O deseño é unha das habilidades de traballo máis básicas de Deseño de PCB enxeñeiro. A calidade do cableado afectará directamente ao rendemento de todo o sistema, a maioría da teoría do deseño de alta velocidade debe finalmente realizarse e verificarse por Layout, polo que se pode ver que o cableado é crucial no deseño de PCB de alta velocidade. A continuación terase en conta que o cableado real pode atopar algunhas situacións, analizar a súa racionalidade e dar algunha estratexia de enrutamento máis optimizada. Principalmente dende a liña de ángulo dereito, a diferenza, a serpe e así sucesivamente tres aspectos a elaborar.

1. Liña de saída rectangular

O cableado en ángulo recto xeralmente é necesario para evitar a situación no cableado do PCB e case se converteu nun dos estándares para medir a calidade do cableado, entón, canto impacto terá o cableado en ángulo recto na transmisión do sinal? En principio, o cableado en ángulo recto cambiará o ancho da liña de transmisión, o que provocará a discontinuidade da impedancia. De feito, non só a liña de ángulo recto, ángulo de ton, a liña de ángulo aguda pode causar cambios de impedancia.

A influencia do aliñamento do ángulo recto no sinal reflíctese principalmente en tres aspectos: primeiro, a esquina pode ser equivalente á carga capacitiva na liña de transmisión, diminuíndo o tempo de subida; En segundo lugar, a discontinuidade da impedancia provocará a reflexión do sinal; En terceiro lugar, EMI xerado pola punta de ángulo dereito.

A capacidade parásita 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 capacidade equivalente na esquina (pF), W refírese ao ancho da liña (polgada), ε R refírese á constante dieléctrica do medio e Z0 é a impedancia característica da transmisión liña. Por exemplo, para unha liña de transmisión 4Mils 50 ohm (εr 4.3), a capacidade dun ángulo recto é de aproximadamente 0.0101pF, e pódese estimar a variación do tempo de subida:

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

Polo cálculo pódese ver que o efecto de capacidade provocado polo cableado en ángulo recto é extremadamente pequeno.

A medida que o ancho da liña da liña de ángulo recto aumenta, a impedancia neste punto diminuirá, polo que haberá un certo 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 na sección de liñas de transmisión e, a continuación, calcular o coeficiente de reflexión segundo a fórmula empírica: ρ = (Zs-Z0) / (Zs + Z0), o cableado xeral de ángulo recto que produce cambios de impedancia entre o 7% e o 20%, polo que o coeficiente de reflexión máximo é de aproximadamente 0.1. Ademais, como se pode ver na seguinte figura, a impedancia da liña de transmisión cambia ao mínimo dentro da lonxitude da liña W / 2 e, a continuación, restaura á impedancia normal despois do tempo de W / 2. O tempo para todo o cambio de impedancia é moi curto, normalmente dentro de 10ps. Un cambio tan rápido e pequeno é case insignificante para a transmisión de sinal xeral.

Moita xente ten esa comprensión do enrutamento en ángulo recto, crendo que a punta é fácil de emitir ou recibir ondas electromagnéticas e producir EMI, o que se converteu nunha das razóns polas que moita xente pensa que o enrutamento en ángulo recto non é posible. Non obstante, moitos resultados prácticos das probas mostran que a liña de ángulo recto non produce moito EMI que a liña recta. Quizais o rendemento actual do instrumento e o nivel de proba restrinxan a precisión da proba, pero polo menos demostra que a radiación da liña de ángulo recto é menor que o erro de medida do propio instrumento. En xeral, o aliñamento en ángulo recto non é tan terrible como podería parecer. Polo menos en aplicacións inferiores a GHz, calquera efecto como capacidade, reflexión, EMI, etc. case non se reflicte nas probas TDR. O enxeñeiro de deseño de PCB de alta velocidade debería centrarse no deseño, deseño de potencia / terra, deseño de cableado, perforación, etc. Aínda que, por suposto, os efectos da liña rectangular non son moi graves, pero non quere dicir que poidamos camiñar ángulo recto, a atención aos detalles é a calidade esencial para todos os bos enxeñeiros e, co rápido desenvolvemento dos circuítos dixitais. Os enxeñeiros de PCB que procesan a frecuencia do sinal tamén seguirán mellorando ata o campo de deseño RF de máis de 10 GHZ, Estes pequenos ángulos rectos poden converterse no foco de problemas de alta velocidade.

