레이아웃은 가장 기본적인 작업 기술 중 하나입니다. PCB 디자인 기사. 배선의 품질은 전체 시스템의 성능에 직접적인 영향을 미치므로 대부분의 고속 설계 이론은 최종적으로 Layout에 의해 구현되고 검증되어야 하므로 고속 PCB 설계에서 배선이 중요함을 알 수 있습니다. 다음은 실제 배선의 관점에서 몇 가지 상황이 발생할 수 있습니다, 그 합리성의 분석 및 몇 가지 더 최적화된 라우팅 전략을 제공합니다. 주로 직각 라인, 차이 라인, 스네이크 라인 등 세 가지 측면에서 정교합니다.

1. 직사각형 이동 라인

직각 배선은 일반적으로 PCB 배선의 상황을 피하기 위해 필요하며 배선 품질을 측정하는 표준 중 하나가 거의 되었으므로 직각 배선이 신호 전송에 얼마나 많은 영향을 미칩니 까? 원칙적으로 직각 배선은 전송 라인의 선폭을 변경하여 임피던스 불연속성을 초래합니다. 실제로 직각선 뿐만 아니라 ton Angle, 예각선도 임피던스 변화를 일으킬 수 있습니다.

신호에 대한 직각 정렬의 영향은 주로 세 가지 측면에서 반영됩니다. 첫째, 모서리가 전송 라인의 용량성 부하와 동일할 수 있으므로 상승 시간이 느려집니다. 둘째, 임피던스 불연속성은 신호 반사를 유발합니다. 셋째, 직각 팁에 의해 생성되는 EMI입니다.

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

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

위의 공식에서 C는 모서리의 등가 커패시턴스(pF), W는 라인의 너비(인치), ε R은 매체의 유전 상수, Z0는 전송의 특성 임피던스 선. 예를 들어, 4Mils 50ohm 전송 라인(εr 4.3)의 경우 직각의 커패시턴스는 약 0.0101pF이고 상승 시간 변동을 추정할 수 있습니다.

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

직각 배선으로 인한 정전 용량 효과가 매우 작다는 것을 계산에서 알 수 있습니다.

직각선의 선폭이 증가함에 따라 이 지점의 임피던스가 감소하므로 특정 신호 반사 현상이 발생합니다. 전송 선로 섹션에서 언급한 임피던스 계산 공식에 따라 선폭 증가 후 등가 임피던스를 계산한 다음 경험식에 따라 반사 계수를 계산할 수 있습니다. ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0), 임피던스가 7%-20% 사이에서 변하는 일반적인 직각 배선이므로 최대 반사 계수는 약 0.1입니다. 또한, 아래 그림에서 알 수 있듯이 전송선로 임피던스는 W/2 선로 길이 내에서 최소로 변화하다가 W/2 시간이 지나면 정상 임피던스로 복원됩니다. 전체 임피던스 변경 시간은 일반적으로 10ps 이내로 매우 짧습니다. 이러한 빠르고 작은 변화는 일반적인 신호 전송에서는 거의 무시할 수 있습니다.

많은 사람들이 이러한 직각 라우팅에 대한 이해를 가지고 있으며, 팁이 전자파를 쉽게 방출하거나 수신하여 EMI를 발생시키기 쉽다고 믿고, 이것이 많은 사람들이 직각 라우팅이 불가능하다고 생각하는 이유 중 하나가 되었습니다. 그러나 많은 실제 테스트 결과에 따르면 직각 라인은 직선보다 많은 EMI를 생성하지 않습니다. 아마도 현재 기기의 성능과 테스트 수준이 테스트의 정확도를 제한하지만 적어도 직각선의 방사가 기기 자체의 측정 오차보다 작다는 것을 보여줍니다. 일반적으로 직각 정렬은 보이는 것만큼 끔찍하지 않습니다. 적어도 GHz 미만의 애플리케이션에서는 커패시턴스, 반사, EMI 등과 같은 영향이 TDR 테스트에 거의 반영되지 않습니다. 고속 PCB 설계 엔지니어는 레이아웃, 전원/접지 설계, 배선 설계, 천공 등에 중점을 두어야 합니다. 물론 직각선의 영향이 그다지 심각하지는 않지만 직각선을 걸을 수 있다는 것은 아니지만 모든 우수한 엔지니어에게 세부 사항에 대한 관심은 필수 품질이며 디지털 회로의 급속한 발전과 함께 , 신호 주파수를 처리하는 PCB 엔지니어는 10 GHZ 이상의 RF 설계 분야로 계속 개선될 것입니다. 이러한 작은 직각은 고속 문제의 초점이 될 수 있습니다.

