Layout é uma das habilidades de trabalho mais básicas para engenheiros de projeto de PCB. A qualidade da fiação afetará diretamente o desempenho de todo o sistema. A maioria das teorias de design de alta velocidade deve ser finalmente implementada e verificada por meio do Layout. Pode-se ver que a fiação é muito importante em PCB de alta velocidade Projeto. A seguir irá analisar a racionalidade de algumas situações que podem ser encontradas na fiação real e fornecer algumas estratégias de roteamento mais otimizadas.

É explicado principalmente a partir de três aspectos: fiação em ângulo reto, fiação diferencial e fiação em serpentina.

1. Roteamento em ângulo reto

A fiação em ângulo reto é geralmente uma situação que precisa ser evitada tanto quanto possível na fiação de PCB e quase se tornou um dos padrões para medir a qualidade da fiação. Então, quanta influência a fiação em ângulo reto terá na transmissão do sinal? Em princípio, o roteamento em ângulo reto mudará a largura da linha de transmissão, causando descontinuidade na impedância. Na verdade, não apenas o roteamento em ângulo reto, mas também cantos e roteamento em ângulo agudo podem causar alterações de impedância.

A influência do roteamento em ângulo reto no sinal se reflete principalmente em três aspectos:

Uma é que o canto pode ser equivalente à carga capacitiva na linha de transmissão, o que diminui o tempo de subida; a segunda é que a descontinuidade da impedância causará reflexão do sinal; o terceiro é o EMI gerado pela ponta do ângulo reto.

A capacitância parasitária causada pelo ângulo reto da linha de transmissão pode ser calculada pela seguinte fórmula empírica:

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

Na fórmula acima, C se refere à capacitância equivalente do canto (unidade: pF), W se refere à largura do traço (unidade: polegada), εr se refere à constante dielétrica do meio e Z0 é a impedância característica da linha de transmissão. Por exemplo, para uma linha de transmissão de 4Mils 50 ohm (εr é 4.3), a capacitância trazida por um ângulo reto é de cerca de 0.0101pF e, em seguida, a mudança de tempo de subida causada por isso pode ser estimada:

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

Pode-se ver através do cálculo que o efeito da capacitância trazido pelo traçado do ângulo reto é extremamente pequeno.

À medida que a largura da linha do traço do ângulo reto aumenta, a impedância diminui, de modo que ocorre um certo fenômeno de reflexão do sinal. Podemos calcular a impedância equivalente após o aumento da largura da linha de acordo com a fórmula de cálculo da impedância mencionada no capítulo da linha de transmissão e, em seguida, calcular o coeficiente de reflexão de acordo com a fórmula empírica:

ρ = (Zs-Z0) / (Zs + Z0)

Geralmente, a mudança de impedância causada pela fiação em ângulo reto é entre 7% -20%, então o coeficiente de reflexão máximo é cerca de 0.1. Além disso, como pode ser visto na figura abaixo, a impedância da linha de transmissão muda para o mínimo dentro do comprimento da linha W / 2, e então retorna à impedância normal após o tempo de W / 2. Todo o tempo de alteração da impedância é extremamente curto, geralmente dentro de 10ps. No interior, essas mudanças rápidas e pequenas são quase desprezíveis para a transmissão geral do sinal.

Muitas pessoas têm esse entendimento de fiação em ângulo reto. Eles acham que a ponta é fácil de transmitir ou receber ondas eletromagnéticas e gerar EMI. Esse se tornou um dos motivos pelos quais muitas pessoas pensam que a fiação em ângulo reto não pode ser roteada. No entanto, muitos resultados de testes reais mostram que traços em ângulo reto não produzirão EMI óbvia do que linhas retas. Talvez o desempenho do instrumento atual e o nível de teste restrinjam a precisão do teste, mas pelo menos ilustra um problema. A radiação da fiação em ângulo reto já é menor do que o erro de medição do próprio instrumento.