2. Diferenza de

O sinal diferencial úsase amplamente no deseño de circuítos de alta velocidade. O sinal máis importante nun circuíto é o deseño de sinal diferencial. Como garantir o seu bo rendemento no deseño de PCB? Tendo en conta estas dúas preguntas, pasamos á seguinte parte do noso debate.

Que é un sinal diferencial? En inglés sinxelo, o condutor envía dous sinais equivalentes e inversores e o receptor compara a diferenza entre as dúas tensións para determinar se o estado lóxico é “0” ou “1”. O par de fíos que levan sinais diferenciais chámase fíos diferenciais.

En comparación co encamiñamento normal de sinal único, o sinal diferencial ten as vantaxes máis evidentes nos seguintes tres aspectos:

A. Forte capacidade anti-interferencia, porque o acoplamento entre dúas liñas diferenciais é moi bo, cando hai interferencia de ruído, case están acopladas a dúas liñas ao mesmo tempo e ao receptor só lle importa a diferenza entre os dous sinais, polo que o ruído externo en modo común pódese cancelar completamente.

B. Pode suprimir efectivamente o EMI. Do mesmo xeito, debido a que dous sinais son de polaridade oposta, o campo electromagnético irradiado por eles pode cancelarse mutuamente. Canto máis preto está o acoplamento, menos enerxía electromagnética se libera ao mundo exterior.

C. O posicionamento temporal é preciso. Dado que o cambio de conmutación dos sinais diferenciais está situado na intersección de dous sinais, a diferenza dos sinais comúns de fin único que se xulgan polas tensións limiares altas e baixas, é menos afectado polo proceso e a temperatura, o que pode reducir os erros de sincronización e é máis axeitado para circuítos con sinais de baixa amplitude. LVDS (sinalización diferencial de baixa tensión) refírese a esta tecnoloxía de sinal diferencial de pequena amplitude.

Para os enxeñeiros de PCB, a preocupación máis importante é como garantir que estas vantaxes do enrutamento diferencial se poidan utilizar plenamente no enrutamento real. Quizais mentres estea en contacto co deseño a xente comprenda os requisitos xerais do enrutamento diferencial, é dicir, “igual lonxitude, igual distancia”. Isométrico é garantir que os dous sinais diferenciais sempre manteñan polaridade oposta, reducindo o compoñente do modo común; Isométrico é principalmente para garantir a mesma impedancia diferencial, reducir a reflexión. “O máis preto posible” é ás veces un dos requisitos para o enrutamento diferencial. Pero ningunha destas regras está destinada a ser aplicada mecánicamente e moitos enxeñeiros non parecen entender a natureza da sinalización diferencial de alta velocidade. O seguinte céntrase en varios erros comúns no deseño do sinal diferencial de PCB.

Idea equivocada 1: os sinais diferenciais non necesitan un plano de terra como camiño de retroceso ou pensan que as liñas diferenciais proporcionan un camiño de retroceso. A causa deste malentendido confúndese co fenómeno superficial ou o mecanismo de transmisión de sinal de alta velocidade non é o suficientemente profundo. Como se pode ver na estrutura do extremo receptor na FIG. 1-8-15, as correntes emisoras dos transistores Q3 e Q4 son equivalentes e opostas, e a súa corrente na unión cancélase exactamente (I1 = 0). Polo tanto, o circuíto diferencial é insensible a proxectais de terra similares e outros sinais de ruído que poden existir na fonte de alimentación e no plano de terra. A cancelación parcial de retroceso do plano terrestre non significa que o circuíto diferencial non tome o plano de referencia como camiño de retorno do sinal. De feito, na análise de retroceso de sinal, o mecanismo do encamiñamento diferencial é o mesmo que o encamiñamento normal dun extremo, é dicir, alto

O sinal de frecuencia sempre flúe ao longo do circuíto coa menor inductancia. A maior diferenza radica en que a liña de diferenza non só ten un acoplamento ao chan, senón que tamén ten un acoplamento entre si. O acoplamento forte convértese no camiño principal de reflujo.