2. 차이

차동 신호는 고속 회로 설계에 널리 사용됩니다. 회로에서 가장 중요한 신호는 Differential Signal 설계입니다. PCB 설계에서 좋은 성능을 보장하는 방법은 무엇입니까? 이 두 가지 질문을 염두에 두고 논의의 다음 부분으로 넘어갑니다.

차동 신호란 무엇입니까? 일반 영어로 드라이버는 두 개의 등가 반전 신호를 보내고 수신기는 두 전압의 차이를 비교하여 논리 상태가 “0”인지 “1”인지 결정합니다. 차동 신호를 전달하는 한 쌍의 전선을 차동 전선이라고 합니다.

일반 단일 종단 신호 라우팅과 비교하여 차동 신호는 다음 세 가지 측면에서 가장 분명한 이점이 있습니다.

A. 강력한 간섭 방지 능력, 두 개의 차동 라인 사이의 결합이 매우 좋기 때문에 잡음 간섭이 있을 때 거의 동시에 두 라인에 결합되고 수신기는 두 신호의 차이만 신경쓰며, 따라서 외부 공통 모드 노이즈가 완전히 제거될 수 있습니다.

B. EMI를 효과적으로 억제할 수 있습니다. 유사하게, 두 신호의 극성이 반대이기 때문에 이들 신호에서 방출되는 전자기장은 서로를 상쇄할 수 있습니다. 커플링이 가까울수록 외부 세계로 방출되는 전자기 에너지가 줄어듭니다.

C. 타이밍 위치가 정확합니다. 차동 신호의 스위칭 변화는 고저 임계 전압으로 판단되는 일반적인 단일 종단 신호와 달리 두 신호의 교차점에 위치하므로 프로세스 및 온도의 영향을 덜 받아 타이밍 오류를 줄일 수 있고 더 적합합니다. 진폭 신호가 낮은 회로용. LVDS(저전압 차동 신호)는 이 작은 진폭 차동 신호 기술을 나타냅니다.

PCB 엔지니어에게 가장 중요한 관심사는 차동 라우팅의 이러한 이점이 실제 라우팅에서 완전히 활용될 수 있도록 하는 방법입니다. 아마도 레이아웃과 접촉하는 한 사람들은 차등 라우팅의 일반적인 요구 사항, 즉 “동일한 길이, 동일한 거리”를 이해할 것입니다. 아이소메트릭은 두 개의 차동 신호가 항상 반대 극성을 유지하도록 하고 공통 모드 구성 요소를 줄이는 것입니다. 아이소메트릭은 주로 동일한 차동 임피던스를 보장하고 반사를 줄이는 것입니다. “가능한 한 가깝게”는 때때로 차동 라우팅의 요구 사항 중 하나입니다. 그러나 이러한 규칙 중 어느 것도 기계적으로 적용되지 않으며 많은 엔지니어가 고속 차동 신호의 특성을 이해하지 못하는 것 같습니다. 다음은 PCB 차동 신호 설계의 몇 가지 일반적인 실수에 중점을 둡니다.

오해 1: 차동 신호는 역류 경로로 접지면이 필요하지 않거나 차동 라인이 서로 역류 경로를 제공한다고 생각합니다. 이 오해의 원인은 표면 현상으로 인해 혼동되거나 고속 신호 전송 메커니즘이 충분히 깊지 않습니다. 도 1의 수신단의 구조에서 알 수 있는 바와 같이. 도 8-15-3에서, 트랜지스터 Q4 및 Q1의 에미터 전류는 동등하고 반대이며 접합부에서의 전류는 서로 정확히 상쇄됩니다(I0=XNUMX). 따라서 차동 회로는 전원 공급 장치 및 접지면에 존재할 수 있는 유사한 접지 투영 및 기타 노이즈 신호에 둔감합니다. 접지면의 부분적인 역류 제거는 차동 회로가 기준면을 신호 반환 경로로 사용하지 않는다는 것을 의미하지 않습니다. 실제로 신호 역류 분석에서 차동 라우팅의 메커니즘은 일반 단일 종단 라우팅의 메커니즘과 동일합니다.