Em geral, o roteamento em ângulo reto não é tão terrível quanto se imagina. Pelo menos em aplicações abaixo de GHz, quaisquer efeitos como capacitância, reflexão, EMI, etc. dificilmente são refletidos no teste TDR. Os engenheiros de projeto de PCB de alta velocidade ainda devem se concentrar no layout, projeto de energia / aterramento e projeto de fiação. Via orifícios e outros aspectos. Obviamente, embora o impacto da fiação em ângulo reto não seja muito sério, isso não significa que todos possamos usar fiação em ângulo reto no futuro. A atenção aos detalhes é a qualidade básica que todo bom engenheiro deve ter. Além disso, com o rápido desenvolvimento de circuitos digitais, PCB A frequência do sinal processado pelos engenheiros continuará a aumentar. No campo do projeto de RF acima de 10 GHz, esses pequenos ângulos retos podem se tornar o foco de problemas de alta velocidade.

2. Roteamento diferencial

O sinal diferencial (DifferentialSignal) é cada vez mais usado em projetos de circuitos de alta velocidade. O sinal mais crítico no circuito é geralmente projetado com uma estrutura diferencial. O que o torna tão popular? Como garantir seu bom desempenho no design de PCB? Com essas duas perguntas, passamos para a próxima parte da discussão.

O que é um sinal diferencial? Em termos leigos, a extremidade motriz envia dois sinais iguais e invertidos, e a extremidade receptora julga o estado lógico “0” ou “1” comparando a diferença entre as duas tensões. O par de traços que transportam sinais diferenciais é denominado traços diferenciais.

Em comparação com os traços de sinal de terminação única comuns, os sinais diferenciais têm as vantagens mais óbvias nos três aspectos a seguir:

uma. Forte capacidade anti-interferência, porque o acoplamento entre os dois traços diferenciais é muito bom. Quando há interferência de ruído de fora, eles estão quase acoplados às duas linhas ao mesmo tempo, e a extremidade receptora só se preocupa com a diferença entre os dois sinais. Portanto, o ruído de modo comum externo pode ser completamente cancelado. b. Pode efetivamente suprimir EMI. Pelo mesmo motivo, devido à polaridade oposta dos dois sinais, os campos eletromagnéticos irradiados por eles podem se anular mutuamente. Quanto mais forte for o acoplamento, menos energia eletromagnética será liberada para o mundo exterior. c. O posicionamento do tempo é preciso. Como a mudança de switch do sinal diferencial está localizada na interseção dos dois sinais, ao contrário do sinal de terminação única comum, que depende das tensões de limite alto e baixo para determinar, é menos afetado pelo processo e pela temperatura, que pode reduzir o erro no tempo. , Mas também mais adequado para circuitos de sinal de baixa amplitude. O LVDS popular atual (lowvoltagedifferentialsignaling) refere-se a essa tecnologia de sinal diferencial de pequena amplitude.

Para engenheiros de PCB, a maior preocupação é como garantir que essas vantagens da fiação diferencial possam ser totalmente utilizadas na fiação real. Talvez quem já tenha entrado em contato com o Layout entenda os requisitos gerais da fiação diferencial, ou seja, “comprimento igual e distância igual”. O comprimento igual é para garantir que os dois sinais diferenciais mantenham polaridades opostas o tempo todo e reduzam o componente de modo comum; a distância igual é principalmente para garantir que as impedâncias diferenciais dos dois sejam consistentes e reduzam os reflexos. “O mais próximo possível” às vezes é um dos requisitos da fiação diferencial. Mas todas essas regras não são usadas para aplicação mecânica, e muitos engenheiros parecem ainda não entender a essência da transmissão de sinal diferencial de alta velocidade.

A seguir se concentra em vários mal-entendidos comuns no design de sinal diferencial de PCB.

Incompreensão 1: Acredita-se que o sinal diferencial não precisa de um plano de terra como caminho de retorno, ou que os traços diferenciais fornecem um caminho de retorno para o outro. A razão para esse mal-entendido é que eles são confundidos por fenômenos superficiais, ou o mecanismo de transmissão de sinal em alta velocidade não é profundo o suficiente. Pode-se ver a partir da estrutura da extremidade receptora da Figura 1-8-15 que as correntes do emissor dos transistores Q3 e Q4 são iguais e opostas, e suas correntes no solo se cancelam exatamente (I1 = 0), então o o circuito diferencial é bounces semelhantes e outros sinais de ruído que podem existir nos planos de alimentação e terra são insensíveis. O cancelamento do retorno parcial do plano de terra não significa que o circuito diferencial não use o plano de referência como caminho de retorno do sinal. Na verdade, na análise de retorno de sinal, o mecanismo de fiação diferencial e fiação comum de terminação única é o mesmo, ou seja, os sinais de alta frequência são sempre Reflow ao longo do loop com a menor indutância, a maior diferença é que além de o acoplamento ao solo, a linha diferencial também possui acoplamento mútuo. Qual tipo de acoplamento é forte, qual se torna o principal caminho de retorno. A Figura 1-8-16 é um diagrama esquemático da distribuição do campo geomagnético de sinais de terminação única e sinais diferenciais.

