia y los orificios pasantes en diferentes capas pueden destruir el efecto de transmisión de modo diferencial e introducir ruido de modo común. Además, si las dos capas adyacentes no están estrechamente acopladas, se reducirá la capacidad del enrutamiento diferencial para resistir el ruido, pero la diafonía no es un problema si se mantiene el espacio adecuado con el enrutamiento circundante. En frecuencia general (por debajo de GHz), EMI no será un problema grave. Los experimentos muestran que la atenuación de la energía de radiación de las líneas diferenciales con una distancia de 500Mils más allá de los 3 metros ha alcanzado 60dB, que es suficiente para cumplir con el estándar de radiación ELECTROMAGNÉTICA de la FCC. Por lo tanto, los diseñadores no necesitan preocuparse demasiado por la incompatibilidad electromagnética causada por un acoplamiento insuficiente de líneas diferenciales.

3. serpentina

Una línea serpenteante se usa a menudo en Layout. Su objetivo principal es ajustar el retardo de tiempo y cumplir con los requisitos del diseño de temporización del sistema. Los diseñadores deben entender primero que el cable serpenteante destruirá la calidad de la señal, cambiará el retardo de transmisión y debe evitarse al realizar el cableado. Sin embargo, en el diseño práctico, para garantizar un tiempo de retención suficiente de señales, o para reducir el desplazamiento de tiempo entre el mismo grupo de señales, el bobinado debe realizarse deliberadamente.

Entonces, ¿qué hace la serpentina para señalizar la transmisión? ¿A qué debo prestar atención al caminar sobre la línea? Los dos parámetros más críticos son la longitud de acoplamiento paralelo (Lp) y la distancia de acoplamiento (S), como se muestra en la FIG. 1-8-21. Obviamente, cuando la señal se transmite en línea serpenteante, habrá un acoplamiento entre segmentos de línea paralelos en forma de modo de diferencia. Cuanto menor sea S, mayor será Lp y mayor será el grado de acoplamiento. Esto puede resultar en retrasos de transmisión reducidos y una reducción significativa en la calidad de la señal debido a la diafonía, como se describe en el capítulo 3 para el análisis de la diafonía en modo común y modo diferencial.

A continuación, se ofrecen algunos consejos para los ingenieros de diseño cuando se trata de serpentinas:

1. Intente aumentar la distancia (S) del segmento de línea paralela, que es al menos mayor que 3H. H se refiere a la distancia desde la línea de señal al plano de referencia. En términos generales, se trata de tomar una gran curva. Siempre que S sea lo suficientemente grande, el efecto de acoplamiento se puede evitar casi por completo.

2. Cuando se reduce la longitud de acoplamiento Lp, la diafonía generada alcanzará la saturación cuando el retardo de Lp se acerque o supere dos veces el tiempo de subida de la señal.

3. El retardo de transmisión de la señal causado por la línea en forma de serpiente de la línea de tira o la micro tira incrustada es más pequeña que la de la micro tira. Teóricamente, la línea de cinta no afecta la velocidad de transmisión debido a la diafonía de modo diferencial.

4. Para líneas de alta velocidad y señales con requisitos estrictos de sincronización, trate de no caminar líneas serpenteantes, especialmente en un área pequeña.

5. A menudo se puede adoptar el enrutamiento serpenteante en cualquier ángulo. La estructura C en la FIG. 1-8-20 puede reducir eficazmente el acoplamiento entre sí.

6. En el diseño de PCB de alta velocidad, la 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 la sincronización de sincronización y ningún otro propósito.

7. A veces se puede considerar el enrollamiento en espiral. La simulación muestra que su efecto es mejor que el devanado serpentino normal.