주파수 신호는 항상 인덕턴스가 가장 작은 회로를 따라 역류합니다. 가장 큰 차이점은 차동선이 지면과 연결될 뿐만 아니라 서로 연결된다는 점입니다. 강한 결합이 주요 역류 경로가 됩니다.

PCB 회로 설계에서 차동 배선 사이의 결합은 일반적으로 결합 정도의 10~20%만 차지하며 일반적으로 작고 결합의 대부분은 접지에 있으므로 차동 배선의 주요 역류 경로는 여전히 접지에 존재합니다. 비행기. 국부 평면에서 불연속의 경우, 차동 경로 간의 결합은 도 1에 도시된 바와 같이 기준 평면이 없는 영역에서 주요 역류 경로를 제공한다. 8-17-XNUMX. 차동 배선에 대한 참조 평면의 불연속성의 영향은 일반 단일 종단 배선만큼 심각하지 않지만 여전히 차동 신호의 품질을 저하시키고 EMI를 증가시키므로 가능한 한 피해야 합니다. 일부 설계자는 차동 전송 라인의 기준 평면을 제거하여 차동 전송에서 공통 모드 신호의 일부를 억제할 수 있다고 생각하지만 이론적으로 이러한 접근 방식은 바람직하지 않습니다. 임피던스를 제어하는 ​​방법? 공통 모드 신호에 대한 접지 임피던스 루프를 제공하지 않으면 EMI 방사가 발생하기 마련이며 이는 득보다 실이 더 많습니다.

오해 2: 동일한 간격을 유지하는 것이 줄 길이를 맞추는 것보다 더 중요합니다. 실제 PCB 배선에서는 차동 설계의 요구 사항을 충족하지 못하는 경우가 많습니다. 핀, 홀, 배선 공간 등의 분포로 인해 적절한 권선을 통해 선로 길이 매칭의 목적을 달성할 필요가 있지만, 그 결과 불가피하게 차이 쌍의 일부가 평행할 수 없으며, 이때 어떻게 선택? 결론을 내리기 전에 다음 시뮬레이션 결과를 살펴보겠습니다. 위의 시뮬레이션 결과에서 Scheme 1과 Scheme 2의 파형은 거의 일치함을 알 수 있습니다. . 이론적 분석의 관점에서 볼 때, 간격이 일정하지 않으면 임피던스 차이가 변경되지만 차이 쌍 자체 간의 결합이 크지 않기 때문에 임피던스 변화의 범위도 매우 작습니다. 일반적으로 10% 이내, 등가 신호 전송에 큰 영향을 미치지 않는 구멍으로 인한 반사. 라인 길이가 일치하지 않으면 시간 시퀀스 오프셋 외에도 공통 모드 구성 요소가 차동 신호에 도입되어 신호 품질이 감소하고 EMI가 증가합니다.

PCB 차동 배선 설계에서 가장 중요한 규칙은 라인 길이를 일치시키는 것이며 다른 규칙은 설계 요구 사항 및 실제 응용 프로그램에 따라 유연하게 처리될 수 있습니다.

오해 XNUMX: 차이 선이 매우 가깝다고 생각해야 합니다. 차이 라인을 서로 가깝게 유지하는 이유는 노이즈에 대한 내성을 개선하고 자기장의 반대 극성을 활용하여 외부 세계의 전자기 간섭을 상쇄하기 위해 결합을 증가시키는 것입니다. 이 접근 방식은 대부분의 경우 매우 유리하지만 절대적인 것은 아닙니다. 외부 간섭으로부터 완전히 차폐될 수 있다면 더 이상 서로 강력한 결합을 통해 간섭 방지 및 EMI 억제의 목적을 달성할 필요가 없습니다. 차동 라우팅이 우수한 절연 및 차폐 기능을 갖도록 하는 방법은 무엇입니까? 라인과 다른 신호 사이의 거리를 늘리는 것은 가장 기본적인 방법 중 하나입니다. 전자기장의 에너지는 거리의 제곱 관계에 따라 감소합니다. 일반적으로 선 사이의 거리가 선폭의 4배 이상인 경우에는 선간 간섭이 극히 약하여 기본적으로 무시할 수 있다. 또한 접지면을 통한 절연도 우수한 차폐 효과를 제공할 수 있습니다. 이 구조는 엄격한 차동 임피던스 제어(10Z2)를 보장하기 위해 CPW 구조로 알려진 고주파수(0G 이상) IC 패키지 PCB 설계에 자주 사용됩니다. 1-8-19.

