La mise en page est l’une des compétences professionnelles les plus élémentaires pour les ingénieurs de conception de circuits imprimés. La qualité du câblage affectera directement les performances de l’ensemble du système. La plupart des théories de conception à grande vitesse doivent être finalement mises en œuvre et vérifiées via Layout. On peut voir que le câblage est très important dans PCB haute vitesse conception. Ce qui suit analysera la rationalité de certaines situations pouvant être rencontrées dans le câblage réel et donnera des stratégies de routage plus optimisées.

Il est principalement expliqué sous trois aspects : le câblage à angle droit, le câblage différentiel et le câblage en serpentin.

1. Routage à angle droit

Le câblage à angle droit est généralement une situation qui doit être évitée autant que possible dans le câblage PCB, et il est presque devenu l’une des normes pour mesurer la qualité du câblage. Alors, quelle influence le câblage à angle droit aura-t-il sur la transmission du signal ? En principe, le routage à angle droit modifiera la largeur de ligne de la ligne de transmission, provoquant une discontinuité dans l’impédance. En fait, non seulement le routage à angle droit, mais également le routage dans les coins et à angle aigu peut provoquer des changements d’impédance.

L’influence du routage à angle droit sur le signal se traduit principalement par trois aspects :

L’une est que le coin peut être équivalent à la charge capacitive sur la ligne de transmission, ce qui ralentit le temps de montée ; la seconde est que la discontinuité d’impédance provoquera une réflexion du signal ; le troisième est l’EMI généré par la pointe à angle droit.

La capacité parasite causée par l’angle droit de la ligne de transmission peut être calculée par la formule empirique suivante :

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

Dans la formule ci-dessus, C fait référence à la capacité équivalente du coin (unité : pF), W fait référence à la largeur de la trace (unité : pouce), r fait référence à la constante diélectrique du milieu et Z0 est l’impédance caractéristique de la ligne de transmission. Par exemple, pour une ligne de transmission 4Mils 50 ohms (εr est de 4.3), la capacité apportée par un angle droit est d’environ 0.0101pF, puis le changement de temps de montée causé par cela peut être estimé :

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

On voit par le calcul que l’effet de capacité apporté par la trace à angle droit est extrêmement faible.

Au fur et à mesure que la largeur de ligne de la trace à angle droit augmente, l’impédance y diminue, de sorte qu’un certain phénomène de réflexion du signal se produit. Nous pouvons calculer l’impédance équivalente après que la largeur de ligne augmente selon la formule de calcul d’impédance mentionnée dans le chapitre sur la ligne de transmission, puis Calculer le coefficient de réflexion selon la formule empirique :

=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Généralement, le changement d’impédance provoqué par le câblage à angle droit est compris entre 7 % et 20 %, de sorte que le coefficient de réflexion maximum est d’environ 0.1. De plus, comme le montre la figure ci-dessous, l’impédance de la ligne de transmission passe au minimum sur la longueur de la ligne W/2, puis revient à l’impédance normale après le temps W/2. Le temps de changement d’impédance total est extrêmement court, souvent inférieur à 10 ps. À l’intérieur, des changements aussi rapides et petits sont presque négligeables pour la transmission générale du signal.

Beaucoup de gens ont cette compréhension du câblage à angle droit. Ils pensent que la pointe est facile à transmettre ou à recevoir des ondes électromagnétiques et à générer des EMI. C’est devenu l’une des raisons pour lesquelles de nombreuses personnes pensent que le câblage à angle droit ne peut pas être acheminé. Cependant, de nombreux résultats de tests réels montrent que les tracés à angle droit ne produiront pas d’EMI évidents que les lignes droites. Peut-être que les performances actuelles de l’instrument et le niveau de test restreignent la précision du test, mais au moins cela illustre un problème. Le rayonnement du câblage à angle droit est déjà inférieur à l’erreur de mesure de l’instrument lui-même.

En général, le routage à angle droit n’est pas aussi terrible qu’on ne l’imagine. Au moins dans les applications inférieures à GHz, les effets tels que la capacité, la réflexion, les interférences électromagnétiques, etc. sont à peine reflétés dans les tests TDR. Les ingénieurs de conception de circuits imprimés à grande vitesse doivent toujours se concentrer sur la disposition, la conception de l’alimentation/de la terre et la conception du câblage. Via trous et autres aspects. Bien sûr, bien que l’impact du câblage à angle droit ne soit pas très grave, cela ne signifie pas que nous pourrons tous utiliser le câblage à angle droit à l’avenir. Le souci du détail est la qualité de base que tout bon ingénieur doit avoir. De plus, avec le développement rapide des circuits numériques, PCB La fréquence du signal traité par les ingénieurs va continuer à augmenter. Dans le domaine de la conception RF au-dessus de 10 GHz, ces petits angles droits peuvent devenir le centre de problèmes à haute vitesse.

