레이아웃은 PCB 설계 엔지니어에게 가장 기본적인 직무 기술 중 하나입니다. 배선 품질은 전체 시스템의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 대부분의 고속 설계 이론은 최종적으로 Layout을 통해 구현 및 검증되어야 합니다. 배선이 매우 중요함을 알 수 있다. 고속 PCB 설계. 다음은 실제 배선에서 발생할 수 있는 몇 가지 상황의 합리성을 분석하고 보다 최적화된 라우팅 전략을 제공합니다.

직각 배선, 차동 배선 및 구불 구불 한 배선의 세 가지 측면에서 주로 설명됩니다.

1. 직각 라우팅

직각 배선은 일반적으로 PCB 배선에서 최대한 피해야 하는 상황이며, 거의 배선 품질을 측정하는 기준 중 하나가 되었습니다. 그렇다면 직각 배선은 신호 전송에 얼마나 많은 영향을 미칠까요? 원칙적으로 직각 라우팅은 전송 라인의 선폭을 변경하여 임피던스의 불연속성을 유발합니다. 실제로 직각 라우팅뿐만 아니라 모서리 및 예각 라우팅도 임피던스 변화를 일으킬 수 있습니다.

신호에 대한 직각 라우팅의 영향은 주로 세 가지 측면에서 반영됩니다.

하나는 모서리가 전송 라인의 용량성 부하와 동일할 수 있으므로 상승 시간이 느려집니다. 두 번째는 임피던스 불연속성이 신호 반사를 유발한다는 것입니다. 세 번째는 직각 팁에 의해 생성된 EMI입니다.

전송 라인의 직각으로 인한 기생 커패시턴스는 다음 실험식으로 계산할 수 있습니다.

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

위의 공식에서 C는 모서리의 등가 커패시턴스(단위: pF), W는 트레이스의 너비(단위: 인치), εr은 매체의 유전 상수, Z0는 특성 임피던스 전송 라인의. 예를 들어, 4Mils 50ohm 전송 라인(εr은 4.3)의 경우 직각으로 인한 커패시턴스는 약 0.0101pF이며 이로 인한 상승 시간 변화는 다음과 같이 추정할 수 있습니다.

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

직각 궤적에 의한 커패시턴스 효과가 극히 작다는 것을 계산을 통해 알 수 있다.

직각 트레이스의 선폭이 증가함에 따라 임피던스가 감소하므로 특정 신호 반사 현상이 발생합니다. 전송선 장에서 언급한 임피던스 계산 공식에 따라 선폭이 증가한 후 등가 임피던스를 계산한 다음 실험식에 따라 반사 계수를 계산할 수 있습니다.

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

일반적으로 직각 배선으로 인한 임피던스 변화는 7~20%이므로 최대 반사 계수는 약 0.1입니다. 또한, 아래 그림에서 알 수 있듯이 전송선로의 임피던스는 W/2 선로 길이 내에서 최소로 변화하다가 W/2 시간이 지나면 정상 임피던스로 되돌아갑니다. 전체 임피던스 변경 시간은 종종 10ps 이내로 매우 짧습니다. 내부에서 이러한 빠르고 작은 변화는 일반적인 신호 전송에서는 거의 무시할 수 있습니다.

많은 사람들이 직각 배선에 대해 이렇게 이해하고 있습니다. 그들은 팁이 전자파를 송수신하기 쉽고 EMI를 발생시키기 쉽다고 생각합니다. 이것은 많은 사람들이 직각 배선을 배선할 수 없다고 생각하는 이유 중 하나가 되었습니다. 그러나 많은 실제 테스트 결과에 따르면 직각 트레이스는 직선보다 명백한 EMI를 생성하지 않습니다. 아마도 현재 기기 성능과 테스트 수준이 테스트의 정확도를 제한하지만 적어도 문제를 보여줍니다. 직각 배선의 방사는 이미 기기 자체의 측정 오차보다 작습니다.

일반적으로 직각 라우팅은 상상만큼 끔찍하지 않습니다. 적어도 GHz 미만의 애플리케이션에서는 커패시턴스, 반사, EMI 등과 같은 영향이 TDR 테스트에 거의 반영되지 않습니다. 고속 PCB 설계 엔지니어는 여전히 레이아웃, 전원/접지 설계 및 배선 설계에 집중해야 합니다. 구멍 및 기타 측면을 통해. 물론 직각배선의 영향이 그리 크지는 않지만 앞으로 모두 직각배선을 사용할 수 있다는 의미는 아니다. 세부 사항에 대한 주의는 모든 우수한 엔지니어가 갖추어야 할 기본 품질입니다. 또한 디지털 회로의 급속한 발전으로 PCB 엔지니어가 처리하는 신호의 주파수는 계속 증가할 것입니다. 10GHz 이상의 RF 설계 분야에서 이러한 작은 직각은 고속 문제의 초점이 될 수 있습니다.

