Il layout è una delle competenze lavorative più basilari per gli ingegneri progettisti di PCB. La qualità del cablaggio influenzerà direttamente le prestazioni dell’intero sistema. La maggior parte delle teorie progettuali ad alta velocità deve essere infine implementata e verificata tramite Layout. Si può vedere che il cablaggio è molto importante in PCB ad alta velocità design. Quanto segue analizzerà la razionalità di alcune situazioni che possono verificarsi nel cablaggio effettivo e fornirà alcune strategie di routing più ottimizzate.

È spiegato principalmente da tre aspetti: cablaggio ad angolo retto, cablaggio differenziale e cablaggio a serpentina.

1. Instradamento ad angolo retto

Il cablaggio ad angolo retto è generalmente una situazione che deve essere evitata il più possibile nel cablaggio PCB ed è quasi diventato uno degli standard per misurare la qualità del cablaggio. Quindi quanta influenza avrà il cablaggio ad angolo retto sulla trasmissione del segnale? In linea di principio, l’instradamento ad angolo retto cambierà la larghezza della linea della linea di trasmissione, causando discontinuità nell’impedenza. Infatti, non solo l’instradamento ad angolo retto, ma anche gli angoli e l’instradamento ad angolo acuto possono causare cambiamenti di impedenza.

L’influenza del routing ad angolo retto sul segnale si riflette principalmente in tre aspetti:

Uno è che l’angolo può essere equivalente al carico capacitivo sulla linea di trasmissione, che rallenta il tempo di salita; il secondo è che la discontinuità di impedenza provocherà la riflessione del segnale; il terzo è l’EMI generato dalla punta ad angolo retto.

La capacità parassita causata dall’angolo retto della linea di trasmissione può essere calcolata con la seguente formula empirica:

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

Nella formula sopra, C si riferisce alla capacità equivalente dell’angolo (unità: pF), W si riferisce alla larghezza della traccia (unità: pollici), εr si riferisce alla costante dielettrica del mezzo e Z0 è l’impedenza caratteristica della linea di trasmissione. Ad esempio, per una linea di trasmissione da 4 Mils da 50 ohm (εr è 4.3), la capacità portata da un angolo retto è di circa 0.0101 pF, quindi è possibile stimare la variazione del tempo di salita causata da ciò:

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

Si può vedere attraverso il calcolo che l’effetto di capacità portato dalla traccia ad angolo retto è estremamente piccolo.

All’aumentare della larghezza della linea della traccia ad angolo retto, l’impedenza diminuirà, quindi si verificherà un certo fenomeno di riflessione del segnale. Possiamo calcolare l’impedenza equivalente dopo che la larghezza della linea è aumentata secondo la formula di calcolo dell’impedenza menzionata nel capitolo sulla linea di trasmissione, e quindi Calcolare il coefficiente di riflessione secondo la formula empirica:

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

Generalmente, la variazione di impedenza causata dal cablaggio ad angolo retto è compresa tra il 7% e il 20%, quindi il coefficiente di riflessione massimo è di circa 0.1. Inoltre, come si vede dalla figura sottostante, l’impedenza della linea di trasmissione cambia al minimo all’interno della lunghezza della linea W/2, per poi tornare all’impedenza normale dopo il tempo di W/2. L’intero tempo di modifica dell’impedenza è estremamente breve, spesso entro 10 ps. All’interno, cambiamenti così rapidi e piccoli sono quasi trascurabili per la trasmissione generale del segnale.

Molte persone hanno questa comprensione del cablaggio ad angolo retto. Pensano che la punta sia facile da trasmettere o ricevere onde elettromagnetiche e generare EMI. Questo è diventato uno dei motivi per cui molte persone pensano che il cablaggio ad angolo retto non possa essere instradato. Tuttavia, molti risultati di test effettivi mostrano che le tracce ad angolo retto non producono EMI evidenti rispetto alle linee rette. Forse le attuali prestazioni dello strumento e il livello di test limitano l’accuratezza del test, ma almeno illustra un problema. La radiazione del cablaggio ad angolo retto è già inferiore all’errore di misura dello strumento stesso.