2. Routage différentiel

Le signal différentiel (DifferentialSignal) est de plus en plus utilisé dans la conception de circuits à grande vitesse. Le signal le plus critique dans le circuit est souvent conçu avec une structure différentielle. Qu’est-ce qui le rend si populaire ? Comment s’assurer de ses bonnes performances dans la conception de PCB ? Avec ces deux questions, nous passons à la partie suivante de la discussion.

Qu’est-ce qu’un signal différentiel ? En termes simples, l’extrémité motrice envoie deux signaux égaux et inversés, et l’extrémité réceptrice juge l’état logique « 0 » ou « 1 » en comparant la différence entre les deux tensions. La paire de traces portant des signaux différentiels est appelée traces différentielles.

Par rapport aux traces de signaux asymétriques ordinaires, les signaux différentiels présentent les avantages les plus évidents dans les trois aspects suivants :

une. Forte capacité anti-interférence, car le couplage entre les deux traces différentielles est très bon. Lorsqu’il y a des interférences de l’extérieur, elles sont presque couplées aux deux lignes en même temps, et l’extrémité réceptrice ne se soucie que de la différence entre les deux signaux. Par conséquent, le bruit de mode commun externe peut être complètement annulé. b. Il peut supprimer efficacement les EMI. Pour la même raison, du fait de la polarité opposée des deux signaux, les champs électromagnétiques qu’ils rayonnent peuvent s’annuler. Plus le couplage est étroit, moins l’énergie électromagnétique est évacuée vers le monde extérieur. c. Le positionnement de synchronisation est précis. Parce que le changement de commutateur du signal différentiel est situé à l’intersection des deux signaux, contrairement au signal asymétrique ordinaire, qui dépend des tensions de seuil haut et bas à déterminer, il est moins affecté par le processus et la température, ce qui peut réduire l’erreur dans le timing. , Mais aussi plus adapté aux circuits de signaux de faible amplitude. Le courant LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling) courant fait référence à cette technologie de signal différentiel de faible amplitude.

Pour les ingénieurs PCB, la principale préoccupation est de savoir comment s’assurer que ces avantages du câblage différentiel peuvent être pleinement utilisés dans le câblage réel. Peut-être que toute personne ayant été en contact avec Layout comprendra les exigences générales du câblage différentiel, c’est-à-dire « longueur égale et distance égale ». La longueur égale est de s’assurer que les deux signaux différentiels maintiennent des polarités opposées à tout moment et réduisent la composante de mode commun ; la distance égale sert principalement à s’assurer que les impédances différentielles des deux sont cohérentes et réduisent les réflexions. « Le plus près possible » est parfois l’une des exigences du câblage différentiel. Mais toutes ces règles ne sont pas utilisées pour s’appliquer mécaniquement, et de nombreux ingénieurs semblent toujours ne pas comprendre l’essence de la transmission de signaux différentiels à grande vitesse.

Ce qui suit se concentre sur plusieurs malentendus courants dans la conception de signaux différentiels PCB.

Malentendu 1 : On pense que le signal différentiel n’a pas besoin d’un plan de masse comme chemin de retour, ou que les traces différentielles fournissent un chemin de retour l’une pour l’autre. La raison de ce malentendu est qu’ils sont confondus par des phénomènes superficiels, ou que le mécanisme de transmission du signal à grande vitesse n’est pas assez profond. On peut voir d’après la structure de l’extrémité réceptrice de la figure 1-8-15 que les courants d’émetteur des transistors Q3 et Q4 sont égaux et opposés, et que leurs courants à la terre s’annulent exactement (I1=0), donc le Le circuit différentiel est similaire Les rebonds et autres signaux de bruit qui peuvent exister sur les plans d’alimentation et de masse sont insensibles. L’annulation de retour partiel du plan de masse ne signifie pas que le circuit différentiel n’utilise pas le plan de référence comme chemin de retour du signal. En fait, dans l’analyse de retour de signal, le mécanisme du câblage différentiel et du câblage asymétrique ordinaire est le même, c’est-à-dire que les signaux haute fréquence sont toujours refusionnés le long de la boucle avec la plus petite inductance, la plus grande différence est qu’en plus de le couplage à la terre, la ligne différentielle a également un couplage mutuel. Quel type de couplage est fort, lequel devient le chemin de retour principal. La figure 1-8-16 est un diagramme schématique de la distribution du champ géomagnétique des signaux asymétriques et des signaux différentiels.

