Aspectul este una dintre cele mai de bază abilități de lucru pentru inginerii de proiectare PCB. Calitatea cablajului va afecta direct performanța întregului sistem. Cele mai multe teorii de proiectare de mare viteză trebuie să fie în sfârșit implementate și verificate prin Layout. Se poate observa că cablarea este foarte importantă în PCB de mare viteză proiecta. Următoarele vor analiza raționalitatea unor situații care pot fi întâlnite în cablarea reală și vor oferi câteva strategii de rutare mai optimizate.

Este explicat în principal din trei aspecte: cablare în unghi drept, cablare diferențială și cablare serpentină.

1. Dirijare în unghi drept

Cablajul în unghi drept este, în general, o situație care trebuie evitată cât mai mult posibil în cablarea PCB și aproape că a devenit unul dintre standardele pentru măsurarea calității cablajului. Deci câtă influență va avea cablarea în unghi drept asupra transmisiei semnalului? În principiu, rutarea în unghi drept va modifica lățimea liniei de transmisie, provocând discontinuitate în impedanță. De fapt, nu numai rutarea în unghi drept, ci și colțurile și rutarea în unghi ascuțit pot provoca modificări de impedanță.

Influența direcționării în unghi drept asupra semnalului se reflectă în principal în trei aspecte:

Una este că colțul poate fi echivalent cu sarcina capacitivă pe linia de transmisie, ceea ce încetinește timpul de creștere; a doua este că discontinuitatea impedanței va provoca reflectarea semnalului; al treilea este EMI generat de vârful în unghi drept.

Capacitatea parazită cauzată de unghiul drept al liniei de transmisie poate fi calculată prin următoarea formulă empirică:

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

În formula de mai sus, C se referă la capacitatea echivalentă a colțului (unitate: pF), W se referă la lățimea urmei (unitate: inch), εr se referă la constanta dielectrică a mediului și Z0 este impedanța caracteristică a liniei de transmisie. De exemplu, pentru o linie de transmisie de 4 Mils 50 ohmi (εr este 4.3), capacitatea adusă de un unghi drept este de aproximativ 0.0101pF, iar apoi modificarea timpului de creștere cauzată de aceasta poate fi estimată:

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

Se poate observa prin calcul că efectul de capacitate adus de urma în unghi drept este extrem de mic.

Pe măsură ce lățimea liniei urmei în unghi drept crește, impedanța acolo va scădea, astfel încât va avea loc un anumit fenomen de reflexie a semnalului. Putem calcula impedanța echivalentă după ce lățimea liniei crește conform formulei de calcul a impedanței menționate în capitolul linii de transmisie, apoi Calculați coeficientul de reflexie conform formulei empirice:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

În general, modificarea impedanței cauzată de cablarea în unghi drept este între 7%-20%, deci coeficientul de reflexie maxim este de aproximativ 0.1. Mai mult, așa cum se poate observa din figura de mai jos, impedanța liniei de transmisie se schimbă la minim pe lungimea liniei W/2, iar apoi revine la impedanța normală după timpul de W/2. Întregul timp de schimbare a impedanței este extrem de scurt, adesea în 10 ps. În interior, astfel de modificări rapide și mici sunt aproape neglijabile pentru transmisia generală a semnalului.

Mulți oameni au această înțelegere a cablajului în unghi drept. Ei cred că vârful este ușor de transmis sau recepționat unde electromagnetice și generează EMI. Acesta a devenit unul dintre motivele pentru care mulți oameni cred că cablurile în unghi drept nu pot fi direcționate. Cu toate acestea, multe rezultate reale ale testelor arată că urmele în unghi drept nu vor produce EMI evidente decât liniile drepte. Poate că performanța actuală a instrumentului și nivelul testului limitează acuratețea testului, dar cel puțin ilustrează o problemă. Radiația cablajului în unghi drept este deja mai mică decât eroarea de măsurare a instrumentului în sine.

În general, rutarea în unghi drept nu este atât de groaznică pe cât ne-am imaginat. Cel puțin în aplicațiile sub GHz, orice efecte precum capacitatea, reflexia, EMI etc. sunt cu greu reflectate în testarea TDR. Inginerii de proiectare a PCB-urilor de mare viteză ar trebui să se concentreze în continuare pe aspectul, proiectarea de alimentare/împământare și proiectarea cablajului. Prin găuri și alte aspecte. Desigur, deși impactul cablajului în unghi drept nu este foarte grav, aceasta nu înseamnă că toți putem folosi cablarea în unghi drept în viitor. Atenția la detalii este calitatea de bază pe care trebuie să o aibă orice inginer bun. Mai mult, odată cu dezvoltarea rapidă a circuitelor digitale, PCB Frecvența semnalului procesat de ingineri va continua să crească. În domeniul designului RF peste 10GHz, aceste mici unghiuri drepte pot deveni punctul central al problemelor de mare viteză.

