La mise en page est l’une des compétences de travail les plus Conception de PCB ingénieur. La qualité du câblage affectera directement les performances de l’ensemble du système, la majeure partie de la théorie de la conception à grande vitesse doit enfin être réalisée et vérifiée par Layout, de sorte que l’on peut voir que le câblage est crucial dans la conception de circuits imprimés à grande vitesse. Ce qui suit sera au vu du câblage réel susceptible de rencontrer certaines situations, de l’analyse de sa rationalité, et donnera une stratégie de routage plus optimisée. Principalement à partir de la ligne d’angle droit, de la ligne de différence, de la ligne de serpent et ainsi de suite, trois aspects à élaborer.

1. Ligne de go rectangulaire

Le câblage à angle droit est généralement nécessaire pour éviter la situation du câblage PCB, et est presque devenu l’une des normes pour mesurer la qualité du câblage, alors quel impact aura le câblage à angle droit sur la transmission du signal ? En principe, un câblage à angle droit modifiera la largeur de ligne de la ligne de transmission, entraînant une discontinuité d’impédance. En fait, non seulement la ligne d’angle droit, l’angle de ton, la ligne d’angle aigu peuvent provoquer des changements d’impédance.

L’influence de l’alignement à angle droit sur le signal se reflète principalement sous trois aspects : premièrement, le coin peut être équivalent à la charge capacitive sur la ligne de transmission, ralentissant le temps de montée ; Deuxièmement, la discontinuité d’impédance provoquera une réflexion du signal ; Troisièmement, l’EMI généré par la pointe de l’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 au coin (pF), W fait référence à la largeur de la ligne (pouce), R fait référence à la constante diélectrique du milieu et Z0 est l’impédance caractéristique de la transmission ligne. Par exemple, pour une ligne de transmission 4Mils 50 ohms (εr 4.3), la capacité d’un angle droit est d’environ 0.0101pF, et la variation du temps de montée peut être estimée :

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

On peut voir d’après le calcul que l’effet de capacité apporté par le câblage à angle droit est extrêmement faible.

Au fur et à mesure que la largeur de ligne de la ligne à angle droit augmente, l’impédance à ce point diminuera, il y aura donc un certain phénomène de réflexion du signal. Nous pouvons calculer l’impédance équivalente après que la largeur de ligne augmente selon la formule de calcul d’impédance mentionnée dans la section des lignes de transmission, puis calculer le coefficient de réflexion selon la formule empirique : =(Zs-Z0)/(Zs+Z0), le câblage général à angle droit entraînant des variations d’impédance 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 pour le changement d’impédance complet est très court, généralement dans les 10 ps. Un changement aussi rapide et petit est presque négligeable pour la transmission générale du signal.

Beaucoup de gens ont une telle compréhension du routage à angle droit, croyant que la pointe est facile à émettre ou à recevoir des ondes électromagnétiques et à produire des EMI, ce qui est devenu l’une des raisons pour lesquelles beaucoup de gens pensent que le routage à angle droit n’est pas possible. Cependant, de nombreux résultats de tests pratiques montrent que la ligne à angle droit ne produit pas beaucoup d’EMI que la ligne droite. Peut-être que les performances actuelles de l’instrument et le niveau de test limitent la précision du test, mais au moins cela montre que le rayonnement de la ligne à angle droit est inférieur à l’erreur de mesure de l’instrument lui-même. En général, l’alignement à angle droit n’est pas aussi terrible qu’il y paraît. Au moins dans les applications inférieures à GHz, les effets tels que la capacité, la réflexion, les interférences électromagnétiques, etc. ne sont presque pas reflétés dans les tests TDR. L’ingénieur de conception des circuits imprimés à grande vitesse doit se concentrer sur la disposition, la conception de l’alimentation/de la terre, la conception du câblage, la perforation, etc. Bien que, bien sûr, les effets de la ligne de go rectangulaire ne soient pas très graves, cela ne veut pas dire que nous pouvons marcher sur la ligne à angle droit, l’attention portée aux détails est la qualité essentielle pour tout bon ingénieur, et, avec le développement rapide des circuits numériques , Le traitement des ingénieurs PCB de la fréquence du signal continuera également à s’améliorer, à plus de 10 GHZ de champ de conception RF, Ces petits angles droits peuvent devenir le centre de problèmes à grande vitesse.

