Il layout è una delle abilità lavorative più basilari di Progettazione PCB ingegnere. La qualità del cablaggio influenzerà direttamente le prestazioni dell’intero sistema, la maggior parte della teoria del design ad alta velocità deve essere finalmente realizzata e verificata da Layout, quindi si può vedere che il cablaggio è cruciale nella progettazione di PCB ad alta velocità. Quanto segue sarà in considerazione dell’effettivo cablaggio che potrebbe incontrare alcune situazioni, analisi della sua razionalità e fornire una strategia di routing più ottimizzata. Principalmente dalla linea dell’angolo retto, dalla linea della differenza, dalla linea del serpente e così via, tre aspetti da elaborare.

1. Linea di andata rettangolare

Il cablaggio ad angolo retto è generalmente necessario per evitare la situazione nel cablaggio del PCB ed è quasi diventato uno degli standard per misurare la qualità del cablaggio, quindi quanto impatto avrà il cablaggio ad angolo retto sulla trasmissione del segnale? In linea di principio, il cablaggio ad angolo retto cambierà la larghezza della linea della linea di trasmissione, con conseguente discontinuità di impedenza. Infatti, non solo la linea dell’angolo retto, l’angolo di tonnellata, la linea dell’angolo acuto possono causare cambiamenti di impedenza.

L’influenza dell’allineamento ad angolo retto sul segnale si riflette principalmente in tre aspetti: primo, l’angolo può essere equivalente al carico capacitivo sulla linea di trasmissione, rallentando il tempo di salita; In secondo luogo, la discontinuità dell’impedenza causerà la riflessione del segnale; Terzo, 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 all’angolo (pF), W si riferisce alla larghezza della linea (pollici), ε R si riferisce alla costante dielettrica del mezzo e Z0 è l’impedenza caratteristica della trasmissione linea. Ad esempio, per una linea di trasmissione da 4 ohm da 50 Mils (εr 4.3), la capacità di un angolo retto è di circa 0.0101 pF e la variazione del tempo di salita può essere stimata:

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

Dal calcolo si può vedere che l’effetto di capacità portato dal cablaggio ad angolo retto è estremamente piccolo.

All’aumentare della larghezza della linea ad angolo retto, l’impedenza a questo punto diminuirà, quindi ci sarà 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 nella sezione delle linee di trasmissione, e quindi calcolare il coefficiente di riflessione secondo la formula empirica: ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0), il cablaggio generale ad angolo retto con conseguente variazione dell’impedenza tra il 7% e il 20%, quindi il coefficiente di riflessione massimo è di circa 0.1. Inoltre, come si può vedere 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 W/2. Il tempo per l’intera variazione di impedenza è molto breve, di solito entro 10 ps. Un cambiamento così veloce e piccolo è quasi trascurabile per la trasmissione generale del segnale.

Molte persone hanno una tale comprensione del routing ad angolo retto, credendo che la punta sia facile da emettere o ricevere onde elettromagnetiche e produrre EMI, che è diventata una delle ragioni per cui molte persone pensano che il routing ad angolo retto non sia possibile. Tuttavia, molti risultati di test pratici mostrano che la linea ad angolo retto non produce molta EMI rispetto alla linea retta. Forse le attuali prestazioni dello strumento e il livello di test limitano l’accuratezza del test, ma almeno mostra che la radiazione della linea ad angolo retto è inferiore all’errore di misurazione dello strumento stesso. In generale, l’allineamento ad angolo retto non è così terribile come potrebbe sembrare. Almeno nelle applicazioni al di sotto dei GHz, qualsiasi effetto come capacità, riflessione, EMI, ecc. non si riflette quasi nei test TDR. L’ingegnere progettista di PCB ad alta velocità dovrebbe concentrarsi su layout, progettazione di alimentazione/terra, progettazione del cablaggio, perforazione, ecc. Sebbene, ovviamente, gli effetti della linea di andata rettangolare non siano molto gravi, ma non significa che possiamo camminare sulla linea ad angolo retto, l’attenzione ai dettagli è la qualità essenziale per ogni buon ingegnere e, con il rapido sviluppo dei circuiti digitali , anche gli ingegneri PCB che elaborano la frequenza del segnale continueranno a migliorare, a più di 10 GHz RF campo di progettazione, Questi piccoli angoli retti possono diventare il fulcro di problemi ad alta velocità.

