Layout er en av de mest grunnleggende arbeidskunnskapene til PCB-design ingeniør. The quality of wiring will directly affect the performance of the whole system, most of the high-speed design theory must be finally realized and verified by Layout, so it can be seen that wiring is crucial in high-speed PCB design. Følgende vil bli tatt i betraktning av den faktiske ledningen kan støte på noen situasjoner, analyse av dens rasjonalitet og gi en mer optimalisert rutingstrategi. Mainly from the right Angle line, difference line, snake line and so on three aspects to elaborate.

1. Rektangulær go line

Rettvinklet ledning er generelt nødvendig for å unngå situasjonen i PCB-ledninger, og har nesten blitt en av standardene for å måle kvaliteten på ledninger, så hvor stor innvirkning vil rettvinklede ledninger ha på signaloverføring? I prinsippet vil rettvinklet ledning endre linjebredden til overføringslinjen, noe som resulterer i impedansdiskontinuitet. Faktisk kan ikke bare høyre vinkel linje, tonn vinkel, spiss vinkel linje forårsake impedansendringer.

Innflytelsen fra rettvinkeljustering på signal reflekteres hovedsakelig i tre aspekter: For det første kan hjørnet være ekvivalent med den kapasitive belastningen på overføringslinjen, noe som reduserer stigningstiden; For det andre vil impedansdiskontinuitet forårsake signalrefleksjon; For det tredje, EMI generert av høyre vinkelspiss.

Den parasittiske kapasitansen forårsaket av høyre vinkel på overføringslinjen kan beregnes med følgende empiriske formel:

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

In the above formula, C refers to the equivalent capacitance at the corner (pF), W refers to the width of the line (inch), ε R refers to the dielectric constant of the medium, and Z0 is the characteristic impedance of the transmission line. For eksempel, for en 4Mils 50 ohm transmisjonslinje (εr 4.3), er kapasitansen til en rett vinkel omtrent 0.0101pF, og stigningstidsvariasjonen kan estimeres:

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

Det kan sees av beregningen at kapasitanseeffekten som følge av rettvinklede ledninger er ekstremt liten.

Etter hvert som linjebredden til den rettvinklede linjen øker, vil impedansen på dette punktet avta, så det vil være et visst signalrefleksjonsfenomen. Vi kan beregne ekvivalent impedans etter at linjebredden øker i henhold til impedansberegningsformelen nevnt i delen av overføringslinjer, og deretter beregne refleksjonskoeffisienten i henhold til den empiriske formelen: ρ = (Zs-Z0)/(Zs+Z0), den generelle rettvinklede ledningen som resulterer i impedansendringer mellom 7%-20%, så maksimal refleksjonskoeffisient er omtrent 0.1. Videre, som det fremgår av figuren nedenfor, endres overføringslinjens impedans til et minimum innenfor lengden på W/2 -linjen, og gjenoppretter deretter til den normale impedansen etter W/2 -tid. Tiden for hele impedansendringen er veldig kort, vanligvis innen 10ps. En så rask og liten endring er nesten ubetydelig for den generelle signaloverføringen.

Mange mennesker har en slik forståelse av ruting i rett vinkel, og tror at spissen er lett å avgi eller motta elektromagnetiske bølger og produsere EMI, noe som har blitt en av grunnene til at mange tror at rettvinklet ruting ikke er mulig. Imidlertid viser mange praktiske testresultater at rettvinklet linje ikke gir mye EMI enn rett linje. Kanskje den nåværende instrumentytelsen og testnivået begrenser testens nøyaktighet, men i det minste viser det at strålingen til en rettvinklet linje er mindre enn målefeilen til selve instrumentet. Generelt er rettvinkeljustering ikke så forferdelig som det kan virke som. I hvert fall i applikasjoner under GHz, reflekteres nesten ingen effekter som kapasitans, refleksjon, EMI, etc. i TDR -tester. Designingeniøren for høyhastighets PCB bør fokusere på layout, kraft/bakkedesign, ledningsdesign, perforering, etc. Selv om effekten av en rektangulær strømlinje selvfølgelig ikke er veldig alvorlig, men ikke vil si at vi kan gå rett vinkel, er oppmerksomhet på detaljer den viktigste kvaliteten for alle gode ingeniører, og med den raske utviklingen av digitale kretser , Vil PCB -ingeniører behandle signalfrekvensen også fortsette å forbedre seg til mer enn 10 GHZ RF -designfelt, Disse små rette vinklene kan bli fokus for høyhastighetsproblemer.