In generale, il percorso ad angolo retto non è così terribile come immaginato. Almeno nelle applicazioni al di sotto dei GHz, qualsiasi effetto come capacità, riflessione, EMI, ecc. difficilmente si riflette nei test TDR. I progettisti di PCB ad alta velocità dovrebbero comunque concentrarsi sul layout, sulla progettazione di alimentazione/terra e sul cablaggio. Via buchi e altri aspetti. Naturalmente, sebbene l’impatto del cablaggio ad angolo retto non sia molto grave, ciò non significa che tutti noi potremo utilizzare il cablaggio ad angolo retto in futuro. L’attenzione ai dettagli è la qualità fondamentale che ogni buon ingegnere deve avere. Inoltre, con il rapido sviluppo dei circuiti digitali, PCB La frequenza del segnale elaborato dagli ingegneri continuerà ad aumentare. Nel campo della progettazione RF sopra i 10 GHz, questi piccoli angoli retti possono diventare il fulcro di problemi ad alta velocità.

2. Instradamento differenziale

Il segnale differenziale (DifferentialSignal) è sempre più ampiamente utilizzato nella progettazione di circuiti ad alta velocità. Il segnale più critico nel circuito è spesso progettato con una struttura differenziale. Cosa lo rende così popolare? Come garantire le sue buone prestazioni nella progettazione PCB? Con queste due domande, passiamo alla parte successiva della discussione.

Cos’è un segnale differenziale? In parole povere, l’estremità di azionamento invia due segnali uguali e invertiti e l’estremità ricevente giudica lo stato logico “0” o “1” confrontando la differenza tra le due tensioni. La coppia di tracce che trasportano segnali differenziali è detta tracce differenziali.

Rispetto alle normali tracce di segnale single-ended, i segnali differenziali presentano i vantaggi più evidenti nei seguenti tre aspetti:

un. Forte capacità anti-interferenza, perché l’accoppiamento tra le due tracce differenziali è molto buono. Quando c’è un’interferenza di rumore dall’esterno, sono quasi accoppiati alle due linee contemporaneamente e l’estremità ricevente si preoccupa solo della differenza tra i due segnali. Pertanto, il rumore di modo comune esterno può essere completamente annullato. B. Può sopprimere efficacemente l’EMI. Per lo stesso motivo, a causa della polarità opposta dei due segnali, i campi elettromagnetici da essi irradiati possono annullarsi a vicenda. Più stretto è l’accoppiamento, meno energia elettromagnetica viene scaricata nel mondo esterno. C. Il posizionamento temporale è accurato. Poiché il cambio di commutazione del segnale differenziale si trova all’intersezione dei due segnali, a differenza del normale segnale single-ended, che dipende dalle tensioni di soglia alta e bassa da determinare, è meno influenzato dal processo e dalla temperatura, che può ridurre l’errore di temporizzazione. , Ma anche più adatto per circuiti di segnale a bassa ampiezza. L’attuale popolare LVDS (segnalazione differenziale a bassa tensione) si riferisce a questa tecnologia di segnale differenziale di piccola ampiezza.

Per gli ingegneri di PCB, la preoccupazione maggiore è come garantire che questi vantaggi del cablaggio differenziale possano essere pienamente utilizzati nel cablaggio effettivo. Forse chiunque sia stato in contatto con Layout capirà i requisiti generali del cablaggio differenziale, ovvero “uguale lunghezza e uguale distanza”. L’uguale lunghezza serve a garantire che i due segnali differenziali mantengano sempre polarità opposte e riducano la componente di modo comune; la distanza uguale serve principalmente a garantire che le impedenze differenziali dei due siano coerenti e riducano le riflessioni. “Il più vicino possibile” è a volte uno dei requisiti del cablaggio differenziale. Ma tutte queste regole non vengono utilizzate per l’applicazione meccanica e molti ingegneri sembrano ancora non comprendere l’essenza della trasmissione del segnale differenziale ad alta velocità.

Quanto segue si concentra su diversi fraintendimenti comuni nella progettazione del segnale differenziale PCB.

Fraintendimento 1: Si ritiene che il segnale differenziale non abbia bisogno di un piano di massa come percorso di ritorno, o che le tracce differenziali forniscano un percorso di ritorno l’uno per l’altro. La ragione di questo malinteso è che sono confusi da fenomeni superficiali, o il meccanismo di trasmissione del segnale ad alta velocità non è abbastanza profondo. Si può vedere dalla struttura dell’estremità ricevente della Figura 1-8-15 che le correnti di emettitore dei transistor Q3 e Q4 sono uguali e opposte e le loro correnti a terra si annullano esattamente a vicenda (I1=0), quindi il circuito differenziale è rimbalzi simili e altri segnali di rumore che possono esistere sui piani di alimentazione e terra sono insensibili. La cancellazione parziale del ritorno del piano di massa non significa che il circuito differenziale non utilizzi il piano di riferimento come percorso di ritorno del segnale. Infatti, nell’analisi del ritorno del segnale, il meccanismo del cablaggio differenziale e del normale cablaggio single-ended è lo stesso, ovvero i segnali ad alta frequenza sono sempre rifluiti lungo il circuito con l’induttanza più piccola, la differenza più grande è che oltre a l’accoppiamento a terra, la linea differenziale ha anche l’accoppiamento reciproco. Quale tipo di accoppiamento è forte, quale diventa il percorso di ritorno principale. La Figura 1-8-16 è un diagramma schematico della distribuzione del campo geomagnetico di segnali single-ended e segnali differenziali.

