O deseño é unha das habilidades laborais máis básicas dos enxeñeiros de deseño de PCB. A calidade do cableado afectará directamente o rendemento de todo o sistema. A maioría das teorías de deseño de alta velocidade deben ser finalmente implementadas e verificadas a través de Layout. Pódese ver que o cableado é moi importante PCB de alta velocidade deseño. A continuación analizarase a racionalidade dalgunhas situacións que se poden atopar no cableado real e darase algunhas estratexias de enrutamento máis optimizadas.

Explícase principalmente desde tres aspectos: cableado en ángulo recto, cableado diferencial e cableado en serpentina.

1. Enrutamento en ángulo recto

A fiación en ángulo recto é xeralmente unha situación que debe evitarse na medida do posible na fiación de PCB, e case se converteu nun dos estándares para medir a calidade da fiación. Entón, canta influencia terá o cableado en ángulo recto na transmisión do sinal? En principio, o enrutamento en ángulo recto cambiará o ancho da liña de transmisión, causando descontinuidade na impedancia. De feito, non só o enrutamento en ángulo recto, senón tamén as esquinas e o enrutamento en ángulo agudo poden provocar cambios de impedancia.

A influencia do enrutamento en ángulo recto no sinal reflíctese principalmente en tres aspectos:

Unha delas é que a esquina pode ser equivalente á carga capacitiva da liña de transmisión, o que ralentiza o tempo de subida; a segunda é que a descontinuidade da impedancia provocará a reflexión do sinal; a terceira é a EMI xerada pola punta en ángulo recto.

A capacitancia parasitaria causada polo ángulo recto da liña de transmisión pódese calcular coa seguinte fórmula empírica:

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

Na fórmula anterior, C refírese á capacitancia equivalente da esquina (unidade: pF), W refírese ao ancho da traza (unidade: polgada), εr refírese á constante dieléctrica do medio e Z0 é a impedancia característica da liña de transmisión. Por exemplo, para unha liña de transmisión de 4 mils de 50 ohmios (εr é 4.3), a capacitancia traída por un ángulo recto é de aproximadamente 0.0101 pF, e entón pódese estimar o cambio de tempo de subida causado por isto:

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

Pódese ver a través do cálculo que o efecto de capacitancia provocado pola traza do ángulo recto é extremadamente pequeno.

A medida que aumenta o ancho da liña do trazo en ángulo recto, a impedancia diminuirá, polo que ocorrerá un determinado fenómeno de reflexión do sinal. Podemos calcular a impedancia equivalente despois de que o ancho da liña aumente segundo a fórmula de cálculo da impedancia mencionada no capítulo da liña de transmisión e, a continuación, calcule o coeficiente de reflexión segundo a fórmula empírica:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Xeralmente, o cambio de impedancia causado polo cableado en ángulo recto está entre o 7% e o 20%, polo que o coeficiente de reflexión máximo é de aproximadamente 0.1. Ademais, como se pode ver na figura a continuación, a impedancia da liña de transmisión cambia ao mínimo dentro da lonxitude da liña W/2, e despois volve á impedancia normal despois do tempo de W/2. Todo o tempo de cambio de impedancia é moi curto, a miúdo dentro de 10 ps. No interior, cambios tan rápidos e pequenos son case insignificantes para a transmisión xeral do sinal.

Moitas persoas teñen esta comprensión do cableado en ángulo recto. Pensan que a punta é fácil de transmitir ou recibir ondas electromagnéticas e xerar EMI. Esta converteuse nunha das razóns polas que moitas persoas pensan que o cableado en ángulo recto non se pode enrutar. Non obstante, moitos resultados reais das probas mostran que os trazos en ángulo recto non producirán EMI obvios que as liñas rectas. Quizais o rendemento actual do instrumento e o nivel de proba restrinxen a precisión da proba, pero polo menos ilustra un problema. A radiación do cableado en ángulo recto xa é menor que o erro de medición do propio instrumento.