2. Forskjell mellom

DifferenTIal Signal brukes mye i høyhastighets kretsdesign. Det viktigste signalet i en krets er DifferenTIal Signal design. Hvordan sikre god ytelse i PCB -design? Med disse to spørsmålene i tankene, går vi videre til neste del av diskusjonen.

Hva er et differensialsignal? På vanlig engelsk sender driveren to ekvivalente og inverterende signaler, og mottakeren sammenligner forskjellen mellom de to spenningene for å avgjøre om den logiske tilstanden er “0” eller “1”. Paret ledninger som bærer differensialsignaler kalles differensialtråder.

Sammenlignet med vanlig single-ended signalruting, har differensialsignal de mest åpenbare fordelene i følgende tre aspekter:

A. Sterk anti-interferens evne, fordi koblingen mellom to differensiallinjer er veldig bra, når det er støyinterferens, er de nesten koblet til to linjer samtidig, og mottakeren bryr seg bare om forskjellen mellom de to signalene, slik at ekstern fellesmodusstøy kan avbrytes helt.

B. Det kan effektivt undertrykke EMI. På samme måte, fordi to signaler har motsatt polaritet, kan det elektromagnetiske feltet som utstråles av dem avbryte hverandre. Jo nærmere koblingen er, desto mindre elektromagnetisk energi frigjøres til omverdenen.

C. Tidsposisjonering er nøyaktig. Siden bytteendringen av differensialsignaler er plassert i skjæringspunktet mellom to signaler, i motsetning til vanlige en-endede signaler som dømmes av høye og lave terskelspenninger, påvirkes det mindre av prosess og temperatur, noe som kan redusere tidsfeil og er mer egnet for kretser med lav amplitude -signaler. LVDS (low voltage differenTIalsignaling) refererer til denne teknologien med liten amplitude -differensialsignal.

For PCB -ingeniører er den viktigste bekymringen hvordan man sikrer at disse fordelene med differensiell ruting kan utnyttes fullt ut i selve ruting. Kanskje så lenge det er i kontakt med layout vil folk forstå de generelle kravene til differensiell ruting, det vil si “like lengde, like avstand”. Isometric is to ensure that the two differential signals always maintain opposite polarity, reduce the common mode component; Isometrisk er hovedsakelig for å sikre samme differensialimpedans, redusere refleksjon. “Så nært som mulig” er noen ganger et av kravene for differensiell ruting. But none of these rules are meant to be applied mechanically, and many engineers do not seem to understand the nature of high-speed differential signalling. Følgende fokuserer på flere vanlige feil i design av PCB -differensialsignaler.

Misforståelse 1: Differensialsignaler trenger ikke bakkeplan som tilbakestrømningsbane, eller tror at differensiallinjer gir tilbakestrømningsbane for hverandre. Årsaken til denne misforståelsen er forvirret av overflatefenomenet, eller mekanismen for høyhastighets signaloverføring er ikke dyp nok. Som det fremgår av strukturen til mottaksenden på fig. 1-8-15, er emitterstrømmene til transistorer Q3 og Q4 ekvivalente og motsatte, og strømmen i krysset avbryter nøyaktig hverandre (I1 = 0). Derfor er differensialkretsen ufølsom for lignende jordprosjekter og andre støysignaler som kan eksistere i strømforsyningen og jordplanet. Den delvise tilbakestrømningen av jordplanet betyr ikke at differensialkretsen ikke tar referanseplanet som signalreturbanen. Faktisk, i signal tilbakestrømningsanalyse, er mekanismen for differensial ruting den samme som for vanlig single-end routing, nemlig høy

Frekvenssignalet strømmer alltid tilbake langs kretsen med den minste induktansen. Den største forskjellen ligger i at differanselinjen ikke bare har kobling til bakken, men også har kobling mellom hverandre. Den sterke koblingen blir den viktigste tilbakestrømningsbanen.