차동 라우팅은 다른 신호 레이어에서도 수행할 수 있지만 일반적으로 권장되지 않는 이유는 다른 레이어의 임피던스 및 스루홀과 같은 차이가 차동 모드 전송 효과를 파괴하고 공통 모드 노이즈를 유발할 수 있기 때문입니다. 또한 인접한 두 레이어가 단단히 결합되지 않으면 노이즈에 저항하는 차동 라우팅 기능이 줄어들지만 주변 라우팅과 적절한 간격이 유지되면 누화는 문제가 되지 않습니다. 일반 주파수(GHz 이하)에서 EMI는 심각한 문제가 되지 않습니다. 실험에 따르면 500m를 초과하는 3Mils 거리의 차동 라인의 복사 에너지 감쇠가 60dB에 도달했으며 이는 FCC의 ELECTROMAGNETIC 복사 표준을 충족하기에 충분합니다. 따라서 설계자는 차동 라인의 불충분한 결합으로 인한 전자기 비호환성에 대해 너무 걱정할 필요가 없습니다.

3. 음흉한

구불구불한 선은 레이아웃에서 자주 사용됩니다. 주요 목적은 시간 지연을 조정하고 시스템 타이밍 설계의 요구 사항을 충족하는 것입니다. 설계자는 먼저 구불구불한 와이어가 신호 품질을 손상시키고 전송 지연을 변경하며 배선 시 피해야 한다는 점을 이해해야 합니다. 그러나 실제 설계에서는 신호의 충분한 유지 시간을 보장하거나 동일한 신호 그룹 간의 시간 오프셋을 줄이기 위해 의도적으로 권선을 수행해야 합니다.

그렇다면 사문석은 신호 전송을 위해 무엇을 합니까? 라인을 걸을 때 주의해야 할 점은 무엇인가요? 1개의 가장 중요한 매개변수는 도 8에 도시된 바와 같이 평행 결합 길이(Lp) 및 결합 거리(S)이다. 21-XNUMX-XNUMX. 분명히, 신호가 구불구불한 라인으로 전송될 때, 차동 모드의 형태로 평행한 라인 세그먼트 사이에 결합이 있을 것입니다. S가 작을수록 Lp가 커지고 결합도가 커집니다. 이는 공통 모드 및 차동 모드 누화 분석에 대해 3장에 설명된 대로 누화로 인해 전송 지연이 감소하고 신호 품질이 크게 저하될 수 있습니다.

다음은 구불구불한 모양을 다룰 때 레이아웃 엔지니어를 위한 몇 가지 팁입니다.

1. 평행선 세그먼트의 거리(S)를 늘리십시오. 최소 3H 이상이어야 합니다. H는 신호선에서 기준면까지의 거리를 나타냅니다. 일반적으로 큰 곡선을 취하는 것입니다. S가 충분히 크면 결합 효과를 거의 완전히 피할 수 있습니다.

2. 커플링 길이 Lp가 감소하면 Lp의 지연이 신호 상승 시간에 접근하거나 초과할 때 생성된 누화가 포화 상태에 도달합니다.

3. 스네이크 라인의 스트립 라인이나 임베디드 마이크로 스트립으로 인한 신호 전송 지연은 마이크로 스트립보다 작습니다. 이론적으로 리본 라인은 차동 모드 누화 때문에 전송 속도에 영향을 미치지 않습니다.

4. 타이밍에 대한 엄격한 요구 사항이 있는 고속 및 신호 라인의 경우 특히 작은 영역에서 구불구불한 라인을 걷지 마십시오.

5. 모든 각도에서 구불구불한 라우팅이 종종 채택될 수 있습니다. 도 1의 C 구조. 8-20-XNUMX은 서로 간의 결합을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

6. 고속 PCB 설계에서 사문석은 소위 필터링 또는 간섭 방지 기능이 없으며 신호 품질을 저하시킬 수 있으므로 타이밍 일치에만 사용되며 다른 용도로는 사용되지 않습니다.

7. 때로는 나선형 권선을 고려할 수 있습니다. 시뮬레이션은 그 효과가 일반적인 구불구불한 감기보다 더 낫다는 것을 보여줍니다.