2. Différence de

Le signal différentiel est largement utilisé dans la conception de circuits à grande vitesse. Le signal le plus important dans un circuit est la conception du signal différentiel. Comment s’assurer de ses bonnes performances dans la conception de PCB ? Avec ces deux questions à l’esprit, nous passons à la prochaine partie de notre discussion.

Qu’est-ce qu’un signal différentiel ? En clair, le pilote envoie deux signaux équivalents et inverseurs, et le récepteur compare la différence entre les deux tensions pour déterminer si l’état logique est « 0 » ou « 1 ». La paire de fils transportant des signaux différentiels est appelée fils différentiels.

Par rapport au routage de signal asymétrique ordinaire, le signal différentiel présente les avantages les plus évidents dans les trois aspects suivants :

A. Forte capacité anti-interférence, car le couplage entre deux lignes différentielles est très bon, lorsqu’il y a des interférences sonores, elles sont presque couplées à deux lignes en même temps, et le récepteur ne se soucie que de la différence entre les deux signaux, ainsi le bruit de mode commun externe peut être complètement annulé.

B. Il peut supprimer efficacement les interférences électromagnétiques. De même, parce que deux signaux sont de polarité opposée, le champ électromagnétique qu’ils rayonnent peut s’annuler l’un l’autre. Plus le couplage est étroit, moins d’énergie électromagnétique est libérée vers le monde extérieur.

C. Le positionnement de la synchronisation est précis. Étant donné que le changement de commutation des signaux différentiels est situé à l’intersection de deux signaux, contrairement aux signaux asymétriques communs qui sont jugés par des tensions de seuil haute et basse, il est moins affecté par le processus et la température, ce qui peut réduire les erreurs de synchronisation et est plus approprié pour les circuits avec des signaux de faible amplitude. LVDS (signalisation différentielle basse tension) fait référence à cette technologie de signal différentiel de faible amplitude.

Pour les ingénieurs PCB, la préoccupation la plus importante est de savoir comment s’assurer que ces avantages du routage différentiel peuvent être pleinement utilisés dans le routage réel. Peut-être que tant qu’il est en contact avec Layout, les gens comprendront les exigences générales du routage différentiel, c’est-à-dire « longueur égale, distance égale ». Isométrique est de s’assurer que les deux signaux différentiels maintiennent toujours une polarité opposée, réduisent la composante de mode commun; Isométrique est principalement pour assurer la même impédance différentielle, réduire la réflexion. “Aussi près que possible” est parfois l’une des exigences du routage différentiel. Mais aucune de ces règles n’est censée être appliquée mécaniquement, et de nombreux ingénieurs ne semblent pas comprendre la nature de la signalisation différentielle à grande vitesse. Ce qui suit se concentre sur plusieurs erreurs courantes dans la conception de signaux différentiels PCB.

Idée fausse 1 : les signaux différentiels n’ont pas besoin de plan de masse comme chemin de refoulement, ou pensez que les lignes différentielles fournissent un chemin de refoulement les unes pour les autres. La cause de ce malentendu est confuse par le phénomène de surface, ou le mécanisme de transmission du signal à grande vitesse n’est pas assez profond. Comme on peut le voir d’après la structure de l’extrémité de réception de la Fig. 1-8-15, les courants d’émetteur des transistors Q3 et Q4 sont équivalents et opposés, et leur courant à la jonction s’annule exactement (I1=0). Par conséquent, le circuit différentiel est insensible aux projections de masse similaires et autres signaux de bruit qui peuvent exister dans l’alimentation et le plan de masse. L’annulation partielle du reflux du plan de masse ne signifie pas que le circuit différentiel ne prend pas le plan de référence comme chemin de retour du signal. En fait, dans l’analyse de refoulement du signal, le mécanisme de routage différentiel est le même que celui du routage à une seule extrémité ordinaire, à savoir,

Le signal de fréquence revient toujours le long du circuit avec la plus petite inductance. La plus grande différence réside dans le fait que la ligne de différence a non seulement un couplage au sol, mais également un couplage entre elles. Le couplage fort devient le chemin principal de refoulement.