En xeral, o enrutamento en ángulo recto non é tan terrible como se imaxinaba. Polo menos en aplicacións por debaixo de GHz, ningún efecto como capacitancia, reflexión, EMI, etc. apenas se reflicte nas probas TDR. Os enxeñeiros de deseño de PCB de alta velocidade aínda deberían centrarse no deseño, no deseño de enerxía/terra e no deseño de cables. Vía buratos e outros aspectos. Por suposto, aínda que o impacto do cableado en ángulo recto non é moi grave, non significa que todos podamos usar o cableado en ángulo recto no futuro. A atención aos detalles é a calidade básica que debe ter todo bo enxeñeiro. Ademais, co rápido desenvolvemento dos circuítos dixitais, PCB A frecuencia do sinal procesado polos enxeñeiros seguirá aumentando. No campo do deseño de RF por riba de 10 GHz, estes pequenos ángulos rectos poden converterse no foco de problemas de alta velocidade.

2. Enrutamento diferencial

O sinal diferencial (DifferentialSignal) úsase cada vez máis no deseño de circuítos de alta velocidade. O sinal máis crítico do circuíto adoita deseñarse cunha estrutura diferencial. Que o fai tan popular? Como garantir o seu bo rendemento no deseño de PCB? Con estas dúas preguntas, pasamos á seguinte parte da discusión.

Que é un sinal diferencial? En termos simples, o extremo condutor envía dous sinais iguais e invertidos, e o extremo receptor xulga o estado lóxico “0” ou “1” comparando a diferenza entre as dúas tensións. O par de trazos que transportan sinais diferenciais chámase trazos diferenciais.

En comparación coas trazas de sinal ordinarias dun único extremo, os sinais diferenciais teñen as vantaxes máis obvias nos seguintes tres aspectos:

a. Forte capacidade anti-interferencia, porque o acoplamento entre as dúas trazas diferenciais é moi bo. Cando hai interferencias de ruído do exterior, están case acopladas ás dúas liñas ao mesmo tempo, e ao extremo receptor só lle importa a diferenza entre os dous sinais. Polo tanto, o ruído do modo común externo pódese cancelar por completo. b. Pode suprimir eficazmente EMI. Polo mesmo motivo, debido á polaridade oposta dos dous sinais, os campos electromagnéticos radiados por eles poden cancelarse mutuamente. Canto máis axustado sexa o acoplamento, menos enerxía electromagnética se liberará ao mundo exterior. c. O posicionamento do tempo é preciso. Debido a que o cambio de interruptor do sinal diferencial está situado na intersección dos dous sinais, a diferenza do sinal de extremo único común, que depende das tensións de limiar alta e baixa para determinar, é menos afectado polo proceso e a temperatura, o que pode reducir o erro no tempo. , Pero tamén máis axeitado para circuítos de sinal de baixa amplitude. O actual popular LVDS (lowvoltageddifferentialsignaling) refírese a esta tecnoloxía de sinal diferencial de pequena amplitude.

Para os enxeñeiros de PCB, a maior preocupación é como garantir que estas vantaxes da fiación diferencial se poidan utilizar plenamente na fiación real. Quizais quen estivo en contacto con Layout entenda os requisitos xerais do cableado diferencial, é dicir, “igual lonxitude e igual distancia”. A lonxitude igual é garantir que os dous sinais diferenciais manteñan polaridades opostas en todo momento e reducir a compoñente de modo común; a distancia igual é principalmente para garantir que as impedancias diferenciais dos dous sexan consistentes e reducir as reflexións. “O máis preto posible” é ás veces un dos requisitos do cableado diferencial. Pero todas estas regras non se usan para aplicar mecánicamente, e moitos enxeñeiros parecen aínda non entender a esencia da transmisión de sinal diferencial de alta velocidade.

O seguinte céntrase en varios malentendidos comúns no deseño de sinal diferencial de PCB.

Malentendido 1: crese que o sinal diferencial non necesita un plano de terra como camiño de retorno, ou que os trazos diferenciais proporcionan un camiño de retorno entre si. O motivo deste malentendido é que están confundidos por fenómenos superficiais ou o mecanismo de transmisión de sinal de alta velocidade non é o suficientemente profundo. Pódese ver pola estrutura do extremo receptor da figura 1-8-15 que as correntes de emisor dos transistores Q3 e Q4 son iguais e opostas, e que as súas correntes no chan se cancelan exactamente entre si (I1=0), polo que o circuíto diferencial é Rebotes semellantes e outros sinais de ruído que poden existir nos planos de potencia e terra son insensibles. A cancelación parcial do retorno do plano de terra non significa que o circuíto diferencial non utilice o plano de referencia como camiño de retorno do sinal. De feito, na análise de retorno do sinal, o mecanismo de cableado diferencial e o cableado ordinario dun único extremo é o mesmo, é dicir, os sinais de alta frecuencia son sempre refluxo ao longo do bucle coa menor inductancia, a maior diferenza é que, ademais de o acoplamento ao chan, a liña diferencial tamén ten acoplamento mutuo. Que tipo de acoplamento é forte, cal se converte no principal camiño de retorno. A figura 1-8-16 é un diagrama esquemático da distribución do campo xeomagnético dos sinais de extremo único e dos sinais diferenciais.