Dans la conception de circuits PCB, le couplage entre les traces différentielles est généralement faible, ne représentant souvent que 10 à 20% du degré de couplage, et plus le couplage à la terre, de sorte que le chemin de retour principal de la trace différentielle existe toujours au sol avion . Lorsque le plan de masse est discontinu, le couplage entre les traces différentielles fournira le chemin de retour principal dans la zone sans plan de référence, comme illustré à la Figure 1-8-17. Bien que l’influence de la discontinuité du plan de référence sur la trace différentielle ne soit pas aussi grave que celle de la trace asymétrique ordinaire, elle réduira tout de même la qualité du signal différentiel et augmentera l’EMI, ce qui devrait être évité autant que possible . Certains concepteurs pensent que le plan de référence sous la trace différentielle peut être supprimé pour supprimer certains signaux de mode commun dans la transmission différentielle. Cependant, cette approche n’est pas souhaitable en théorie. Comment contrôler l’impédance? Ne pas fournir une boucle d’impédance de masse pour le signal en mode commun provoquera inévitablement un rayonnement EMI. Cette approche fait plus de mal que de bien.

Malentendu 2: On pense que garder un espacement égal est plus important que de faire correspondre la longueur des lignes. Dans la configuration réelle des circuits imprimés, il n’est souvent pas possible de répondre aux exigences de la conception différentielle en même temps. En raison de l’existence de la distribution des broches, des vias et de l’espace de câblage, le but de l’adaptation de la longueur de ligne doit être atteint grâce à un enroulement approprié, mais le résultat doit être que certaines zones de la paire différentielle ne peuvent pas être parallèles. Que devons-nous faire à ce moment-là ? Quel choix ? Avant de tirer des conclusions, examinons les résultats de simulation suivants.

D’après les résultats de la simulation ci-dessus, on peut voir que les formes d’onde du schéma 1 et du schéma 2 coïncident presque, c’est-à-dire que l’influence causée par l’espacement inégal est minime. En comparaison, l’influence de la non-concordance de longueur de ligne sur la synchronisation est beaucoup plus grande. (Schéma 3). D’après l’analyse théorique, bien que l’espacement incohérent entraînera un changement d’impédance différentielle, car le couplage entre la paire différentielle elle-même n’est pas significatif, la plage de changement d’impédance est également très petite, généralement à moins de 10 %, ce qui n’est équivalent qu’à un seul passage. . La réflexion causée par le trou n’aura pas d’impact significatif sur la transmission du signal. Une fois que la longueur de ligne ne correspond pas, en plus du décalage de synchronisation, des composants de mode commun sont introduits dans le signal différentiel, ce qui réduit la qualité du signal et augmente l’EMI.

On peut dire que la règle la plus importante dans la conception des pistes différentielles PCB est la longueur de ligne correspondante, et d’autres règles peuvent être gérées de manière flexible en fonction des exigences de conception et des applications pratiques.

Malentendu 3 : Pensez que le câblage différentiel doit être très proche. Garder les traces différentielles proches n’est rien de plus que d’améliorer leur couplage, ce qui peut non seulement améliorer l’immunité au bruit, mais également utiliser pleinement la polarité opposée du champ magnétique pour compenser les interférences électromagnétiques avec le monde extérieur. Bien que cette approche soit très bénéfique dans la plupart des cas, elle n’est pas absolue. Si nous pouvons garantir qu’ils sont entièrement protégés contre les interférences externes, nous n’avons pas besoin d’utiliser un couplage fort pour obtenir une anti-interférence. Et le but de supprimer les EMI. Comment assurer une bonne isolation et un bon blindage des traces différentielles ? L’augmentation de l’espacement avec d’autres traces de signal est l’un des moyens les plus élémentaires. L’énergie du champ électromagnétique diminue avec le carré de la distance. Généralement, lorsque l’espacement des lignes dépasse 4 fois la largeur des lignes, l’interférence entre elles est extrêmement faible. Peut être ignoré. De plus, l’isolement par le plan de masse peut également jouer un bon rôle de blindage. Cette structure est souvent utilisée dans la conception de circuits imprimés à haute fréquence (supérieure à 10G). C’est ce qu’on appelle une structure CPW, qui peut assurer une impédance différentielle stricte. Contrôle (2Z0), comme illustré à la Figure 1-8-19.