Nella progettazione di circuiti PCB, l’accoppiamento tra le tracce differenziali è generalmente piccolo, spesso rappresenta solo dal 10 al 20% del grado di accoppiamento, e più è l’accoppiamento a terra, quindi il percorso di ritorno principale della traccia differenziale esiste ancora a terra aereo . Quando il piano di massa è discontinuo, l’accoppiamento tra le tracce differenziali fornirà il percorso di ritorno principale nell’area senza piano di riferimento, come mostrato in Figura 1-8-17. Sebbene l’influenza della discontinuità del piano di riferimento sulla traccia differenziale non sia così grave come quella della normale traccia single-ended, ridurrà comunque la qualità del segnale differenziale e aumenterà l’EMI, che dovrebbe essere evitato il più possibile . Alcuni progettisti ritengono che il piano di riferimento sotto la traccia differenziale possa essere rimosso per sopprimere alcuni segnali di modo comune nella trasmissione differenziale. Tuttavia, questo approccio non è auspicabile in teoria. Come controllare l’impedenza? Non fornire un anello di impedenza di terra per il segnale di modo comune causerà inevitabilmente radiazioni EMI. Questo approccio fa più male che bene.

Incomprensione 2: si ritiene che mantenere una spaziatura uguale sia più importante della corrispondenza della lunghezza della linea. Nel layout PCB effettivo, spesso non è possibile soddisfare contemporaneamente i requisiti della progettazione differenziale. A causa dell’esistenza di distribuzione dei pin, via e spazio di cablaggio, lo scopo della corrispondenza della lunghezza della linea deve essere raggiunto attraverso un avvolgimento appropriato, ma il risultato deve essere che alcune aree della coppia differenziale non possono essere parallele. Cosa dobbiamo fare in questo momento? Quale scelta? Prima di trarre conclusioni, diamo un’occhiata ai seguenti risultati della simulazione.

Dai risultati della simulazione di cui sopra, si può vedere che le forme d’onda dello Schema 1 e dello Schema 2 sono quasi coincidenti, vale a dire che l’influenza causata dalla spaziatura disuguale è minima. In confronto, l’influenza della mancata corrispondenza della lunghezza della linea sui tempi è molto maggiore. (Schema 3). Dall’analisi teorica, sebbene la spaziatura incoerente causi la modifica dell’impedenza differenziale, poiché l’accoppiamento tra la coppia differenziale stessa non è significativo, anche l’intervallo di variazione dell’impedenza è molto piccolo, solitamente entro il 10%, che è equivalente solo a un passaggio . La riflessione causata dal foro non avrà un impatto significativo sulla trasmissione del segnale. Una volta che la lunghezza della linea non corrisponde, oltre all’offset di temporizzazione, vengono introdotti componenti di modo comune nel segnale differenziale, il che riduce la qualità del segnale e aumenta l’EMI.

Si può dire che la regola più importante nella progettazione di tracce differenziali PCB è la lunghezza della linea corrispondente e che altre regole possono essere gestite in modo flessibile in base ai requisiti di progettazione e alle applicazioni pratiche.

Incomprensione 3: Pensa che il cablaggio differenziale deve essere molto vicino. Mantenere vicine le tracce differenziali non è altro che potenziarne l’accoppiamento, che può non solo migliorare l’immunità al rumore, ma anche sfruttare appieno la polarità opposta del campo magnetico per compensare le interferenze elettromagnetiche verso il mondo esterno. Sebbene questo approccio sia molto vantaggioso nella maggior parte dei casi, non è assoluto. Se possiamo garantire che siano completamente schermati dalle interferenze esterne, non è necessario utilizzare un accoppiamento forte per ottenere l’anti-interferenza. E lo scopo di sopprimere l’EMI. Come possiamo garantire un buon isolamento e schermatura delle tracce differenziali? Aumentare la spaziatura con altre tracce di segnale è uno dei modi più elementari. L’energia del campo elettromagnetico diminuisce con il quadrato della distanza. Generalmente, quando l’interlinea supera 4 volte la larghezza della linea, l’interferenza tra di loro è estremamente debole. Può essere ignorato. Inoltre, anche l’isolamento dal piano di massa può svolgere un buon ruolo di schermatura. Questa struttura viene spesso utilizzata nella progettazione di circuiti integrati ad alta frequenza (oltre 10G). Si chiama struttura CPW, che può garantire un’impedenza differenziale rigorosa. Controllo (2Z0), come mostrato nella Figura 1-8-19.