No projeto de circuito de PCB, o acoplamento entre os traços diferenciais é geralmente pequeno, muitas vezes respondendo por apenas 10 a 20% do grau de acoplamento, e mais é o acoplamento ao solo, então o caminho de retorno principal do traço diferencial ainda existe no solo plano . Quando o plano de aterramento é descontínuo, o acoplamento entre os traços diferenciais fornecerá o caminho de retorno principal na área sem um plano de referência, conforme mostrado na Figura 1-8-17. Embora a influência da descontinuidade do plano de referência no traço diferencial não seja tão séria quanto a do traço comum de terminação única, ainda assim reduzirá a qualidade do sinal diferencial e aumentará a EMI, o que deve ser evitado tanto quanto possível . Alguns projetistas acreditam que o plano de referência sob o traço diferencial pode ser removido para suprimir alguns sinais de modo comum na transmissão diferencial. No entanto, esta abordagem não é desejável em teoria. Como controlar a impedância? Não fornecer um loop de impedância de aterramento para o sinal de modo comum inevitavelmente causará radiação EMI. Essa abordagem faz mais mal do que bem.

Incompreensão 2: Acredita-se que manter o espaçamento igual é mais importante do que igualar o comprimento da linha. No layout de PCB real, muitas vezes não é possível atender aos requisitos de design diferencial ao mesmo tempo. Devido à existência de distribuição de pinos, vias e espaço de fiação, o objetivo da correspondência do comprimento da linha deve ser alcançado através do enrolamento adequado, mas o resultado deve ser que algumas áreas do par diferencial não podem ser paralelas. O que devemos fazer neste momento? Qual escolha? Antes de tirar conclusões, vamos dar uma olhada nos seguintes resultados da simulação.

A partir dos resultados da simulação acima, pode-se verificar que as formas de onda do Esquema 1 e Esquema 2 são quase coincidentes, ou seja, a influência causada pelo espaçamento desigual é mínima. Em comparação, a influência da incompatibilidade do comprimento da linha no tempo é muito maior. (Esquema 3). A partir da análise teórica, embora o espaçamento inconsistente vá fazer com que a impedância diferencial mude, porque o acoplamento entre o par diferencial em si não é significativo, a faixa de mudança de impedância também é muito pequena, geralmente dentro de 10%, o que é apenas equivalente a uma passagem . A reflexão causada pelo furo não terá um impacto significativo na transmissão do sinal. Uma vez que o comprimento da linha não corresponda, além do deslocamento de tempo, os componentes do modo comum são introduzidos no sinal diferencial, o que reduz a qualidade do sinal e aumenta a EMI.

Pode-se dizer que a regra mais importante no projeto de traços diferenciais de PCB é a correspondência do comprimento da linha, e outras regras podem ser tratadas com flexibilidade de acordo com os requisitos do projeto e aplicações práticas.

Incompreensão 3: Pense que a fiação do diferencial deve estar muito próxima. Manter os traços diferenciais próximos nada mais é do que melhorar seu acoplamento, que pode não apenas melhorar a imunidade ao ruído, mas também fazer uso total da polaridade oposta do campo magnético para compensar a interferência eletromagnética para o mundo exterior. Embora essa abordagem seja muito benéfica na maioria dos casos, não é absoluta. Se pudermos garantir que eles estejam totalmente protegidos contra interferência externa, não precisaremos usar um forte acoplamento para obter a anti-interferência. E o objetivo de suprimir EMI. Como podemos garantir um bom isolamento e blindagem de traços diferenciais? Aumentar o espaçamento com outros traços de sinal é uma das maneiras mais básicas. A energia do campo eletromagnético diminui com o quadrado da distância. Geralmente, quando o espaçamento da linha excede 4 vezes a largura da linha, a interferência entre eles é extremamente fraca. Pode ser ignorado. Além disso, o isolamento pelo plano de aterramento também pode desempenhar um bom papel de blindagem. Esta estrutura é freqüentemente usada em projetos de PCBs de pacotes de IC de alta frequência (acima de 10G). É chamada de estrutura CPW, que pode garantir impedância diferencial estrita. Controle (2Z0), conforme mostrado na Figura 1-8-19.