2. 차등 라우팅

차동 신호(DifferentialSignal)는 고속 회로 설계에서 점점 더 널리 사용됩니다. 회로에서 가장 중요한 신호는 종종 차동 구조로 설계됩니다. 왜 그렇게 인기가 있습니까? PCB 설계에서 좋은 성능을 보장하는 방법은 무엇입니까? 이 두 가지 질문을 가지고 토론의 다음 부분으로 넘어갑니다.

차동 신호란 무엇입니까? 평신도의 용어로 구동측은 두 개의 동일하고 반전된 신호를 보내고 수신측은 두 전압의 차이를 비교하여 논리 상태 “0” 또는 “1”을 판단합니다. 차동 신호를 전달하는 트레이스 쌍을 차동 트레이스라고 합니다.

일반 단일 종단 신호 트레이스와 비교할 때 차동 신호는 다음 세 가지 측면에서 가장 분명한 이점이 있습니다.

NS. 두 개의 차동 트레이스 사이의 결합이 매우 좋기 때문에 강력한 간섭 방지 기능. 외부로부터 노이즈 간섭이 있을 때 거의 동시에 두 라인에 결합되고 수신단은 두 신호의 차이만 신경쓰게 됩니다. 따라서 외부 공통 모드 노이즈를 완전히 제거할 수 있습니다. NS. EMI를 효과적으로 억제할 수 있습니다. 같은 이유로 두 신호의 극성이 반대이기 때문에 두 신호에서 방출되는 전자기장이 서로를 상쇄할 수 있습니다. 결합이 더 단단할수록 외부 세계로 방출되는 전자기 에너지가 줄어듭니다. 씨. 타이밍 포지셔닝이 정확합니다. 차동 신호의 스위치 변경은 두 신호의 교차점에 위치하기 때문에 결정하기 위해 높은 임계 전압과 낮은 임계 전압에 의존하는 일반 단일 종단 신호와 달리 프로세스 및 온도의 영향을 덜 받습니다. 타이밍 오차를 줄인다. , 그러나 또한 낮은 진폭 신호 회로에 더 적합합니다. 현재 널리 사용되는 LVDS(저전압 차동 신호)는 이 작은 진폭 차동 신호 기술을 나타냅니다.

PCB 엔지니어에게 가장 큰 관심사는 차동 배선의 이러한 이점이 실제 배선에서 완전히 활용될 수 있도록 하는 방법입니다. Layout을 접해본 사람이라면 차동 배선의 일반적인 요구 사항, 즉 “동일한 길이 및 동일한 거리”를 이해할 수 있을 것입니다. 동일한 길이는 두 개의 차동 신호가 항상 반대 극성을 유지하도록 하고 공통 모드 구성 요소를 줄이기 위한 것입니다. 동일한 거리는 주로 둘의 차동 임피던스가 일정하고 반사를 줄이기 위한 것입니다. “가능한 한 가깝게”는 때때로 차동 배선의 요구 사항 중 하나입니다. 그러나 이러한 모든 규칙은 기계적으로 적용되는 데 사용되지 않으며 많은 엔지니어는 여전히 고속 차동 신호 전송의 본질을 이해하지 못하는 것 같습니다.

다음은 PCB 차동 신호 설계의 몇 가지 일반적인 오해에 중점을 둡니다.

오해 1: 차동 신호는 리턴 경로로 접지면이 필요하지 않거나 차동 트레이스가 서로에 대한 리턴 경로를 제공한다고 믿어집니다. 이러한 오해의 이유는 표면적인 현상에 의해 혼동되거나 고속 신호 전송의 메커니즘이 충분히 깊지 않기 때문입니다. 그림 1-8-15의 수신단 구조에서 트랜지스터 Q3과 Q4의 에미터 전류는 동일하고 반대이며 접지에서의 전류는 서로 정확히 상쇄되므로(I1=0) 차동 회로는 유사한 바운스와 전원 및 접지면에 존재할 수 있는 기타 노이즈 신호는 둔감합니다. 접지 플레인의 부분 리턴 제거가 차동 회로가 기준 플레인을 신호 리턴 경로로 사용하지 않는다는 것을 의미하지는 않습니다. 실제로 신호 반환 분석에서 차동 배선과 일반 단일 종단 배선의 메커니즘은 동일합니다. 즉, 고주파 신호는 항상 인덕턴스가 가장 작은 루프를 따라 리플 로우되며 가장 큰 차이점은 접지에 대한 결합, 차동 라인에도 상호 결합이 있습니다. 어떤 종류의 커플링이 강한지, 어느 쪽이 주요 복귀 경로가 됩니다. 그림 1-8-16은 단일 종단 신호와 차동 신호의 지자기장 분포의 개략도입니다.

