Lay-out is een van de meest elementaire werkvaardigheden van PCB-ontwerp ingenieur. De kwaliteit van de bedrading heeft een directe invloed op de prestaties van het hele systeem, het grootste deel van de high-speed ontwerptheorie moet uiteindelijk worden gerealiseerd en geverifieerd door Layout, dus het is duidelijk dat bedrading cruciaal is in high-speed PCB-ontwerp. Het volgende zal zijn met het oog op de feitelijke bedrading die in sommige situaties kan voorkomen, de rationaliteit ervan kan analyseren en een meer geoptimaliseerde routeringsstrategie kan geven. Voornamelijk van de juiste hoeklijn, verschillijn, slanglijn enzovoort drie aspecten om uit te werken.

1. Rechthoekige go-lijn

Haakse bedrading is over het algemeen vereist om de situatie in PCB-bedrading te vermijden, en is bijna een van de normen geworden om de kwaliteit van bedrading te meten, dus hoeveel impact zal haakse bedrading hebben op de signaaloverdracht? In principe zal haakse bedrading de lijnbreedte van de transmissielijn veranderen, wat resulteert in impedantiediscontinuïteit. In feite kan niet alleen een rechte hoeklijn, tonhoek, scherpe hoeklijn impedantieveranderingen veroorzaken.

De invloed van haakse uitlijning op het signaal wordt voornamelijk weerspiegeld in drie aspecten: ten eerste kan de hoek gelijk zijn aan de capacitieve belasting op de transmissielijn, waardoor de stijgtijd wordt vertraagd; Ten tweede zal impedantiediscontinuïteit signaalreflectie veroorzaken; Ten derde, EMI gegenereerd door de rechte hoekpunt.

De parasitaire capaciteit veroorzaakt door de rechte hoek van de transmissielijn kan worden berekend met de volgende empirische formule:

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

In de bovenstaande formule verwijst C naar de equivalente capaciteit in de hoek (pF), W verwijst naar de breedte van de lijn (inch), ε R verwijst naar de diëlektrische constante van het medium en Z0 is de karakteristieke impedantie van de transmissie lijn. Voor een transmissielijn van 4Mils 50 ohm (εr 4.3) is de capaciteit van een rechte hoek bijvoorbeeld ongeveer 0.0101 pF en kan de variatie in de stijgtijd worden geschat:

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

Uit de berekening blijkt dat het capaciteitseffect van haakse bedrading extreem klein is.

Naarmate de lijnbreedte van een rechte hoeklijn toeneemt, zal de impedantie op dit punt afnemen, dus er zal een bepaald signaalreflectiefenomeen zijn. We kunnen de equivalente impedantie berekenen nadat de lijnbreedte toeneemt volgens de impedantieberekeningsformule die wordt vermeld in het gedeelte over transmissielijnen, en vervolgens de reflectiecoëfficiënt berekenen volgens de empirische formule: ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0), de algemene haakse bedrading resulteert in impedantieveranderingen tussen 7%-20%, dus de maximale reflectiecoëfficiënt is ongeveer 0.1. Bovendien, zoals te zien is in de onderstaande afbeelding, verandert de transmissielijnimpedantie naar het minimum binnen de lengte van W/2-lijn en herstelt vervolgens naar de normale impedantie na W/2-tijd. De tijd voor de hele impedantieverandering is erg kort, meestal binnen 10ps. Zo’n snelle en kleine verandering is bijna te verwaarlozen voor de algemene signaaloverdracht.

Veel mensen hebben zo’n goed begrip van haakse routering, in de veronderstelling dat de punt gemakkelijk elektromagnetische golven kan uitzenden of ontvangen en EMI kan produceren, wat een van de redenen is geworden waarom veel mensen denken dat haakse routering niet mogelijk is. Veel praktijktestresultaten laten echter zien dat een rechte lijn niet veel EMI produceert dan een rechte lijn. Misschien beperken de huidige instrumentprestaties en het testniveau de nauwkeurigheid van de test, maar het toont in ieder geval aan dat de straling van een rechte hoeklijn kleiner is dan de meetfout van het instrument zelf. Over het algemeen is uitlijning in een rechte hoek niet zo erg als het lijkt. In ieder geval in toepassingen onder GHz worden effecten zoals capaciteit, reflectie, EMI, enz. bijna niet weerspiegeld in TDR-tests. De ontwerpingenieur van high-speed PCB’s moet zich concentreren op lay-out, stroom-/aardingsontwerp, bedradingsontwerp, perforatie, enz. Hoewel de effecten van een rechthoekige go-lijn natuurlijk niet erg serieus zijn, maar dat wil niet zeggen dat we een rechte hoeklijn kunnen lopen, is aandacht voor detail de essentiële kwaliteit voor elke goede ingenieurs, en met de snelle ontwikkeling van digitale circuits , PCB-ingenieurs die de signaalfrequentie verwerken, zullen ook blijven verbeteren, tot meer dan 10 GHZ RF-ontwerpveld, Deze kleine rechte hoeken kunnen de focus worden van problemen met hoge snelheden.

