Layout é uma das habilidades de trabalho mais básicas de Design PCB engenheiro. A qualidade da fiação afetará diretamente o desempenho de todo o sistema, a maior parte da teoria do projeto de alta velocidade deve ser finalmente realizada e verificada pelo Layout, para que possa ser visto que a fiação é crucial no projeto de PCB de alta velocidade. O seguinte será em vista da fiação real pode encontrar algumas situações, análise de sua racionalidade, e dar alguma estratégia de roteamento mais otimizada. Principalmente a partir da linha de ângulo certa, linha de diferença, linha de cobra e assim por diante, três aspectos para elaborar.

1. Retangular go line

A fiação em ângulo reto geralmente é necessária para evitar a situação na fiação de PCB e quase se tornou um dos padrões para medir a qualidade da fiação, portanto, quanto impacto a fiação em ângulo reto terá na transmissão do sinal? Em princípio, a fiação em ângulo reto mudará a largura da linha de transmissão, resultando em descontinuidade de impedância. Na verdade, não apenas a linha de Ângulo reto, a linha de Ângulo de tonalidade e a linha de Ângulo agudo podem causar alterações de impedância.

A influência do alinhamento em ângulo reto no sinal se reflete principalmente em três aspectos: primeiro, o canto pode ser equivalente à carga capacitiva na linha de transmissão, diminuindo o tempo de subida; Em segundo lugar, a descontinuidade da impedância causará reflexão do sinal; Terceiro, EMI gerado pela ponta Angle direita.

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 no canto (pF), W se refere à largura da linha (polegada), ε R se refere à constante dielétrica do meio e Z0 é a impedância característica da transmissão linha. Por exemplo, para uma linha de transmissão 4Mils 50 ohm (εr 4.3), a capacitância de um ângulo reto é de cerca de 0.0101pF, e a variação do tempo de subida pode ser estimada:

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

Pode ser visto a partir do cálculo que o efeito da capacitância trazido pela fiação em ângulo reto é extremamente pequeno.

Conforme a largura da linha do ângulo reto aumenta, a impedância neste ponto diminuirá, então haverá 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 na seção de linhas de transmissão, e então calcular o coeficiente de reflexão de acordo com a fórmula empírica: ρ = (Zs-Z0) / (Zs + Z0), a fiação geral em ângulo reto resultando em alterações de impedância entre 7% -20%, portanto, o coeficiente de reflexão máximo é de 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 restaura a impedância normal após o tempo W / 2. O tempo para toda a mudança de impedância é muito curto, geralmente dentro de 10ps. Uma mudança tão rápida e pequena é quase desprezível para a transmissão geral do sinal.

Muitas pessoas têm essa compreensão de roteamento em ângulo reto, acreditando que a ponta é fácil de emitir ou receber ondas eletromagnéticas e produzir EMI, o que se tornou um dos motivos pelos quais muitas pessoas pensam que o roteamento em ângulo reto não é possível. No entanto, muitos resultados de testes práticos mostram que a linha do ângulo reto não produz muito EMI do que a linha reta. Talvez o desempenho do instrumento atual e o nível de teste restrinjam a precisão do teste, mas pelo menos mostra que a radiação da linha do ângulo reto é menor do que o erro de medição do próprio instrumento. Em geral, o alinhamento em ângulo reto não é tão terrível quanto pode parecer. Pelo menos em aplicações abaixo de GHz, quaisquer efeitos como capacitância, reflexão, EMI, etc. quase não são refletidos nos testes TDR. O engenheiro de projeto de PCB de alta velocidade deve se concentrar no layout, projeto de energia / aterramento, projeto de fiação, perfuração, etc. Embora, é claro, os efeitos da linha ir retangular não sejam muito sérios, mas não quer dizer que possamos andar na linha angular correta, a atenção aos detalhes é a qualidade essencial para todos os bons engenheiros e, com o rápido desenvolvimento dos circuitos digitais , Engenheiros de PCB processamento de frequência de sinal também continuarão a melhorar, para mais de 10 campo de design de RF GHZ, Esses pequenos ângulos retos podem se tornar o foco de problemas de alta velocidade.