PCB 회로 설계에서 차동 트레이스 간의 커플링은 일반적으로 작고 커플링 정도의 10~20%만 차지하는 경우가 많으며 접지에 대한 커플링이 더 많기 때문에 차동 트레이스의 주요 복귀 경로는 여전히 그라운드에 존재합니다. 비행기 . 접지면이 불연속적일 때 차동 트레이스 사이의 결합은 그림 1-8-17에서와 같이 기준면이 없는 영역에서 주 복귀 경로를 제공합니다. 차동 트레이스에 대한 참조 평면의 불연속성의 영향이 일반 단일 종단 트레이스만큼 심각하지는 않지만 여전히 차동 신호의 품질을 저하시키고 EMI를 증가시키므로 가능한 한 피해야 합니다. . 일부 설계자는 차동 전송에서 일부 공통 모드 신호를 억제하기 위해 차동 트레이스 아래의 기준 평면을 제거할 수 있다고 생각합니다. 그러나 이 접근 방식은 이론상 바람직하지 않습니다. 임피던스를 제어하는 ​​방법? 공통 모드 신호에 접지 임피던스 루프를 제공하지 않으면 필연적으로 EMI 방사가 발생합니다. 이 접근 방식은 득보다 실이 더 많습니다.

오해 2: 줄의 길이를 맞추는 것보다 간격을 동일하게 유지하는 것이 더 중요하다고 생각합니다. 실제 PCB 레이아웃에서는 차동 설계의 요구 사항을 동시에 충족할 수 없는 경우가 많습니다. 핀 분포, 비아 및 배선 공간이 있기 때문에 적절한 권선을 통해 선로 길이 일치의 목적을 달성해야 하지만 결과적으로 차동 쌍의 일부 영역은 평행할 수 없습니다. 이때 우리는 무엇을 해야 합니까? 어떤 선택? 결론을 내리기 전에 다음 시뮬레이션 결과를 살펴보자.

위의 시뮬레이션 결과로부터 Scheme 1과 Scheme 2의 파형은 거의 일치함을 알 수 있다. 즉, 이격 간격에 의한 영향이 최소화된다. 이에 비해 라인 길이 불일치가 타이밍에 미치는 영향은 훨씬 더 큽니다. (도식 3). 이론적 분석에서 불일치 간격으로 인해 차동 임피던스가 변경되지만 차동 쌍 자체 간의 결합이 중요하지 않기 때문에 임피던스 변경 범위도 일반적으로 10% 이내로 매우 작습니다. 이는 한 패스에 해당합니다. . 구멍으로 인한 반사는 신호 전송에 큰 영향을 미치지 않습니다. 라인 길이가 일치하지 않으면 타이밍 오프셋 외에도 공통 모드 구성 요소가 차동 신호에 도입되어 신호 품질이 저하되고 EMI가 증가합니다.

PCB 차동 트레이스 설계에서 가장 중요한 규칙은 일치하는 라인 길이이며 다른 규칙은 설계 요구 사항 및 실제 응용 프로그램에 따라 유연하게 처리될 수 있다고 말할 수 있습니다.

오해 3: 차동 배선이 매우 가깝다고 생각하십시오. 차동 트레이스를 가깝게 유지하는 것은 커플링을 향상시키는 것뿐 아니라 노이즈에 대한 내성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 자기장의 반대 극성을 최대한 활용하여 외부 세계에 대한 전자기 간섭을 상쇄합니다. 이 접근 방식은 대부분의 경우 매우 유용하지만 절대적인 것은 아닙니다. 외부 간섭으로부터 완전히 차폐되도록 할 수 있다면 간섭 방지를 위해 강력한 결합을 사용할 필요가 없습니다. 그리고 EMI를 억제하는 목적. 차동 트레이스의 우수한 격리 및 차폐를 어떻게 보장할 수 있습니까? 다른 신호 트레이스와의 간격을 늘리는 것은 가장 기본적인 방법 중 하나입니다. 전자기장 에너지는 거리의 제곱에 따라 감소합니다. 일반적으로 선간격이 선폭의 4배를 넘으면 이들 사이의 간섭이 극히 약하다. 무시할 수 있습니다. 또한 접지면에 의한 절연도 좋은 차폐 역할을 할 수 있습니다. 이 구조는 고주파(10G 이상) IC 패키지 PCB 설계에 자주 사용됩니다. 엄격한 차동 임피던스를 보장할 수 있는 CPW 구조라고 합니다. 그림 2-0-1와 같이 제어(8Z19).