Les traces différentielles peuvent également s’exécuter dans différentes couches de signal, mais cette méthode n’est généralement pas recommandée, car les différences d’impédance et de vias produites par différentes couches détruiront l’effet de la transmission en mode différentiel et introduiront un bruit de mode commun. De plus, si les deux couches adjacentes ne sont pas étroitement couplées, cela réduira la capacité de la trace différentielle à résister au bruit, mais si vous pouvez maintenir une distance appropriée par rapport aux traces environnantes, la diaphonie n’est pas un problème. Aux fréquences générales (inférieures au GHz), les interférences électromagnétiques ne seront pas un problème sérieux. Des expériences ont montré que l’atténuation de l’énergie rayonnée à une distance de 500 mils d’une trace différentielle a atteint 60 dB à une distance de 3 mètres, ce qui est suffisant pour répondre à la norme de rayonnement électromagnétique FCC, donc le concepteur n’a pas à s’inquiéter trop beaucoup sur l’incompatibilité électromagnétique causée par un couplage différentiel de ligne insuffisant.

3. Ligne serpentine

La ligne de serpent est un type de méthode de routage souvent utilisé dans Layout. Son objectif principal est d’ajuster le retard pour répondre aux exigences de conception de la synchronisation du système. Le concepteur doit d’abord avoir cette compréhension : la ligne serpentine détruira la qualité du signal, modifiera le délai de transmission et essaiera d’éviter de l’utiliser lors du câblage. Cependant, dans la conception réelle, afin de s’assurer que le signal a un temps de maintien suffisant, ou pour réduire le décalage temporel entre le même groupe de signaux, il est souvent nécessaire d’enrouler délibérément le fil.

Alors, quel effet la ligne serpentine a-t-elle sur la transmission du signal ? A quoi dois-je faire attention lors du câblage ? Les deux paramètres les plus critiques sont la longueur de couplage parallèle (Lp) et la distance de couplage (S), comme le montre la figure 1-8-21. Évidemment, lorsque le signal est transmis sur la trace en serpentin, les segments de ligne parallèles seront couplés en mode différentiel. Plus le S est petit et plus le Lp est grand, plus le degré de couplage est élevé. Cela peut entraîner une réduction du délai de transmission et la qualité du signal est considérablement réduite en raison de la diaphonie. Le mécanisme peut se référer à l’analyse de la diaphonie en mode commun et en mode différentiel au chapitre 3.

Voici quelques suggestions pour les ingénieurs de mise en page lorsqu’ils traitent des lignes sinueuses :

1. Essayez d’augmenter la distance (S) des segments de ligne parallèles, au moins supérieure à 3H, H fait référence à la distance entre la trace du signal et le plan de référence. En termes simples, il s’agit de contourner un grand virage. Tant que S est suffisamment grand, l’effet de couplage mutuel peut être presque complètement évité. 2. Réduire la longueur d’accouplement Lp. Lorsque le double retard Lp approche ou dépasse le temps de montée du signal, la diaphonie générée atteindra la saturation. 3. Le délai de transmission du signal causé par la ligne sinueuse de la Strip-Line ou du Micro-strip intégré est inférieur à celui du Micro-strip. En théorie, la stripline n’affectera pas le taux de transmission en raison de la diaphonie en mode différentiel. 4. Pour les lignes de signaux à grande vitesse et celles avec des exigences de synchronisation strictes, essayez de ne pas utiliser de lignes serpentines, en particulier dans les petites zones. 5. Vous pouvez souvent utiliser des tracés en serpentin à n’importe quel angle, comme la structure en C de la figure 1-8-20, ce qui peut réduire efficacement le couplage mutuel. 6. Dans la conception de circuits imprimés à grande vitesse, la ligne serpentine n’a pas la soi-disant capacité de filtrage ou d’anti-interférence, et ne peut que réduire la qualité du signal, elle n’est donc utilisée que pour la synchronisation et n’a aucun autre objectif. 7. Parfois, vous pouvez envisager un routage en spirale pour le bobinage. La simulation montre que son effet est meilleur que le routage serpentin normal.