2. Diferença de

O sinal diferencial é amplamente utilizado em projetos de circuitos de alta velocidade. O sinal mais importante em um circuito é o projeto do sinal diferencial. Como garantir seu bom desempenho no design de PCB? Com essas duas questões em mente, passamos para a próxima parte de nossa discussão.

O que é um sinal diferencial? Em inglês simples, o driver envia dois sinais equivalentes e inversos, e o receptor compara a diferença entre as duas tensões para determinar se o estado lógico é “0” ou “1”. O par de fios que transportam sinais diferenciais é chamado de fios diferenciais.

Comparado com o roteamento de sinal de terminação única comum, o sinal diferencial tem as vantagens mais óbvias nos três aspectos a seguir:

A. Forte capacidade anti-interferência, porque o acoplamento entre duas linhas diferenciais é muito bom, quando há interferência de ruído, eles são quase acoplados a duas linhas ao mesmo tempo, e o receptor só se preocupa com a diferença entre os dois sinais, portanto, o ruído de modo comum externo pode ser completamente cancelado.

B. Ele pode efetivamente suprimir EMI. Da mesma forma, como dois sinais são de polaridade oposta, o campo eletromagnético irradiado por eles pode cancelar um ao outro. Quanto mais próximo estiver o acoplamento, menos energia eletromagnética será liberada para o mundo exterior.

C. O posicionamento do tempo é preciso. Uma vez que a mudança de comutação de sinais diferenciais está localizada na interseção de dois sinais, ao contrário dos sinais comuns de terminação única que são julgados por tensões de limite alto e baixo, ela é menos afetada pelo processo e pela temperatura, o que pode reduzir erros de temporização e é mais adequado para circuitos com sinais de baixa amplitude. LVDS (sinalização diferencial de baixa tensão) refere-se a esta tecnologia de sinal diferencial de pequena amplitude.

Para engenheiros de PCB, a preocupação mais importante é como garantir que essas vantagens do roteamento diferencial possam ser totalmente utilizadas no roteamento real. Talvez enquanto estiver em contato com o Layout as pessoas vão entender os requisitos gerais de roteamento diferencial, ou seja, “comprimento igual, distância igual”. Isométrico é para garantir que os dois sinais diferenciais sempre mantenham a polaridade oposta, reduza o componente de modo comum; Isométrico é principalmente para garantir a mesma impedância diferencial, reduzir a reflexão. “O mais próximo possível” às vezes é um dos requisitos para roteamento diferencial. Mas nenhuma dessas regras deve ser aplicada mecanicamente, e muitos engenheiros parecem não entender a natureza da sinalização diferencial de alta velocidade. A seguir se concentra em vários erros comuns no projeto de sinal diferencial de PCB.

Equívoco 1: Os sinais diferenciais não precisam de um plano de aterramento como caminho de refluxo ou pense que as linhas diferenciais fornecem um caminho de refluxo entre si. A causa desse mal-entendido é confundida pelo fenômeno da superfície, ou o mecanismo de transmissão do sinal em alta velocidade não é profundo o suficiente. Como pode ser visto a partir da estrutura da extremidade receptora na FIG. 1-8-15, as correntes do emissor dos transistores Q3 e Q4 são equivalentes e opostas, e suas correntes na junção se anulam exatamente (I1 = 0). Portanto, o circuito diferencial é insensível a projéteis de aterramento semelhantes e outros sinais de ruído que possam existir na fonte de alimentação e no plano de aterramento. O cancelamento parcial do refluxo do plano de terra não significa que o circuito diferencial não tome o plano de referência como o caminho de retorno do sinal. Na verdade, na análise de refluxo de sinal, o mecanismo de roteamento diferencial é o mesmo do roteamento de extremidade única comum, ou seja, alto

O sinal de frequência sempre flui de volta ao longo do circuito com a menor indutância. A maior diferença reside no fato de que a linha diferencial não só possui acoplamento ao solo, mas também acoplamento entre si. O forte acoplamento torna-se o principal caminho de refluxo.