I PCB -kretsutforming er koblingen mellom differensialledninger generelt liten, og utgjør vanligvis bare 10 ~ 20% av koplingsgraden, og det meste av koblingen er til bakken, så den viktigste tilbakestrømningsbanen til differensialledninger eksisterer fortsatt i bakken fly. I tilfelle av diskontinuitet i lokalplanet, gir koblingen mellom differensialruter hovedstrømbanen i området uten referanseplan, som vist på fig. 1-8-17. Although the impact of the discontinuity of the reference plane on differential wiring is not as serious as that of ordinary single-end wiring, it will still reduce the quality of differential signal and increase EMI, which should be avoided as far as possible. Noen designere mener at referanseplanet til linjen for differensialoverføring kan fjernes for å undertrykke en del av fellesmodus -signalet i differensialoverføring, men teoretisk sett er denne tilnærmingen ikke ønskelig. Hvordan kontrollere impedansen? Uten å gi jordimpedanssløyfe for signal i vanlig modus, må EMI-stråling forårsakes, noe som gjør mer skade enn godt.

Myte 2: Opprettholde lik avstand er viktigere enn matchende linjelengde. I selve PCB -ledningen er den ofte ikke i stand til å oppfylle kravene til differensiell design. På grunn av fordelingen av pinner, hull og ledningsrom og andre faktorer, er det nødvendig å oppnå formålet med linjelengdeavstemning gjennom passende vikling, men resultatet er uunngåelig en del av forskjellsparet kan ikke være parallelt på nåværende tidspunkt, hvordan å velge? La oss ta en titt på følgende simuleringsresultater før vi går til konklusjoner. Det kan ses fra simuleringsresultatene ovenfor at bølgeformer i skjema 1 og skjema 2 nesten er sammenfallende, det vil si at påvirkningen av ulik avstand er minimal, og påvirkningen av linjelengdeforskjell er mye større på tidssekvensen (skjema 3) . Fra perspektivet av teoretisk analyse, selv om den inkonsekvente avstanden vil føre til forskjellen i impedansendringer, men fordi koblingen mellom differanseparet i seg selv ikke er signifikant, så er omfanget av impedansendringer også veldig lite, vanligvis innen 10%, bare ekvivalent til en refleksjon forårsaket av et hull, som ikke vil ha vesentlig innvirkning på signaloverføringen. Når linjelengden er feil, i tillegg til tidssekvensforskyvning, blir fellesmoduskomponenter introdusert i differensialsignalet, noe som reduserer signalkvaliteten og øker EMI.

Det kan sies at den viktigste regelen i PCB -differensialledningsdesign er å matche linjelengden, og andre regler kan håndteres fleksibelt i henhold til designkravene og praktiske applikasjoner.

Misforståelse tre: tror forskjell linje må stole på veldig nært. Poenget med å holde differanselinjene tett sammen er ikke annet enn å øke koblingen, både for å forbedre deres immunitet mot støy og å dra fordel av den motsatte polariteten til magnetfeltet for å avbryte elektromagnetisk interferens fra omverdenen. Selv om denne tilnærmingen er veldig gunstig i de fleste tilfeller, er den ikke absolutt. Hvis de kan beskyttes fullt ut mot ekstern interferens, trenger vi ikke å oppnå formålet med anti-interferens og EMI-undertrykkelse gjennom sterk kobling med hverandre lenger. Hvordan sikre at differensialruting har god isolasjon og skjerming? Å øke avstanden mellom linjene og andre signaler er en av de mest grunnleggende måtene. Energien til det elektromagnetiske feltet avtar med avstandens kvadratforhold. Vanligvis, når avstanden mellom linjene er mer enn 4 ganger linjebredden, er interferensen mellom dem ekstremt svak og kan ignoreres i utgangspunktet. I tillegg kan isolasjonen gjennom grunnplanet også gi en god skjermingseffekt. Denne strukturen brukes ofte i høyfrekvente (over 10G) IC-pakkede PCB-design, kjent som CPW-strukturen, for å sikre streng differensialimpedansstyring (2Z0), FIG. 1-8-19.