2. Verschil van

DifferenTIeel signaal wordt veel gebruikt bij het ontwerpen van hogesnelheidscircuits. Het belangrijkste signaal in een circuit is het differentiële signaalontwerp. Hoe zorg je voor goede prestaties in PCB-ontwerp? Met deze twee vragen in gedachten gaan we verder met het volgende deel van onze discussie.

Wat is een differentieel signaal? In gewoon Engels verzendt de driver twee equivalente en inverterende signalen en de ontvanger vergelijkt het verschil tussen de twee spanningen om te bepalen of de logische status “0” of “1” is. Het paar draden dat differentiële signalen draagt, wordt differentiële draden genoemd.

Vergeleken met gewone single-ended signaalroutering, heeft differentieel signaal de meest voor de hand liggende voordelen in de volgende drie aspecten:

A. Sterk anti-interferentievermogen, omdat de koppeling tussen twee differentiële lijnen erg goed is, wanneer er ruisinterferentie is, zijn ze bijna tegelijkertijd gekoppeld aan twee lijnen, en de ontvanger geeft alleen om het verschil tussen de twee signalen, zodat de externe common-mode-ruis volledig kan worden geannuleerd.

B. Het kan EMI effectief onderdrukken. Evenzo, omdat twee signalen van tegengestelde polariteit zijn, kan het elektromagnetische veld dat ze uitstralen elkaar opheffen. Hoe dichter de koppeling is, hoe minder elektromagnetische energie wordt afgegeven aan de buitenwereld.

C. De positionering van de timing is nauwkeurig. Omdat de schakelverandering van differentiële signalen zich op het snijpunt van twee signalen bevindt, in tegenstelling tot gewone single-ended signalen die worden beoordeeld door hoge en lage drempelspanningen, wordt deze minder beïnvloed door proces en temperatuur, wat timingfouten kan verminderen en is meer geschikt voor circuits met signalen met een lage amplitude. LVDS (low voltage differentialsignaling) verwijst naar deze differentiële signaaltechnologie met kleine amplitude.

Voor PCB-ingenieurs is de belangrijkste zorg hoe ervoor te zorgen dat deze voordelen van differentiële routering volledig kunnen worden benut in de daadwerkelijke routering. Misschien zullen mensen, zolang het in contact is met Layout, de algemene vereisten van differentiële routering begrijpen, dat wil zeggen “gelijke lengte, gelijke afstand”. Isometrisch is om ervoor te zorgen dat de twee differentiële signalen altijd tegengestelde polariteit behouden, de common-mode-component verminderen; Isometrisch is voornamelijk om dezelfde differentiële impedantie te garanderen, reflectie te verminderen. “Zo dicht mogelijk” is soms een van de vereisten voor differentiële routering. Maar geen van deze regels is bedoeld om mechanisch te worden toegepast, en veel ingenieurs lijken de aard van differentiële signalering met hoge snelheid niet te begrijpen. Het volgende richt zich op een aantal veelvoorkomende fouten in het ontwerp van differentiële PCB’s.

Misvatting 1: Differentiële signalen hebben geen grondvlak nodig als terugstroompad, of denken dat differentiële lijnen een terugstroompad voor elkaar bieden. De oorzaak van dit misverstand wordt verward door het oppervlakteverschijnsel, of het mechanisme van snelle signaaloverdracht is niet diep genoeg. Zoals te zien is aan de structuur van het ontvangende uiteinde in FIG. 1-8-15 zijn de emitterstromen van de transistoren Q3 en Q4 equivalent en tegengesteld, en hun stroom op de kruising annuleert elkaar precies (I1=0). Daarom is het differentieelcircuit ongevoelig voor soortgelijke aardprojectielen en andere ruissignalen die in de voeding en het aardingsvlak aanwezig kunnen zijn. De gedeeltelijke terugstroomonderdrukking van het grondvlak betekent niet dat het differentieelcircuit niet het referentievlak als signaalretourpad neemt. In feite is het mechanisme van differentiële routering bij signaalterugstroomanalyse hetzelfde als dat van gewone single-end routering, namelijk hoge

Het frequentiesignaal vloeit altijd terug langs het circuit met de kleinste inductantie. Het grootste verschil is dat de verschillijn niet alleen een koppeling met de grond heeft, maar ook een koppeling tussen elkaar. De sterke koppeling wordt het belangrijkste terugstroompad.