2. Differenza di

Il segnale differenziale è ampiamente utilizzato nella progettazione di circuiti ad alta velocità. Il segnale più importante in un circuito è il design del segnale differenziale. Come garantire le sue buone prestazioni nella progettazione PCB? Con queste due domande in mente, passiamo alla parte successiva della nostra discussione.

Che cos’è un segnale differenziale? In parole povere, il driver invia due segnali equivalenti e invertenti e il ricevitore confronta la differenza tra le due tensioni per determinare se lo stato logico è “0” o “1”. La coppia di fili che trasportano segnali differenziali è chiamata fili differenziali.

Rispetto al normale routing del segnale single-ended, il segnale differenziale presenta i vantaggi più ovvi nei seguenti tre aspetti:

A. Forte capacità anti-interferenza, poiché l’accoppiamento tra due linee differenziali è molto buono, quando c’è un’interferenza di rumore, sono quasi accoppiate a due linee contemporaneamente e il ricevitore si preoccupa solo della differenza tra i due segnali, così il rumore di modo comune esterno può essere completamente cancellato.

B. Può sopprimere efficacemente l’EMI. Allo stesso modo, poiché due segnali sono di polarità opposta, il campo elettromagnetico da essi irradiato può annullarsi a vicenda. Più è stretto l’accoppiamento, minore è l’energia elettromagnetica rilasciata al mondo esterno.

C. Il posizionamento temporale è accurato. Poiché il cambio di commutazione dei segnali differenziali si trova all’intersezione di due segnali, a differenza dei comuni segnali single-ended che vengono giudicati da tensioni di soglia alta e bassa, è meno influenzato dal processo e dalla temperatura, il che può ridurre gli errori di temporizzazione ed è più adatto per circuiti con segnali a bassa ampiezza. LVDS (segnalazione differenziale a bassa tensione) si riferisce a questa tecnologia di segnale differenziale di piccola ampiezza.

Per gli ingegneri PCB, la preoccupazione più importante è come garantire che questi vantaggi dell’instradamento differenziale possano essere pienamente utilizzati nell’instradamento effettivo. Forse fintanto che è in contatto con Layout, le persone capiranno i requisiti generali del routing differenziale, ovvero “uguale lunghezza, uguale distanza”. Isometrico serve a garantire che i due segnali differenziali mantengano sempre la polarità opposta, riducendo la componente di modo comune; Isometrico è principalmente quello di garantire la stessa impedenza differenziale, ridurre la riflessione. “Il più vicino possibile” è a volte uno dei requisiti per il routing differenziale. Ma nessuna di queste regole è pensata per essere applicata meccanicamente e molti ingegneri non sembrano comprendere la natura della segnalazione differenziale ad alta velocità. Quanto segue si concentra su diversi errori comuni nella progettazione del segnale differenziale PCB.

Idea sbagliata 1: i segnali differenziali non necessitano del piano di massa come percorso di riflusso, o pensano che le linee differenziali forniscano un percorso di riflusso l’uno per l’altro. La causa di questo malinteso è confusa dal fenomeno della superficie, o il meccanismo di trasmissione del segnale ad alta velocità non è abbastanza profondo. Come si può vedere dalla struttura dell’estremità ricevente in FIG. 1-8-15, le correnti di emettitore dei transistori Q3 e Q4 sono equivalenti e opposte, e la loro corrente alla giunzione si annulla esattamente a vicenda (I1=0). Pertanto, il circuito differenziale è insensibile a proiettili di terra simili e altri segnali di rumore che possono esistere nell’alimentatore e nel piano di massa. La cancellazione parziale del riflusso del piano di massa non significa che il circuito differenziale non prenda il piano di riferimento come percorso di ritorno del segnale. Infatti, nell’analisi del flusso di ritorno del segnale, il meccanismo di routing differenziale è lo stesso di quello del routing single-end ordinario, vale a dire, alto

Il segnale di frequenza rifluisce sempre lungo il circuito con l’induttanza più piccola. La differenza più grande sta nel fatto che la linea di differenza non solo ha un accoppiamento al suolo, ma ha anche un accoppiamento tra loro. Il forte accoppiamento diventa il percorso di riflusso principale.