Differensiell ruting kan også utføres i forskjellige signallag, men dette anbefales vanligvis ikke, fordi forskjeller som impedans og gjennom hull i forskjellige lag kan ødelegge differensialmodusoverføringseffekten og introdusere felles modusstøy. I tillegg, hvis de to tilstøtende lagene ikke er tett koblet, vil differensialrutingens evne til å motstå støy reduseres, men krysstale er ikke et problem hvis riktig avstand opprettholdes med den omkringliggende ruten. Generelt vil frekvensen (under GHz) ikke være et alvorlig problem. Eksperimenter viser at strålingsenergidempningen av differensiallinjer med en avstand på 500Mils utover 3 meter har nådd 60dB, noe som er nok til å oppfylle ELECTROMAGNETIC -strålingsstandarden til FCC. Derfor trenger ikke designere å bekymre seg for mye om elektromagnetisk inkompatibilitet forårsaket av utilstrekkelig kobling av differensiallinjer.

3. serpentin

En serpentinlinje brukes ofte i Layout. Hovedformålet er å justere tidsforsinkelsen og oppfylle kravene til systemtidsdesign. Designere bør først forstå at serpentintråd vil ødelegge signalkvaliteten, endre overføringsforsinkelsen og bør unngås ved ledninger. I praktisk design må imidlertid viklingen bevisst utføres for å sikre tilstrekkelig holdetid for signaler eller for å redusere tidsforskyvningen mellom den samme gruppen av signaler.

So what does the serpentine do to signal transmission? Hva skal jeg være oppmerksom på når jeg går på linjen? De to mest kritiske parameterne er parallell koblingslengde (Lp) og koblingsavstand (S), som vist på fig. 1-8-21. Tydeligvis, når signalet overføres i serpentinlinje, vil det være kobling mellom parallelle linjesegmenter i form av differansemodus. Jo mindre S er, jo større Lp er, og jo større vil koblingsgraden være. Dette kan resultere i reduserte overføringsforsinkelser og en signifikant reduksjon i signalkvaliteten på grunn av krysstale, som beskrevet i kapittel 3 for analyse av fellesmodus og differensialmodusoverføring.

Her er noen tips for layout -ingeniører når de arbeider med serpentiner:

1. Prøv å øke avstanden (S) til det parallelle linjesegmentet, som er minst større enn 3H. H refererer til avstanden fra signallinjen til referanseplanet. Generelt sett er det å ta en stor kurve. Så lenge S er stor nok, kan koblingseffekten nesten helt unngås.

2. Når koblingslengden Lp reduseres, vil den genererte krysstale nå metning når forsinkelsen til Lp to ganger nærmer seg eller overstiger signalstigningstiden.

3. Signaloverføringsforsinkelsen forårsaket av den slangelignende Line of strip-line eller Embedded micro-strip er mindre enn for micro-strip. Teoretisk påvirker ikke båndlinjen overføringshastigheten på grunn av krysstale i differensialmodus.

4. For høyhastighets- og signallinjer med strenge krav til timing, prøv å ikke gå serpentinske linjer, spesielt i et lite område.

5. Serpentinruting i alle vinkler kan ofte brukes. C -strukturen på fig. 1-8-20 kan effektivt redusere koblingen mellom hverandre.

6. I høyhastighets PCB-design har serpentine ingen såkalt filtrering eller anti-interferens evne, og kan bare redusere signalkvaliteten, så den brukes bare til timing matching og ingen andre formål.

7. Noen ganger kan spiralvikling vurderes. Simulering viser at effekten er bedre enn vanlig serpentinvikling.