In PCB-circuitontwerp is de koppeling tussen differentiële bedrading over het algemeen klein, meestal goed voor slechts 10 ~ 20% van de koppelingsgraad, en het grootste deel van de koppeling is naar de grond, dus het belangrijkste terugstroompad van differentiële bedrading bestaat nog steeds in de grond vlak. In het geval van discontinuïteit in het lokale vlak zorgt de koppeling tussen differentiële routes voor het hoofdterugstroompad in het gebied zonder referentievlak, zoals getoond in FIG. 1-8-17. Hoewel de impact van de discontinuïteit van het referentievlak op differentiële bedrading niet zo ernstig is als die van gewone single-end bedrading, zal het toch de kwaliteit van het differentiële signaal verminderen en EMI verhogen, wat zoveel mogelijk moet worden vermeden. Sommige ontwerpers zijn van mening dat het referentievlak van de lijn van differentiële transmissie kan worden verwijderd om een ​​deel van het common-mode-signaal bij differentiële transmissie te onderdrukken, maar theoretisch is deze benadering niet wenselijk. Hoe de impedantie te regelen? Zonder een aardimpedantielus voor common-mode-signalen te leveren, zal EMI-straling ongetwijfeld worden veroorzaakt, wat meer kwaad dan goed doet.

Mythe 2: Het handhaven van gelijke afstanden is belangrijker dan het afstemmen van de lijnlengte. In de eigenlijke PCB-bedrading kan deze vaak niet voldoen aan de vereisten van differentieel ontwerp. Vanwege de verdeling van pinnen, gaten en bedradingsruimte en andere factoren, is het noodzakelijk om het doel van lijnlengte-aanpassing te bereiken door de juiste wikkeling, maar het resultaat is onvermijdelijk dat een deel van het verschilpaar niet parallel kan zijn, op dit moment, hoe kiezen? Laten we, voordat we conclusies trekken, eens kijken naar de volgende simulatieresultaten. Uit de bovenstaande simulatieresultaten blijkt dat de golfvormen van schema 1 en schema 2 bijna samenvallen, dat wil zeggen dat de invloed van ongelijke afstand minimaal is en dat de invloed van mismatch in lijnlengte veel groter is op de timingvolgorde (schema 3) . Vanuit het perspectief van theoretische analyse, hoewel de inconsistente afstand zal leiden tot de verschilimpedantieveranderingen, maar omdat de koppeling tussen het verschilpaar zelf niet significant is, is het bereik van impedantieveranderingen ook erg klein, meestal binnen 10%, alleen equivalent tot een reflectie veroorzaakt door een gat, die geen significante invloed zal hebben op de signaaloverdracht. Zodra de lijnlengte niet overeenkomt, worden naast de tijdsequentie-offset common-mode-componenten in het differentiële signaal geïntroduceerd, wat de signaalkwaliteit vermindert en de EMI verhoogt.

Er kan worden gezegd dat de belangrijkste regel bij het ontwerp van PCB-differentiële bedrading is om de lijnlengte aan te passen, en andere regels kunnen flexibel worden gehanteerd volgens de ontwerpvereisten en praktische toepassingen.

Misvatting drie: denk dat verschillijn heel dichtbij moet vertrouwen. Het punt van het dicht bij elkaar houden van de verschillijnen is niets meer dan hun koppeling te vergroten, zowel om hun immuniteit voor ruis te verbeteren als om te profiteren van de tegenovergestelde polariteit van het magnetische veld om elektromagnetische interferentie van de buitenwereld op te heffen. Hoewel deze benadering in de meeste gevallen zeer gunstig is, is deze niet absoluut. Als ze volledig kunnen worden afgeschermd tegen externe interferentie, hoeven we het doel van anti-interferentie en EMI-onderdrukking niet meer te bereiken door een sterke koppeling met elkaar. Hoe zorg je ervoor dat differentiële routering een goede isolatie en afscherming heeft? Het vergroten van de afstand tussen de lijnen en andere signalen is een van de meest elementaire manieren. De energie van het elektromagnetische veld neemt af met de kwadratische relatie van de afstand. Over het algemeen, wanneer de afstand tussen de lijnen meer dan 4 keer de lijnbreedte is, is de interferentie ertussen extreem zwak en kan deze in principe worden genegeerd. Daarnaast kan de isolatie door het grondvlak ook voor een goed afschermend effect zorgen. Deze structuur wordt vaak gebruikt in hoogfrequente (boven 10G) IC-verpakte PCB-ontwerpen, bekend als de CPW-structuur, om strikte differentiële impedantiecontrole (2Z0) te garanderen, FIG. 1-8-19.