No deseño de circuítos de PCB, o acoplamento entre as trazas diferenciais é xeralmente pequena, a miúdo só representa entre o 10 e o 20% do grao de acoplamento, e máis é o acoplamento ao chan, polo que o camiño de retorno principal da traza diferencial aínda existe no chan. avión . Cando o plano de terra é descontinuo, o acoplamento entre as trazas diferenciais proporcionará o camiño de retorno principal na zona sen plano de referencia, como se mostra na figura 1-8-17. Aínda que a influencia da descontinuidade do plano de referencia na traza diferencial non é tan grave como a da traza unilateral ordinaria, aínda reducirá a calidade do sinal diferencial e aumentará a EMI, o que debe evitarse na medida do posible. . Algúns deseñadores cren que o plano de referencia baixo a traza diferencial pode eliminarse para suprimir algúns sinais de modo común na transmisión diferencial. Non obstante, este enfoque non é desexable en teoría. Como controlar a impedancia? Non proporcionar un bucle de impedancia de terra para o sinal de modo común provocará inevitablemente radiación EMI. Este enfoque fai máis mal que ben.

Malentendido 2: crese que manter o espazo igual é máis importante que a lonxitude da liña coincidente. No deseño real de PCB, moitas veces non é posible cumprir os requisitos do deseño diferencial ao mesmo tempo. Debido á existencia de distribución de pins, vías e espazo de cableado, o propósito da coincidencia da lonxitude da liña debe conseguirse mediante un bobinado adecuado, pero o resultado debe ser que algunhas áreas do par diferencial non poden ser paralelas. Que debemos facer neste momento? Que opción? Antes de sacar conclusións, vexamos os seguintes resultados da simulación.

A partir dos resultados da simulación anteriores, pódese ver que as formas de onda do Esquema 1 e do Esquema 2 son case coincidentes, é dicir, a influencia causada polo espazamento desigual é mínima. En comparación, a influencia do desaxuste da lonxitude da liña no tempo é moito maior. (Esquema 3). A partir da análise teórica, aínda que o espazamento inconsistente fará que cambie a impedancia diferencial, porque o acoplamento entre o par diferencial en si non é significativo, o intervalo de cambio de impedancia tamén é moi pequeno, normalmente dentro do 10%, o que é só equivalente a unha pasada. . A reflexión causada polo buraco non terá un impacto significativo na transmisión do sinal. Unha vez que a lonxitude da liña non coincide, ademais da compensación de tempo, introdúcense compoñentes de modo común no sinal diferencial, o que reduce a calidade do sinal e aumenta a EMI.

Pódese dicir que a regra máis importante no deseño de trazos diferenciais de PCB é a lonxitude da liña coincidente, e outras regras pódense manexar de forma flexible segundo os requisitos de deseño e aplicacións prácticas.

Malentendido 3: Pensa que o cableado diferencial debe estar moi preto. Manter preto das trazas diferenciais non é máis que mellorar o seu acoplamento, o que non só pode mellorar a inmunidade ao ruído, senón que tamén pode aproveitar ao máximo a polaridade oposta do campo magnético para compensar as interferencias electromagnéticas ao mundo exterior. Aínda que este enfoque é moi beneficioso na maioría dos casos, non é absoluto. Se podemos asegurarnos de que estean totalmente protexidos das interferencias externas, entón non necesitamos usar un acoplamento forte para conseguir antiinterferencias. E o propósito de suprimir EMI. Como podemos garantir un bo illamento e apantallamento das trazas diferenciais? Aumentar o espazamento con outras trazas de sinal é unha das formas máis básicas. A enerxía do campo electromagnético diminúe co cadrado da distancia. Xeralmente, cando o espazo entre liñas supera 4 veces o ancho da liña, a interferencia entre elas é extremadamente débil. Pódese ignorar. Ademais, o illamento polo plano de terra tamén pode desempeñar un bo papel de blindaxe. Esta estrutura úsase a miúdo no deseño de PCB de paquetes IC de alta frecuencia (por riba de 10G). Chámase estrutura CPW, que pode garantir unha impedancia diferencial estrita. Control (2Z0), como se mostra na Figura 1-8-19.