Nella progettazione del circuito PCB, l’accoppiamento tra il cablaggio differenziale è generalmente piccolo, di solito rappresenta solo il 10~20% del grado di accoppiamento e la maggior parte dell’accoppiamento è a terra, quindi il percorso di riflusso principale del cablaggio differenziale esiste ancora nel terreno aereo. In caso di discontinuità nel piano locale, l’accoppiamento tra percorsi differenziali fornisce il percorso di riflusso principale nella regione senza piano di riferimento, come mostrato in FIG. 1-8-17. Sebbene l’impatto della discontinuità del piano di riferimento sul cablaggio differenziale non sia così grave come quello del normale cablaggio single-end, 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 della linea di trasmissione differenziale possa essere rimosso per sopprimere parte del segnale di modo comune nella trasmissione differenziale, ma teoricamente questo approccio non è desiderabile. Come controllare l’impedenza? Senza fornire un anello di impedenza di terra per il segnale di modo comune, la radiazione EMI è destinata a essere causata, il che fa più male che bene.

Mito 2: mantenere una spaziatura uguale è più importante che abbinare la lunghezza della linea. Nel cablaggio PCB effettivo, spesso non è in grado di soddisfare i requisiti della progettazione differenziale. A causa della distribuzione di pin, fori e spazio di cablaggio e altri fattori, è necessario raggiungere lo scopo della corrispondenza della lunghezza della linea attraverso l’avvolgimento appropriato, ma il risultato è inevitabilmente parte della coppia di differenze non può essere parallela, in questo momento, come scegliere? Prima di saltare alle conclusioni, diamo un’occhiata ai seguenti risultati della simulazione. Si può vedere dai risultati della simulazione di cui sopra che le forme d’onda dello schema 1 e dello schema 2 quasi coincidono, vale a dire che l’influenza della spaziatura disuguale è minima e l’influenza della mancata corrispondenza della lunghezza della linea è molto maggiore sulla sequenza temporale (Schema 3) . Dal punto di vista dell’analisi teorica, sebbene la spaziatura incoerente porterà alle variazioni di impedenza della differenza, ma poiché l’accoppiamento tra la coppia di differenze stessa non è significativo, anche l’intervallo di variazioni di impedenza è molto piccolo, di solito entro il 10%, solo equivalente a una riflessione causata da un foro, che non causerà un impatto significativo sulla trasmissione del segnale. Una volta che la lunghezza della linea è disallineata, oltre all’offset della sequenza temporale, vengono introdotti componenti di modo comune nel segnale differenziale, che riduce la qualità del segnale e aumenta l’EMI.

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

Idea sbagliata tre: pensa che la linea di differenza deve fare affidamento su molto vicino. Lo scopo di mantenere vicine le linee di differenza non è altro che aumentare il loro accoppiamento, sia per migliorare la loro immunità al rumore sia per sfruttare la polarità opposta del campo magnetico per annullare le interferenze elettromagnetiche dal mondo esterno. Sebbene questo approccio sia molto favorevole nella maggior parte dei casi, non è assoluto. Se possono essere completamente schermati dalle interferenze esterne, non è più necessario raggiungere lo scopo dell’anti-interferenza e della soppressione EMI tramite un forte accoppiamento tra loro. Come garantire che il routing differenziale abbia un buon isolamento e schermatura? Aumentare la distanza tra le linee e gli altri segnali è uno dei modi più elementari. L’energia del campo elettromagnetico diminuisce con il quadrato della distanza. Generalmente, quando la distanza tra le linee è più di 4 volte la larghezza della linea, l’interferenza tra di loro è estremamente debole e può essere sostanzialmente ignorata. Inoltre, l’isolamento attraverso il piano di massa può fornire anche un buon effetto schermante. Questa struttura viene spesso utilizzata nei progetti di circuiti stampati IC ad alta frequenza (oltre 10G), nota come struttura CPW, per garantire un rigoroso controllo dell’impedenza differenziale (2Z0), FIG. 1-8-19.