No deseño de circuítos de PCB, o acoplamento entre o cableado diferencial é xeralmente pequeno, normalmente só supón o 10 ~ 20% do grao de acoplamento e a maior parte do acoplamiento atópase ao chan, polo que o camiño principal de retroceso do cableado diferencial aínda existe no chan. avión. No caso de descontinuidade no plano local, o acoplamento entre rutas diferenciais proporciona o camiño principal de reflujo na rexión sen plano de referencia, como se mostra na FIG. 1-8-17. Aínda que o impacto da descontinuidade do plano de referencia no cableado diferencial non é tan grave como o do cableado normal de extremo único, aínda reducirá a calidade do sinal diferencial e aumentará o EMI, que debería evitarse na medida do posible. Algúns deseñadores cren que o plano de referencia da liña de transmisión diferencial pode eliminarse para suprimir parte do sinal de modo común na transmisión diferencial, pero teoricamente este enfoque non é desexable. Como controlar a impedancia? Sen proporcionar un lazo de impedancia de terra para o sinal de modo común, a radiación EMI está obrigada a causar, o que fai máis dano que ben.

Mito 2: manter o espazamento igual é máis importante que coincidir coa lonxitude da liña. No cableado real do PCB, moitas veces non pode cumprir os requisitos de deseño diferencial. Debido á distribución de patas, buratos e espazo de cableado e outros factores, é necesario acadar o propósito de combinar a lonxitude da liña mediante un enrolamento adecuado, pero o resultado é inevitablemente parte do par de diferenzas non pode ser paralelo, neste momento, como elexir? Antes de saltar ás conclusións, botemos unha ollada aos seguintes resultados da simulación. Pódese ver polos resultados da simulación anteriores que as formas de onda do esquema 1 e do esquema 2 case coinciden, é dicir, a influencia do espazamento desigual é mínima e a influencia do desaxuste da lonxitude da liña é moito maior na secuencia de sincronización (esquema 3) . Desde a perspectiva da análise teórica, aínda que o espazamento inconsistente levará a cambios de impedancia de diferenza, senón porque o acoplamento entre o par de diferenzas en si non é significativo, polo que o rango de cambios de impedancia tamén é moi pequeno, normalmente dentro do 10%, só equivalente a un reflexo causado por un burato, que non causará un impacto significativo na transmisión do sinal. Unha vez que a lonxitude da liña non coincide, ademais do desprazamento da secuencia de tempo, introdúcense compoñentes de modo común no sinal diferencial, o que reduce a calidade do sinal e aumenta o EMI.

Pódese dicir que a regra máis importante no deseño de cableado diferencial de PCB é coincidir coa lonxitude da liña, e outras regras pódense manexar de forma flexible segundo os requisitos de deseño e as aplicacións prácticas.

Idea equivocada tres: creo que a diferenza debe depender de moi preto. O punto de manter as liñas de diferenza xuntas non é máis que aumentar o seu acoplamento, tanto para mellorar a súa inmunidade ao ruído como para aproveitar a polaridade oposta do campo magnético para cancelar a interferencia electromagnética do mundo exterior. Aínda que este enfoque é moi favorable na maioría dos casos, non é absoluto. Se se poden protexer completamente das interferencias externas, entón non necesitamos acadar o propósito de anti-interferencias e supresión de EMI mediante un forte acoplamento entre si. Como garantir que o enrutamento diferencial teña un bo illamento e protección? Aumentar a distancia entre as liñas e outros sinais é unha das formas máis básicas. A enerxía do campo electromagnético diminúe coa relación cadrada da distancia. Xeralmente, cando a distancia entre as liñas é máis de 4 veces o ancho da liña, a interferencia entre elas é extremadamente débil e pódese ignorar basicamente. Ademais, o illamento a través do plano terrestre tamén pode proporcionar un bo efecto de protección. Esta estrutura úsase a miúdo en deseños de PCB empaquetados de alta frecuencia (por riba de 10G), coñecidos como estrutura CPW, para garantir un control estrito da impedancia diferencial (2Z0), FIG. 1-8-19.