As trazas diferenciais tamén poden executarse en diferentes capas de sinal, pero este método xeralmente non se recomenda, porque as diferenzas de impedancia e vías producidas por diferentes capas destruirán o efecto da transmisión en modo diferencial e introducirán ruído en modo común. Ademais, se as dúas capas adxacentes non están ben acopladas, reducirase a capacidade da traza diferencial para resistir o ruído, pero se pode manter unha distancia adecuada das trazas circundantes, a diafonía non é un problema. En frecuencias xerais (por debaixo de GHz), a EMI non será un problema serio. Os experimentos demostraron que a atenuación da enerxía irradiada a unha distancia de 500 mils dunha traza diferencial alcanzou os 60 dB a unha distancia de 3 metros, o que é suficiente para cumprir o estándar de radiación electromagnética da FCC, polo que o deseñador non ten que preocuparse tamén. moito sobre a incompatibilidade electromagnética causada por un acoplamento insuficiente da liña diferencial.

3. Liña serpentina

A liña de serpe é un tipo de método de enrutamento que se usa a miúdo no deseño. O seu obxectivo principal é axustar o atraso para cumprir os requisitos de deseño de temporización do sistema. O deseñador primeiro debe ter este entendemento: a liña serpentina destruirá a calidade do sinal, cambiará o atraso de transmisión e tratará de evitar usala ao cablear. Non obstante, no deseño real, para garantir que o sinal teña tempo de retención suficiente ou para reducir a compensación de tempo entre o mesmo grupo de sinais, adoita ser necesario enrolar deliberadamente o fío.

Entón, que efecto ten a liña serpentina na transmisión do sinal? A que debo prestar atención ao cablear? Os dous parámetros máis críticos son a lonxitude de acoplamento paralelo (Lp) e a distancia de acoplamento (S), como se mostra na Figura 1-8-21. Obviamente, cando o sinal se transmite na traza serpentina, os segmentos paralelos acoplaranse nun modo diferencial. Canto menor sexa o S e canto maior sexa o Lp, maior será o grao de acoplamento. Pode provocar que o atraso de transmisión se reduza e que a calidade do sinal redúzase moito debido á diafonía. O mecanismo pode referirse á análise da diafonía do modo común e do modo diferencial no capítulo 3.

A continuación móstranse algunhas suxestións para os enxeñeiros de deseño ao tratar con liñas serpenteantes:

1. Tenta aumentar a distancia (S) dos segmentos paralelos, polo menos superior a 3H, H refírese á distancia desde a traza do sinal ata o plano de referencia. En termos profanos, é dar unha gran curva. Mentres S sexa o suficientemente grande, o efecto de acoplamento mutuo pódese evitar case por completo. 2. Reducir a lonxitude de acoplamento Lp. Cando o retardo do dobre Lp se achega ou supera o tempo de subida do sinal, a diafonía xerada alcanzará a saturación. 3. O atraso de transmisión do sinal causado pola liña serpentina da Strip-Line ou Micro-strip incorporado é menor que o da Micro-strip. En teoría, a liña de banda non afectará a velocidade de transmisión debido á diafonía en modo diferencial. 4. Para liñas de sinal de alta velocidade e aquelas con estritos requisitos de tempo, intente non usar liñas serpenteantes, especialmente en áreas pequenas. 5. A miúdo podes usar trazos serpenteantes en calquera ángulo, como a estrutura C da Figura 1-8-20, que pode reducir eficazmente o acoplamento mutuo. 6. No deseño de PCB de alta velocidade, a liña serpentina non ten a chamada capacidade de filtrado ou anti-interferencia, e só pode reducir a calidade do sinal, polo que só se usa para sincronizar e non ten outro propósito. 7. Ás veces podes considerar o enrutamento en espiral para o enrolamento. A simulación mostra que o seu efecto é mellor que o enrutamento serpenteante normal.