2. Diferenţial de rutare

Semnalul diferențial (DifferentialSignal) este din ce în ce mai utilizat pe scară largă în proiectarea circuitelor de mare viteză. Cel mai critic semnal din circuit este adesea proiectat cu o structură diferențială. Ce îl face atât de popular? Cum să vă asigurați performanța bună în proiectarea PCB? Cu aceste două întrebări, trecem la următoarea parte a discuției.

Ce este un semnal diferențial? În termeni simpli, capătul de conducere trimite două semnale egale și inversate, iar capătul de recepție judecă starea logică „0” sau „1” comparând diferența dintre cele două tensiuni. Perechea de urme care transportă semnale diferențiale se numește urme diferențiale.

În comparație cu urmele de semnal obișnuite cu un singur capăt, semnalele diferențiale au cele mai evidente avantaje în următoarele trei aspecte:

A. Capacitate anti-interferență puternică, deoarece cuplarea dintre cele două urme diferențiale este foarte bună. Când există interferențe de zgomot din exterior, acestea sunt aproape cuplate la cele două linii în același timp, iar capătul de recepție îi pasă doar de diferența dintre cele două semnale. Prin urmare, zgomotul extern în modul comun poate fi complet anulat. b. Poate suprima eficient EMI. Din același motiv, din cauza polarității opuse a celor două semnale, câmpurile electromagnetice radiate de acestea se pot anula reciproc. Cu cât cuplajul este mai strâns, cu atât mai puțină energie electromagnetică este evacuată în lumea exterioară. c. Poziționarea în timp este precisă. Deoarece schimbarea comutatorului semnalului diferențial este situată la intersecția celor două semnale, spre deosebire de semnalul obișnuit cu un singur capăt, care depinde de tensiunile de prag înalte și joase pentru a determina, este mai puțin afectată de proces și temperatură, care poate reduce erorile de sincronizare. , Dar, de asemenea, mai potrivit pentru circuite de semnal cu amplitudine redusă. Actualul popular LVDS (lowvoltageddifferentialsignaling) se referă la această tehnologie de semnal diferenţial de amplitudine mică.

Pentru inginerii PCB, cea mai mare preocupare este cum să se asigure că aceste avantaje ale cablajului diferențial pot fi utilizate pe deplin în cablarea reală. Poate că oricine a fost în contact cu Layout va înțelege cerințele generale ale cablajului diferențial, adică „lungime egală și distanță egală”. Lungimea egală este pentru a se asigura că cele două semnale diferențiale mențin polarități opuse în orice moment și reduc componenta modului comun; distanța egală este în principal pentru a se asigura că impedanțele diferențiale ale celor două sunt consistente și reduc reflexiile. „Cât mai aproape posibil” este uneori una dintre cerințele cablajului diferențial. Dar toate aceste reguli nu sunt folosite pentru a se aplica mecanic și mulți ingineri par să nu înțeleagă încă esența transmisiei de semnal diferențial de mare viteză.

Următoarele se concentrează pe mai multe neînțelegeri comune în proiectarea semnalului diferențial PCB.

Neînțelegere 1: Se crede că semnalul diferențial nu are nevoie de un plan de masă ca cale de întoarcere sau că urmele diferențiale oferă o cale de întoarcere unul pentru celălalt. Motivul acestei neînțelegeri este că sunt confundați de fenomene superficiale sau mecanismul de transmitere a semnalului de mare viteză nu este suficient de profund. Din structura capătului de recepție din figura 1-8-15 se poate observa că curenții emițătorului tranzistorilor Q3 și Q4 sunt egali și opuși, iar curenții lor de la sol se anulează exact unul pe celălalt (I1=0), deci Circuitul diferențial este Resursurile similare și alte semnale de zgomot care pot exista pe planurile de putere și de masă sunt insensibile. Anularea parțială a revenirii planului de masă nu înseamnă că circuitul diferențial nu folosește planul de referință ca cale de întoarcere a semnalului. De fapt, în analiza returnării semnalului, mecanismul cablajului diferențial și al cablajului obișnuit cu un singur capăt este același, adică semnalele de înaltă frecvență sunt întotdeauna Reflow de-a lungul buclei cu cea mai mică inductanță, cea mai mare diferență este că, în plus față de cuplarea la sol, linia diferențială are și cuplare reciprocă. Ce fel de cuplare este puternică, care devine calea principală de întoarcere. Figura 1-8-16 este o diagramă schematică a distribuției câmpului geomagnetic al semnalelor cu un singur capăt și ale semnalelor diferențiale.