차동 트레이스는 다른 신호 계층에서도 실행할 수 있지만 이 방법은 일반적으로 권장되지 않습니다. 다른 계층에서 생성된 임피던스와 비아의 차이가 차동 모드 전송의 효과를 파괴하고 공통 모드 노이즈를 도입하기 때문입니다. 또한 인접한 두 레이어가 단단히 결합되지 않으면 노이즈에 저항하는 차동 트레이스의 기능이 줄어들지만 주변 트레이스와 적절한 거리를 유지할 수 있다면 누화는 문제가 되지 않습니다. 일반 주파수(GHz 미만)에서 EMI는 심각한 문제가 되지 않습니다. 실험에 따르면 차동 트레이스에서 500mils 거리의 복사 에너지 감쇠가 60m 거리에서 3dB에 도달했으며 이는 FCC 전자기 복사 표준을 충족하기에 충분하므로 설계자는 너무 걱정할 필요가 없습니다. 불충분한 차동 라인 커플링으로 인한 전자기 비호환성에 대해 많이 설명합니다.

3. 서펜타인 라인

스네이크 라인은 레이아웃에서 자주 사용되는 라우팅 방법 유형입니다. 주요 목적은 시스템 타이밍 설계 요구 사항을 충족하도록 지연을 조정하는 것입니다. 설계자는 먼저 다음 사항을 이해해야 합니다. 구불구불한 선은 신호 품질을 파괴하고 전송 지연을 변경하며 배선 시 사용을 피하려고 합니다. 그러나 실제 설계에서는 신호가 충분한 유지 시간을 갖도록 하거나 동일한 신호 그룹 간의 시간 오프셋을 줄이기 위해 의도적으로 와이어를 감아야 하는 경우가 많습니다.

그렇다면 구불구불한 선은 신호 전송에 어떤 영향을 미칠까요? 배선 시 주의할 점은 무엇입니까? 두 가지 가장 중요한 매개변수는 그림 1-8-21에서와 같이 병렬 연결 길이(Lp)와 연결 거리(S)입니다. 분명히 신호가 구불구불한 트레이스로 전송될 때 병렬 라인 세그먼트는 차동 모드에서 결합됩니다. S가 작을수록 Lp가 클수록 결합 정도가 커집니다. 전송 지연이 줄어들 수 있으며, 누화로 인해 신호 품질이 크게 저하됩니다. 메커니즘은 3장의 공통 모드 및 차동 모드 누화 분석을 참조할 수 있습니다.

다음은 구불구불한 선을 다룰 때 레이아웃 엔지니어를 위한 몇 가지 제안 사항입니다.

1. 평행선 세그먼트의 거리(S)를 최소 3H보다 크게 늘리십시오. H는 신호 트레이스에서 기준 평면까지의 거리를 나타냅니다. 평신도의 용어로, 그것은 큰 굴곡을 우회하는 것입니다. S가 충분히 크면 상호 결합 효과를 거의 완전히 피할 수 있습니다. 2. 커플링 길이 Lp를 줄입니다. 이중 Lp 지연이 신호 상승 시간에 접근하거나 초과하면 생성된 누화가 포화 상태에 도달합니다. 3. Strip-Line 또는 Embedded Micro-strip의 구불구불한 선으로 인한 신호 전송 지연은 Micro-strip보다 적습니다. 이론적으로 스트립라인은 차동 모드 누화로 인해 전송 속도에 영향을 미치지 않습니다. 4. 고속 신호 라인과 엄격한 타이밍 요구 사항이 있는 신호 라인의 경우, 특히 좁은 영역에서 구불구불한 라인을 사용하지 마십시오. 5. 상호 결합을 효과적으로 줄일 수 있는 그림 1-8-20의 C 구조와 같이 어떤 각도에서도 구불구불한 트레이스를 사용할 수 있습니다. 6. 고속 PCB 설계에서 구불구불한 선은 소위 필터링 또는 간섭 방지 기능이 없으며 신호 품질을 저하시킬 수 있으므로 타이밍 일치에만 사용되며 다른 목적은 없습니다. 7. 때로는 권선을 위한 나선형 라우팅을 고려할 수 있습니다. 시뮬레이션은 그 효과가 일반적인 구불구불한 라우팅보다 낫다는 것을 보여줍니다.