Os traços diferenciais também podem ser executados em diferentes camadas de sinal, mas esse método geralmente não é recomendado, porque as diferenças na impedância e nas vias produzidas por diferentes camadas destruirão o efeito da transmissão do modo diferencial e introduzirão o ruído do modo comum. Além disso, se as duas camadas adjacentes não estiverem fortemente acopladas, isso reduzirá a capacidade do traço diferencial de resistir ao ruído, mas se você puder manter uma distância adequada dos traços circundantes, a diafonia não será um problema. Em frequências gerais (abaixo de GHz), EMI não será um problema sério. Experimentos mostraram que a atenuação da energia irradiada a uma distância de 500 mils de um traço diferencial atingiu 60 dB a uma distância de 3 metros, o que é suficiente para atender ao padrão de radiação eletromagnética da FCC, portanto, o projetista não precisa se preocupar também muito sobre a incompatibilidade eletromagnética causada por acoplamento de linha diferencial insuficiente.

3. Linha serpentina

Snake line é um tipo de método de roteamento frequentemente usado no Layout. Seu objetivo principal é ajustar o atraso para atender aos requisitos de design de temporização do sistema. O projetista deve primeiro ter este entendimento: a linha em serpentina destruirá a qualidade do sinal, mudará o atraso de transmissão e tentará evitar seu uso durante a fiação. No entanto, no projeto real, para garantir que o sinal tenha tempo de espera suficiente ou para reduzir o deslocamento de tempo entre o mesmo grupo de sinais, muitas vezes é necessário enrolar deliberadamente o fio.

Então, que efeito a linha serpentina tem na transmissão do sinal? O que devo prestar atenção ao fazer a fiação? Os dois parâmetros mais críticos são o comprimento de acoplamento paralelo (Lp) e a distância de acoplamento (S), conforme mostrado na Figura 1-8-21. Obviamente, quando o sinal é transmitido no traço serpentino, os segmentos de linha paralela serão acoplados em modo diferencial. Quanto menor o S e quanto maior o Lp, maior o grau de acoplamento. Isso pode fazer com que o atraso de transmissão seja reduzido e a qualidade do sinal seja bastante reduzida devido à diafonia. O mecanismo pode se referir à análise do modo comum e da diafonia do modo diferencial no Capítulo 3.

A seguir estão algumas sugestões para engenheiros de layout ao lidar com linhas serpentinas:

1. Tente aumentar a distância (S) dos segmentos de linha paralela, pelo menos maior que 3H, H refere-se à distância do traço do sinal ao plano de referência. Em termos leigos, é contornar uma grande curva. Contanto que S seja grande o suficiente, o efeito de acoplamento mútuo pode ser quase completamente evitado. 2. Reduza o comprimento do acoplamento Lp. Quando o atraso Lp duplo se aproxima ou excede o tempo de aumento do sinal, a diafonia gerada atingirá a saturação. 3. O atraso de transmissão do sinal causado pela linha serpentina da Strip-Line ou Micro-strip incorporada é menor do que o da Micro-strip. Em teoria, o stripline não afetará a taxa de transmissão devido ao modo de diafonia diferencial. 4. Para linhas de sinal de alta velocidade e aquelas com requisitos de temporização estritos, tente não usar linhas em serpentina, especialmente em áreas pequenas. 5. Freqüentemente, você pode usar traços de serpentina em qualquer ângulo, como a estrutura C na Figura 1-8-20, o que pode reduzir efetivamente o acoplamento mútuo. 6. No design de PCB de alta velocidade, a linha serpentina não tem a chamada capacidade de filtragem ou anti-interferência e pode apenas reduzir a qualidade do sinal, por isso é usada apenas para correspondência de tempo e não tem outra finalidade. 7. Às vezes, você pode considerar o roteamento em espiral para enrolamento. A simulação mostra que seu efeito é melhor do que o roteamento serpentino normal.