Dans la conception de circuits imprimés, le couplage entre le câblage différentiel est généralement faible, ne représentant généralement que 10 à 20% du degré de couplage, et la majeure partie du couplage est au sol, de sorte que le chemin de retour principal du câblage différentiel existe toujours dans le sol avion. En cas de discontinuité dans le plan local, le couplage entre routes différentielles fournit le chemin principal de refoulement dans la région sans plan de référence, comme illustré à la Fig. 1-8-17. Bien que l’impact de la discontinuité du plan de référence sur le câblage différentiel ne soit pas aussi grave que celui du câblage à une seule extrémité ordinaire, il réduira toujours la qualité du signal différentiel et augmentera les EMI, ce qui devrait être évité autant que possible. Certains concepteurs pensent que le plan de référence de la ligne de transmission différentielle peut être supprimé pour supprimer une partie du signal de mode commun en transmission différentielle, mais théoriquement cette approche n’est pas souhaitable. Comment contrôler l’impédance? Sans fournir une boucle d’impédance de masse pour le signal en mode commun, un rayonnement EMI est inévitablement causé, ce qui fait plus de mal que de bien.

Mythe 2 : Maintenir un espacement égal est plus important que de faire correspondre la longueur des lignes. Dans le câblage PCB réel, il est souvent incapable de répondre aux exigences de la conception différentielle. En raison de la distribution des broches, des trous et de l’espace de câblage et d’autres facteurs, il est nécessaire d’atteindre l’objectif de la correspondance de la longueur de ligne via un enroulement approprié, mais le résultat fait inévitablement partie de la différence. La paire ne peut pas être parallèle, à ce stade, comment choisir? Avant de sauter aux conclusions, examinons les résultats de simulation suivants. On peut voir à partir des résultats de simulation ci-dessus que les formes d’onde du schéma 1 et du schéma 2 coïncident presque, c’est-à-dire que l’influence d’un espacement inégal est minime et que l’influence de la non-concordance de longueur de ligne est beaucoup plus grande sur la séquence de synchronisation (schéma 3) . Du point de vue de l’analyse théorique, bien que l’espacement incohérent conduira à des changements d’impédance de différence, mais parce que le couplage entre la paire de différence elle-même n’est pas significatif, donc la plage de changements d’impédance est également très petite, généralement dans les 10%, seulement équivalente à une réflexion causée par un trou, ce qui n’aura pas d’impact significatif sur la transmission du signal. Une fois que la longueur de ligne n’est pas adaptée, en plus du décalage de séquence temporelle, 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 de câblage différentiel PCB est de faire correspondre la longueur de ligne, et d’autres règles peuvent être gérées de manière flexible en fonction des exigences de conception et des applications pratiques.

Idée fausse numéro trois : pensez que la ligne de différence doit s’appuyer sur une très proche. L’intérêt de garder les lignes de différence proches les unes des autres n’est rien d’autre que d’augmenter leur couplage, à la fois pour améliorer leur immunité au bruit et pour profiter de la polarité opposée du champ magnétique pour annuler les interférences électromagnétiques du monde extérieur. Bien que cette approche soit très favorable dans la plupart des cas, elle n’est pas absolue. S’ils peuvent être entièrement protégés contre les interférences externes, nous n’avons plus besoin d’atteindre l’objectif de suppression des interférences et des interférences électromagnétiques grâce à un couplage fort les uns avec les autres. Comment s’assurer que le routage différentiel a une bonne isolation et un bon blindage ? L’augmentation de la distance entre les lignes et les autres signaux est l’un des moyens les plus élémentaires. L’énergie du champ électromagnétique diminue avec le carré de la distance. Généralement, lorsque la distance entre les lignes est supérieure à 4 fois la largeur de la ligne, l’interférence entre elles est extrêmement faible et peut être ignorée fondamentalement. De plus, l’isolation par le plan de masse peut également fournir un bon effet de blindage. Cette structure est souvent utilisée dans les conceptions de circuits imprimés à haute fréquence (au-dessus de 10G), connue sous le nom de structure CPW, pour assurer un contrôle strict de l’impédance différentielle (2Z0), FIG. 1-8-19.