No projeto de circuito de PCB, o acoplamento entre a fiação diferencial é geralmente pequeno, geralmente respondendo por apenas 10 ~ 20% do grau de acoplamento, e a maior parte do acoplamento é com o aterramento, portanto, o caminho de refluxo principal da fiação diferencial ainda existe no solo plano. No caso de descontinuidade no plano local, o acoplamento entre as rotas diferenciais fornece o caminho de refluxo principal na região sem plano de referência, como mostrado na FIG. 1-8-17. Embora o impacto da descontinuidade do plano de referência na fiação diferencial não seja tão sério quanto o da fiação de ponta única comum, 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 da linha de transmissão diferencial pode ser removido para suprimir parte do sinal de modo comum na transmissão diferencial, mas teoricamente esta abordagem não é desejável. Como controlar a impedância? Sem fornecer loop de impedância de aterramento para o sinal de modo comum, a radiação EMI provavelmente será causada, o que causa mais danos do que benefícios.

Mito 2: Manter um espaçamento igual é mais importante do que combinar o comprimento da linha. Na fiação de PCB real, muitas vezes é incapaz de atender aos requisitos de projeto diferencial. Devido à distribuição de pinos, orifícios, espaço de fiação e outros fatores, é necessário atingir o objetivo de correspondência de comprimento de linha por meio de enrolamento apropriado, mas o resultado é inevitavelmente parte do par de diferença não pode ser paralelo, neste momento, como escolher? Antes de tirarmos conclusões precipitadas, vamos dar uma olhada nos resultados da simulação a seguir. Pode ser visto a partir dos resultados da simulação acima que as formas de onda do esquema 1 e do esquema 2 quase coincidem, ou seja, a influência do espaçamento desigual é mínima, e a influência da incompatibilidade do comprimento da linha é muito maior na sequência de tempo (Esquema 3) . Do ponto de vista da análise teórica, embora o espaçamento inconsistente vá levar às mudanças de impedância de diferença, mas porque o acoplamento entre o par de diferença em si não é significativo, então a faixa de mudanças de impedância também é muito pequena, geralmente dentro de 10%, apenas equivalente a uma reflexão causada por um furo, que não causará impacto significativo na transmissão do sinal. Uma vez que o comprimento da linha é incompatível, além do deslocamento da sequência 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 fiação diferencial de PCB é combinar o comprimento da linha, e outras regras podem ser tratadas com flexibilidade de acordo com os requisitos de projeto e aplicações práticas.

Equívoco três: acho que a linha de diferença deve confiar muito perto. O objetivo de manter as linhas de diferença próximas nada mais é do que aumentar seu acoplamento, tanto para melhorar sua imunidade ao ruído quanto para aproveitar a polaridade oposta do campo magnético para cancelar a interferência eletromagnética do mundo exterior. Embora essa abordagem seja muito favorável na maioria dos casos, não é absoluta. Se eles puderem ser totalmente protegidos contra interferência externa, não precisamos mais atingir o objetivo de anti-interferência e supressão de EMI por meio de forte acoplamento um com o outro. Como garantir que o roteamento diferencial tenha bom isolamento e blindagem? Aumentar a distância entre as linhas e outros sinais é uma das formas mais básicas. A energia do campo eletromagnético diminui com a relação quadrada da distância. Geralmente, quando a distância entre as linhas é mais de 4 vezes a largura da linha, a interferência entre elas é extremamente fraca e pode ser basicamente ignorada. Além disso, o isolamento através do plano de aterramento também pode fornecer um bom efeito de blindagem. Esta estrutura é frequentemente usada em projetos de PCB empacotados de IC de alta frequência (acima de 10G), conhecidos como a estrutura CPW, para garantir o controle de impedância diferencial estrito (2Z0), FIG. 1-8-19.