O enrutamento diferencial tamén se pode levar a cabo en diferentes capas de sinal, pero normalmente non se recomenda, porque diferenzas como a impedancia e os buratos pasantes de diferentes capas poden destruír o efecto de transmisión do modo diferencial e introducir ruído no modo común. Ademais, se as dúas capas adxacentes non están ben acopladas, a capacidade do enrutamento diferencial para resistir o ruído reducirase, pero a diafragma non é un problema se se mantén un espazo adecuado co enrutamento circundante. En frecuencia xeral (por debaixo de GHz), o EMI non será un problema grave. Os experimentos demostran que a atenuación da enerxía de radiación das liñas diferenciais cunha distancia de máis de 500 metros de 3Mils alcanzou os 60 dB, o que é suficiente para cumprir o estándar de radiación ELECTROMAGNÉTICO de FCC. Polo tanto, os deseñadores non se preocupan demasiado pola incompatibilidade electromagnética causada por un insuficiente acoplamento de liñas diferenciais.

3. serpentín

En Layout úsase a miúdo unha liña serpentina. O seu propósito principal é axustar o atraso e cumprir os requisitos do deseño de sincronización do sistema. Os deseñadores primeiro deben comprender que o fío serpentino destruirá a calidade do sinal, cambiará o atraso da transmisión e debe evitarse ao cablear. Non obstante, no deseño práctico, para garantir un tempo de espera suficiente dos sinais ou para reducir o tempo de compensación entre o mesmo grupo de sinais, hai que realizar deliberadamente un enrolamento.

Entón, que fai a serpentina para transmitir o sinal? En que debo prestar atención ao camiñar pola liña? Os dous parámetros máis críticos son a lonxitude de acoplamento paralelo (Lp) e a distancia de acoplamento (S), como se mostra na FIG. 1-8-21. Obviamente, cando o sinal se transmita en liña serpentina, haberá un acoplamento entre segmentos de liña paralela en forma de modo diferencial. Canto menor sexa S, maior será Lp e maior será o grao de acoplamento. Isto pode producir atrasos na transmisión reducidos e unha redución significativa da calidade do sinal debido á diafonía, como se describe no capítulo 3 para a análise do diafragma en modo común e modo diferencial.

Aquí tes algúns consellos para os enxeñeiros de deseño cando tratan serpentinas:

1. Tenta aumentar a distancia (S) do segmento de liña paralela, que é polo menos maior que 3H. H refírese á distancia da liña de sinal ao plano de referencia. En xeral, é tomar unha gran curva. Mentres S sexa o suficientemente grande, pódese evitar case completamente o efecto de acoplamento.

2. Cando se reduce a lonxitude de acoplamento Lp, a diafonía xerada alcanzará a saturación cando o atraso de Lp se achegue dúas veces ou supere o tempo de subida do sinal.

3. O atraso na transmisión do sinal causado pola liña de tira de liña de serpe ou micro-tira embutida é menor que o de micro-tira. Teoricamente, a liña de cinta non afecta a velocidade de transmisión por mor da conversa en modo diferencial.

4. Para liñas de sinal e alta velocidade con estritos requisitos de sincronización, intente non camiñar por liñas serpentinas, especialmente nunha área pequena.

5. A ruta serpentina en calquera ángulo pódese adoptar a miúdo. A estrutura en C na FIG. 1-8-20 pode reducir efectivamente o acoplamento entre si.

6. No deseño de PCB de alta velocidade, a 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 a sincronización e non ten outro propósito.

7. Ás veces pódese considerar o enrolamento en espiral. A simulación mostra que o seu efecto é mellor que o serpentín normal.