Differentiële routering kan ook in verschillende signaallagen worden uitgevoerd, maar dit wordt over het algemeen niet aanbevolen, omdat verschillen zoals impedantie en doorgaande gaten in verschillende lagen het transmissie-effect van differentiële modus kunnen vernietigen en common-mode-ruis kunnen introduceren. Bovendien, als de twee aangrenzende lagen niet nauw zijn gekoppeld, zal het vermogen van differentiële routering om ruis te weerstaan ​​worden verminderd, maar overspraak is geen probleem als de juiste afstand wordt gehandhaafd met de omringende routering. In de algemene frequentie (onder GHz) zal EMI geen serieus probleem zijn. Experimenten tonen aan dat de stralingsenergieverzwakking van differentiële lijnen met een afstand van 500Mils voorbij 3 meter 60dB heeft bereikt, wat voldoende is om te voldoen aan de ELEKTROMAGNETISCHE stralingsnorm van FCC. Daarom hoeven ontwerpers zich niet al te veel zorgen te maken over elektromagnetische incompatibiliteit die wordt veroorzaakt door onvoldoende koppeling van differentiële lijnen.

3. serpentijn

In Layout wordt vaak een serpentinelijn gebruikt. Het belangrijkste doel is om de tijdvertraging aan te passen en te voldoen aan de vereisten van het ontwerp van de systeemtiming. Ontwerpers moeten eerst begrijpen dat serpentinedraad de signaalkwaliteit zal vernietigen, de transmissievertraging zal veranderen en moet worden vermeden bij het bedraden. In het praktische ontwerp moet echter, om voldoende houdtijd van signalen te garanderen, of om tijdverschuiving tussen dezelfde groep signalen te verminderen, opzettelijk worden gewikkeld.

Dus wat doet de serpentijn om transmissie te signaleren? Waar moet ik op letten bij het lopen van de lijn? De twee meest kritische parameters zijn parallelle koppelingslengte (Lp) en koppelingsafstand (S), zoals getoond in FIG. 1-8-21. Het is duidelijk dat wanneer het signaal in een serpentinelijn wordt verzonden, er een koppeling zal zijn tussen parallelle lijnsegmenten in de vorm van een verschilmodus. Hoe kleiner S is, hoe groter Lp is, en hoe groter de koppelingsgraad zal zijn. Dit kan resulteren in verminderde transmissievertragingen en een significante vermindering van de signaalkwaliteit als gevolg van overspraak, zoals beschreven in hoofdstuk 3 voor de analyse van common-mode en differential-mode overspraak.

Hier zijn enkele tips voor lay-outingenieurs bij het omgaan met serpentines:

1. Probeer de afstand (S) van het parallelle lijnsegment te vergroten, die in ieder geval groter is dan 3H. H verwijst naar de afstand van de signaallijn tot het referentievlak. Over het algemeen is het om een ​​​​grote bocht te nemen. Zolang S groot genoeg is, kan het koppelingseffect bijna volledig worden vermeden.

2. Wanneer de koppelingslengte Lp wordt verminderd, zal de gegenereerde overspraak verzadiging bereiken wanneer de vertraging van Lp tweemaal de signaalstijgtijd nadert of overschrijdt.

3. De vertraging van de signaaloverdracht die wordt veroorzaakt door de slangachtige lijn van striplijn of ingebedde microstrip is kleiner dan die van microstrip. Theoretisch heeft de lintlijn geen invloed op de transmissiesnelheid vanwege overspraak in differentiële modus.

4. Voor hogesnelheids- en signaallijnen met strikte eisen aan timing, probeer geen kronkelige lijnen te lopen, vooral niet in een klein gebied.

5. De serpentine-routing onder elke hoek kan vaak worden toegepast. De C-structuur in FIG. 1-8-20 kan de koppeling tussen elkaar effectief verminderen.

6. In high-speed PCB-ontwerp heeft serpentine geen zogenaamd filter- of anti-interferentievermogen en kan het alleen de signaalkwaliteit verminderen, dus het wordt alleen gebruikt voor timing-matching en geen ander doel.

7. Soms kan een spiraalwikkeling worden overwogen. Simulatie toont aan dat het effect beter is dan normale serpentinewikkeling.