L’instradamento differenziale può essere eseguito anche in diversi livelli di segnale, ma ciò non è generalmente raccomandato, perché differenze come l’impedenza e i fori passanti in diversi livelli possono distruggere l’effetto di trasmissione in modalità differenziale e introdurre rumore di modo comune. Inoltre, se i due strati adiacenti non sono strettamente accoppiati, la capacità dell’instradamento differenziale di resistere al rumore sarà ridotta, ma la diafonia non è un problema se viene mantenuta una spaziatura adeguata con l’instradamento circostante. In generale la frequenza (sotto i GHz), l’EMI non sarà un problema serio. Gli esperimenti mostrano che l’attenuazione dell’energia della radiazione delle linee differenziali con una distanza di 500 Mils oltre i 3 metri ha raggiunto 60 dB, che è sufficiente per soddisfare lo standard di radiazione ELETTROMAGNETICA della FCC. Pertanto, i progettisti non devono preoccuparsi troppo dell’incompatibilità elettromagnetica causata da un accoppiamento insufficiente delle linee differenziali.

3. serpentina

Una linea tortuosa viene spesso utilizzata in Layout. Il suo scopo principale è regolare il ritardo temporale e soddisfare i requisiti della progettazione del sistema di temporizzazione. I progettisti dovrebbero prima capire che il filo a serpentina distruggerà la qualità del segnale, modificherà il ritardo di trasmissione e dovrebbe essere evitato durante il cablaggio. Tuttavia, nella progettazione pratica, al fine di garantire un tempo di mantenimento dei segnali sufficiente o per ridurre lo sfasamento temporale tra lo stesso gruppo di segnali, l’avvolgimento deve essere eseguito deliberatamente.

Quindi cosa fa la serpentina per segnalare la trasmissione? A cosa dovrei prestare attenzione quando cammino lungo la linea? I due parametri più critici sono la lunghezza di accoppiamento parallelo (Lp) e la distanza di accoppiamento (S), come mostrato in FIG. 1-8-21. Ovviamente, quando il segnale viene trasmesso in linea serpentina, si avrà un accoppiamento tra segmenti di linea paralleli sotto forma di modo differenza. Più piccolo è S, maggiore è Lp e maggiore sarà il grado di accoppiamento. Ciò può comportare ritardi di trasmissione ridotti e una riduzione significativa della qualità del segnale a causa della diafonia, come descritto nel capitolo 3 per l’analisi della diafonia di modo comune e di modo differenziale.

Ecco alcuni suggerimenti per gli ingegneri del layout quando si tratta di serpentine:

1. Prova ad aumentare la distanza (S) del segmento di linea parallela, che è almeno maggiore di 3H. H si riferisce alla distanza dalla linea del segnale al piano di riferimento. In generale, è prendere una grande curva. Finché S è sufficientemente grande, l’effetto di accoppiamento può essere quasi completamente evitato.

2. Quando la lunghezza dell’accoppiamento Lp viene ridotta, la diafonia generata raggiungerà la saturazione quando il ritardo di Lp si avvicina due volte o supera il tempo di salita del segnale.

3. Il ritardo di trasmissione del segnale causato dalla linea a serpente di strip-line o dalla micro-striscia incorporata è inferiore a quello della micro-striscia. In teoria, la linea del nastro non influisce sulla velocità di trasmissione a causa della diafonia in modalità differenziale.

4. Per le linee ad alta velocità e di segnale con rigidi requisiti di tempistica, cerca di non percorrere linee tortuose, specialmente in una piccola area.

5. Il percorso a serpentina con qualsiasi angolazione può essere spesso adottato. La struttura C in FIG. 1-8-20 può ridurre efficacemente l’accoppiamento tra loro.

6. Nella progettazione di PCB ad alta velocità, la 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 dei tempi e nessun altro scopo.

7. A volte si può prendere in considerazione l’avvolgimento a spirale. La simulazione mostra che il suo effetto è migliore del normale avvolgimento a serpentina.