Le routage différentiel peut également être effectué dans différentes couches de signal, mais cela n’est généralement pas recommandé, car des différences telles que l’impédance et les trous traversants dans différentes couches peuvent détruire l’effet de transmission en mode différentiel et introduire un bruit de mode commun. De plus, si les deux couches adjacentes ne sont pas étroitement couplées, la capacité du routage différentiel à résister au bruit sera réduite, mais la diaphonie n’est pas un problème si un espacement approprié est maintenu avec le routage environnant. En fréquence générale (inférieure au GHz), les EMI ne seront pas un problème sérieux. Les expériences montrent que l’atténuation de l’énergie de rayonnement des lignes différentielles avec une distance de 500 mils au-delà de 3 mètres a atteint 60 dB, ce qui est suffisant pour répondre à la norme de rayonnement ELECTROMAGNETIQUE de la FCC. Par conséquent, les concepteurs n’ont pas à trop s’inquiéter de l’incompatibilité électromagnétique causée par un couplage insuffisant des lignes différentielles.

3. serpentin

Une ligne serpentine est souvent utilisée dans la mise en page. Son objectif principal est d’ajuster le délai et de répondre aux exigences de la conception de la synchronisation du système. Les concepteurs doivent d’abord comprendre que le fil serpentin détruira la qualité du signal, modifiera le délai de transmission et devrait être évité lors du câblage. Cependant, dans la conception pratique, afin d’assurer un temps de maintien suffisant des signaux, ou de réduire le décalage temporel entre le même groupe de signaux, le bobinage doit être délibérément effectué.

Alors, que fait la serpentine pour signaler la transmission ? À quoi dois-je faire attention lorsque je marche sur la ligne? Les deux paramètres les plus critiques sont la longueur de couplage parallèle (Lp) et la distance de couplage (S), comme le montre la Fig. 1-8-21. Évidemment, lorsque le signal est transmis en ligne sinueuse, il y aura un couplage entre des segments de ligne parallèles sous forme de mode différence. Plus S est petit, plus Lp est grand et plus le degré de couplage sera grand. Cela peut entraîner des retards de transmission réduits et une réduction significative de la qualité du signal en raison de la diaphonie, comme décrit au chapitre 3 pour l’analyse de la diaphonie en mode commun et en mode différentiel.

Voici quelques conseils pour les ingénieurs de mise en page lorsqu’ils traitent avec des serpentines :

1. Essayez d’augmenter la distance (S) du segment de droite parallèle, qui est au moins supérieure à 3H. H fait référence à la distance entre la ligne de signal et le plan de référence. D’une manière générale, il s’agit de prendre une grande courbe. Tant que S est suffisamment grand, l’effet de couplage peut être presque complètement évité.

2. Lorsque la longueur de couplage Lp est réduite, la diaphonie générée atteindra la saturation lorsque le retard de Lp approche ou dépasse deux fois le temps de montée du signal.

3. Le retard de transmission du signal causé par la ligne en forme de serpent de la ligne à ruban ou le micro-ruban intégré est inférieur à celui du micro-ruban. Théoriquement, la ligne ruban n’affecte pas le taux de transmission en raison de la diaphonie en mode différentiel.

4. Pour les lignes à grande vitesse et de signalisation avec des exigences strictes en matière de synchronisation, essayez de ne pas emprunter des lignes sinueuses, en particulier dans une petite zone.

5. Le routage en serpentin à n’importe quel angle peut être souvent adopté. La structure C de la Fig. 1-8-20 peut réduire efficacement le couplage entre eux.

6. Dans la conception de circuits imprimés à grande vitesse, la serpentine n’a pas de 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 à aucune autre fin.

7. Parfois, un enroulement en spirale peut être envisagé. La simulation montre que son effet est meilleur que l’enroulement serpentin normal.