În proiectarea circuitului PCB, cuplarea dintre urmele diferențiale este în general mică, de multe ori reprezentând doar 10 până la 20% din gradul de cuplare, iar cuplarea la sol este mai mare, astfel încât calea principală de întoarcere a urmei diferențiale există încă pe sol. avion . Când planul de masă este discontinuu, cuplarea dintre urmele diferențiale va oferi calea principală de întoarcere în zona fără plan de referință, așa cum se arată în Figura 1-8-17. Deși influența discontinuității planului de referință asupra urmei diferențiale nu este la fel de gravă ca cea a urmei obișnuite cu un singur capăt, va reduce totuși calitatea semnalului diferențial și va crește EMI, ceea ce ar trebui evitat pe cât posibil. . Unii designeri cred că planul de referință de sub traseul diferențial poate fi îndepărtat pentru a suprima unele semnale de mod comun în transmisia diferențială. Cu toate acestea, această abordare nu este de dorit în teorie. Cum se controlează impedanța? Nefurnizarea unei bucle de impedanță de masă pentru semnalul de mod comun va provoca inevitabil radiații EMI. Această abordare face mai mult rău decât bine.

Neînțelegere 2: Se crede că păstrarea spațiilor egale este mai importantă decât potrivirea lungimii liniei. În configurația PCB reală, adesea nu este posibilă îndeplinirea cerințelor de proiectare diferențială în același timp. Datorită existenței distribuției pinii, a canalelor și a spațiului de cablare, scopul potrivirii lungimii liniei trebuie atins printr-o înfășurare adecvată, dar rezultatul trebuie să fie că unele zone ale perechii diferențiale nu pot fi paralele. Ce ar trebui să facem în acest moment? Care alegere? Înainte de a trage concluzii, să aruncăm o privire la următoarele rezultate ale simulării.

Din rezultatele de simulare de mai sus, se poate observa că formele de undă ale Schemei 1 și Schemei 2 sunt aproape coincidente, adică influența cauzată de distanțarea inegală este minimă. În comparație, influența nepotrivirii lungimii liniei asupra sincronizarii este mult mai mare. (Schema 3). Din analiza teoretică, deși distanța inconsecventă va determina modificarea impedanței diferențiale, deoarece cuplarea dintre perechea diferențială în sine nu este semnificativă, intervalul de modificare a impedanței este, de asemenea, foarte mic, de obicei în 10%, ceea ce este echivalent cu o singură trecere. . Reflexia cauzată de gaură nu va avea un impact semnificativ asupra transmisiei semnalului. Odată ce lungimea liniei nu se potrivește, pe lângă decalajul de timp, componentele de mod comun sunt introduse în semnalul diferenţial, ceea ce reduce calitatea semnalului și crește EMI.

Se poate spune că cea mai importantă regulă în proiectarea urmelor diferențiale PCB este lungimea liniei de potrivire, iar alte reguli pot fi gestionate în mod flexibil în conformitate cu cerințele de proiectare și aplicațiile practice.

Neînțelegere 3: Gândiți-vă că cablajul diferențial trebuie să fie foarte aproape. Menținerea apropiată a urmelor diferențiale nu este altceva decât să îmbunătățească cuplarea lor, ceea ce poate nu numai să îmbunătățească imunitatea la zgomot, ci și să folosească pe deplin polaritatea opusă a câmpului magnetic pentru a compensa interferența electromagnetică cu lumea exterioară. Deși această abordare este foarte benefică în majoritatea cazurilor, nu este absolută. Dacă ne putem asigura că sunt complet protejate de interferențe externe, atunci nu trebuie să folosim cuplaje puternice pentru a obține anti-interferență. Și scopul de a suprima EMI. Cum putem asigura o bună izolare și ecranare a urmelor diferențiale? Creșterea distanței cu alte urme de semnal este una dintre cele mai de bază modalități. Energia câmpului electromagnetic scade odată cu pătratul distanței. În general, atunci când distanța dintre linii depășește de 4 ori lățimea liniei, interferența dintre ele este extrem de slabă. Poate fi ignorat. În plus, izolarea de către planul de masă poate juca și un rol bun de ecranare. Această structură este adesea folosită în proiectarea PCB a pachetului IC de înaltă frecvență (peste 10G). Se numește structură CPW, care poate asigura impedanță diferențială strictă. Control (2Z0), așa cum se arată în Figura 1-8-19.