Le tracce differenziali possono anche essere eseguite in diversi livelli di segnale, ma questo metodo generalmente non è raccomandato, perché le differenze di impedenza e via prodotte da diversi livelli distruggeranno l’effetto della trasmissione in modalità differenziale e introdurranno rumore in modalità comune. Inoltre, se i due strati adiacenti non sono strettamente accoppiati, si ridurrà la capacità della traccia differenziale di resistere al rumore, ma se si riesce a mantenere una distanza adeguata dalle tracce circostanti, la diafonia non è un problema. Alle frequenze generali (sotto i GHz), l’EMI non sarà un problema serio. Gli esperimenti hanno dimostrato che l’attenuazione dell’energia irradiata a una distanza di 500 mil da una traccia differenziale ha raggiunto i 60 dB a una distanza di 3 metri, il che è sufficiente per soddisfare lo standard di radiazione elettromagnetica FCC, quindi il progettista non deve preoccuparsi troppo molto sull’incompatibilità elettromagnetica causata da un insufficiente accoppiamento della linea differenziale.

3. Linea a serpentina

Snake line è un tipo di metodo di instradamento spesso utilizzato in Layout. Il suo scopo principale è regolare il ritardo per soddisfare i requisiti di progettazione della temporizzazione del sistema. Il progettista deve prima avere questa comprensione: la linea a serpentina distruggerà la qualità del segnale, cambierà il ritardo di trasmissione e cercherà di evitare di usarla durante il cablaggio. Tuttavia, nella progettazione attuale, per garantire che il segnale abbia un tempo di attesa sufficiente, o per ridurre l’offset temporale tra lo stesso gruppo di segnali, è spesso necessario avvolgere deliberatamente il filo.

Quindi, che effetto ha la linea a serpentina sulla trasmissione del segnale? A cosa devo prestare attenzione durante il cablaggio? I due parametri più critici sono la lunghezza di accoppiamento parallelo (Lp) e la distanza di accoppiamento (S), come mostrato nella Figura 1-8-21. Ovviamente, quando il segnale viene trasmesso sulla traccia a serpentina, i segmenti di linea paralleli saranno accoppiati in modo differenziale. Più piccolo è S e più grande Lp, maggiore è il grado di accoppiamento. Potrebbe causare la riduzione del ritardo di trasmissione e la qualità del segnale notevolmente ridotta a causa della diafonia. Il meccanismo può fare riferimento all’analisi della diafonia di modo comune e di modo differenziale nel capitolo 3.

Di seguito sono riportati alcuni suggerimenti per i progettisti di layout quando si tratta di linee tortuose:

1. Cercare di aumentare la distanza (S) dei segmenti di linea paralleli, almeno maggiore di 3H, H si riferisce alla distanza dalla traccia del segnale al piano di riferimento. In parole povere, è andare dietro a una grande curva. Finché S è sufficientemente grande, l’effetto di accoppiamento reciproco può essere quasi completamente evitato. 2. Ridurre la lunghezza del giunto Lp. Quando il doppio ritardo Lp si avvicina o supera il tempo di salita del segnale, la diafonia generata raggiunge la saturazione. 3. Il ritardo di trasmissione del segnale causato dalla linea a serpentina della Strip-Line o della Micro-strip Embedded è inferiore a quello della Micro-strip. In teoria, la stripline non influenzerà la velocità di trasmissione a causa della diafonia in modalità differenziale. 4. Per le linee di segnale ad alta velocità e quelle con requisiti di temporizzazione rigorosi, cercare di non utilizzare linee a serpentina, specialmente in piccole aree. 5. Spesso è possibile utilizzare tracce a serpentina a qualsiasi angolazione, come la struttura a C nella Figura 1-8-20, che può ridurre efficacemente l’accoppiamento reciproco. 6. Nella progettazione PCB ad alta velocità, la linea a serpentina non ha la cosiddetta capacità di filtraggio o anti-interferenza e può solo ridurre la qualità del segnale, quindi viene utilizzata solo per la corrispondenza temporale e non ha altro scopo. 7. A volte puoi considerare il percorso a spirale per l’avvolgimento. La simulazione mostra che il suo effetto è migliore del normale percorso a serpentina.