O roteamento diferencial também pode ser realizado em diferentes camadas de sinal, mas geralmente não é recomendado, porque diferenças como impedância e orifícios de passagem em diferentes camadas podem destruir o efeito de transmissão do modo diferencial e introduzir ruído de modo comum. Além disso, se as duas camadas adjacentes não estiverem fortemente acopladas, a capacidade do roteamento diferencial de resistir ao ruído será reduzida, mas a diafonia não é um problema se o espaçamento adequado for mantido com o roteamento circundante. Na frequência geral (abaixo de GHz), EMI não será um problema sério. Experimentos mostram que a atenuação da energia de radiação de linhas diferenciais com distância de 500Mils além de 3 metros atingiu 60dB, o que é suficiente para atender o padrão de radiação ELETROMAGNÉTICA da FCC. Portanto, os projetistas não precisam se preocupar muito com a incompatibilidade eletromagnética causada pelo acoplamento insuficiente de linhas diferenciais.

3. serpentina

Uma linha serpentina é freqüentemente usada no Layout. Seu principal objetivo é ajustar o atraso de tempo e atender aos requisitos de design de temporização do sistema. Os projetistas devem primeiro entender que o fio de serpentina destruirá a qualidade do sinal, alterará o atraso de transmissão e deve ser evitado durante a fiação. No entanto, no projeto prático, a fim de garantir tempo de espera suficiente dos sinais, ou para reduzir o deslocamento de tempo entre o mesmo grupo de sinais, o enrolamento deve ser executado deliberadamente.

Então, o que a serpentina faz para sinalizar a transmissão? O que devo prestar atenção ao caminhar na linha? Os dois parâmetros mais críticos são o comprimento de acoplamento paralelo (Lp) e a distância de acoplamento (S), como mostrado na FIG. 1-8-21. Obviamente, quando o sinal for transmitido em linha serpentina, haverá acoplamento entre segmentos de linha paralela na forma de modo de diferença. Quanto menor for S, maior será Lp e maior será o grau de acoplamento. Isso pode resultar em atrasos de transmissão reduzidos e uma redução significativa na qualidade do sinal devido ao crosstalk, conforme descrito no capítulo 3 para a análise do modo comum e do modo diferencial crosstalk.

Aqui estão algumas dicas para engenheiros de layout ao lidar com serpentinas:

1. Tente aumentar a distância (S) do segmento de linha paralela, que é pelo menos maior que 3H. H refere-se à distância da linha de sinal ao plano de referência. De um modo geral, é uma curva grande. Contanto que S seja grande o suficiente, o efeito de acoplamento pode ser quase completamente evitado.

2. Quando o comprimento de acoplamento Lp é reduzido, a diafonia gerada atingirá a saturação quando o atraso de Lp duas vezes se aproximar ou exceder o tempo de aumento do sinal.

3. O atraso de transmissão do sinal causado pela linha de faixa ou micro faixa incorporada em forma de cobra é menor do que a da microfita. Teoricamente, a linha da fita não afeta a taxa de transmissão devido ao modo de diafonia diferencial.

4. Para linhas de alta velocidade e de sinal com requisitos estritos de temporização, tente não andar em linhas sinuosas, especialmente em uma área pequena.

5. O roteamento serpentino em qualquer ângulo pode ser freqüentemente adotado. A estrutura C na FIG. 1-8-20 pode reduzir efetivamente o acoplamento entre si.

6. No design de PCB de alta velocidade, a 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 nenhum outro propósito.

7. Às vezes, o enrolamento em espiral pode ser considerado. A simulação mostra que seu efeito é melhor do que o enrolamento serpentino normal.