Urmele diferențiale pot rula și în diferite straturi de semnal, dar această metodă nu este, în general, recomandată, deoarece diferențele de impedanță și vias produse de diferite straturi vor distruge efectul transmisiei în mod diferențial și vor introduce zgomot în mod comun. În plus, dacă cele două straturi adiacente nu sunt strâns cuplate, se va reduce capacitatea urmei diferențiale de a rezista la zgomot, dar dacă puteți menține o distanță adecvată față de urmele din jur, diafonia nu este o problemă. La frecvențele generale (sub GHz), EMI nu va fi o problemă serioasă. Experimentele au arătat că atenuarea energiei radiate la o distanță de 500 mils de la o urmă diferențială a atins 60 dB la o distanță de 3 metri, ceea ce este suficient pentru a îndeplini standardul FCC de radiații electromagnetice, astfel încât proiectantul nu trebuie să-și facă griji. multe despre incompatibilitatea electromagnetică cauzată de cuplarea insuficientă a liniei diferențiale.

3. Linie serpentină

Linia de șarpe este un tip de metodă de rutare folosită adesea în Layout. Scopul său principal este de a ajusta întârzierea pentru a îndeplini cerințele de proiectare a temporizării sistemului. Proiectantul trebuie să aibă mai întâi această înțelegere: linia serpentină va distruge calitatea semnalului, va schimba întârzierea transmisiei și va încerca să evite utilizarea acesteia la cablare. Cu toate acestea, în proiectarea reală, pentru a se asigura că semnalul are un timp de reținere suficient sau pentru a reduce decalajul de timp între același grup de semnale, este adesea necesar să înfășurați în mod deliberat firul.

Deci, ce efect are linia serpentină asupra transmisiei semnalului? La ce ar trebui să fiu atent la cablare? Cei doi parametri cei mai critici sunt lungimea de cuplare paralelă (Lp) și distanța de cuplare (S), așa cum se arată în Figura 1-8-21. Evident, atunci când semnalul este transmis pe traseul serpentină, segmentele de linie paralelă vor fi cuplate într-un mod diferenţial. Cu cât S este mai mic și cu cât Lp este mai mare, cu atât gradul de cuplare este mai mare. Poate duce la reducerea întârzierii transmisiei, iar calitatea semnalului este mult redusă din cauza diafoniei. Mecanismul se poate referi la analiza modului comun și a diafoniei în mod diferenţial din Capitolul 3.

Următoarele sunt câteva sugestii pentru inginerii de aspect atunci când se ocupă de linii serpentine:

1. Încercați să creșteți distanța (S) a segmentelor de linie paralelă, cel puțin mai mare de 3H, H se referă la distanța de la traseul semnalului până la planul de referință. În termeni profani, înseamnă să ocolești o curbă mare. Atâta timp cât S este suficient de mare, efectul de cuplare reciprocă poate fi aproape complet evitat. 2. Reduceți lungimea cuplajului Lp. Când întârzierea dublă Lp se apropie sau depășește timpul de creștere a semnalului, diafonia generată va ajunge la saturație. 3. Întârzierea transmisiei semnalului cauzată de linia serpentină a Strip-Line sau Embedded Micro-strip este mai mică decât cea a Micro-strip. În teorie, stripline nu va afecta viteza de transmisie din cauza diafoniei în mod diferențial. 4. Pentru liniile de semnal de mare viteză și cele cu cerințe stricte de sincronizare, încercați să nu folosiți linii serpentine, mai ales în zone mici. 5. Puteți utiliza adesea urme serpentine în orice unghi, cum ar fi structura C din Figura 1-8-20, care poate reduce eficient cuplarea reciprocă. 6. În designul PCB de mare viteză, linia serpentină nu are așa-numita capacitate de filtrare sau anti-interferență și poate reduce doar calitatea semnalului, deci este folosită doar pentru potrivirea temporizării și nu are alt scop. 7. Uneori puteți lua în considerare rutarea în spirală pentru înfășurare. Simularea arată că efectul său este mai bun decât rutarea serpentină normală.