Компоновка – один из основных навыков инженеров-проектировщиков печатных плат. Качество проводки напрямую влияет на работу всей системы. Большинство теорий высокоскоростного проектирования должны быть окончательно реализованы и проверены с помощью Layout. Видно, что проводка очень важна в высокоскоростная печатная плата дизайн. Далее мы проанализируем рациональность некоторых ситуаций, которые могут возникнуть при реальной проводке, и дадим несколько более оптимизированных стратегий маршрутизации.

В основном это объясняется тремя аспектами: прямоугольная проводка, дифференциальная проводка и змеевидная проводка.

1. Фрезерование под прямым углом

Электропроводка под прямым углом – это, как правило, ситуация, которой следует избегать как можно больше при разводке печатных плат, и она почти стала одним из стандартов для измерения качества проводки. Итак, какое влияние окажет прямоугольная проводка на передачу сигнала? В принципе, прокладка под прямым углом изменяет ширину линии передачи, вызывая нарушение целостности импеданса. Фактически, не только прямая, но и угловая, и остроугольная трассировка может вызвать изменения импеданса.

Влияние прямоугольной маршрутизации на сигнал в основном отражается в трех аспектах:

Во-первых, угол может быть эквивалентен емкостной нагрузке на линии передачи, которая замедляет время нарастания; во-вторых, неоднородность импеданса вызовет отражение сигнала; третий – электромагнитные помехи, создаваемые угловым наконечником.

Паразитная емкость, вызванная прямым углом линии передачи, может быть рассчитана по следующей эмпирической формуле:

C = 61 Вт (Er) 1/2 / Z0

В приведенной выше формуле C обозначает эквивалентную емкость угла (единица измерения: пФ), W обозначает ширину дорожки (единица измерения: дюйм), εr обозначает диэлектрическую проницаемость среды, а Z0 – характеристический импеданс. ЛЭП. Например, для линии передачи 4Mils 50 Ом (εr = 4.3) емкость, вносимая прямым углом, составляет около 0.0101 пФ, и затем можно оценить вызванное этим изменение времени нарастания:

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

Из расчета видно, что эффект емкости, вызванный прямым углом, чрезвычайно мал.

По мере того, как ширина линии прямоугольного следа увеличивается, сопротивление там будет уменьшаться, поэтому произойдет определенное явление отражения сигнала. Мы можем рассчитать эквивалентный импеданс после увеличения ширины линии в соответствии с формулой расчета импеданса, упомянутой в главе о линиях передачи, а затем рассчитать коэффициент отражения по эмпирической формуле:

р = (Zs-Z0) / (Zs + Z0)

Как правило, изменение импеданса, вызванное подключением под прямым углом, составляет от 7% до 20%, поэтому максимальный коэффициент отражения составляет около 0.1. Более того, как видно из рисунка ниже, полное сопротивление линии передачи изменяется до минимума в пределах длины линии W / 2, а затем возвращается к нормальному импедансу по истечении времени W / 2. Все время изменения импеданса чрезвычайно короткое, часто в пределах 10 пс. Внутри такие быстрые и мелкие изменения практически несущественны для общей передачи сигнала.

Многие люди понимают, что такое подключение под прямым углом. Они думают, что наконечник легко передавать или принимать электромагнитные волны и генерировать электромагнитные помехи. Это стало одной из причин, по которой многие люди думают, что прямую проводку невозможно проложить. Тем не менее, многие фактические результаты испытаний показывают, что прямолинейные следы не вызывают очевидных электромагнитных помех, чем прямые линии. Возможно, текущие характеристики прибора и уровень тестирования ограничивают точность теста, но, по крайней мере, это иллюстрирует проблему. Излучение прямоугольной разводки уже меньше погрешности измерения самого прибора.

В общем, фрезеровка под прямым углом не так страшна, как предполагалось. По крайней мере, в приложениях с частотой ниже ГГц любые эффекты, такие как емкость, отражение, электромагнитные помехи и т. Д., Практически не отражаются при тестировании TDR. Инженеры-проектировщики высокоскоростных печатных плат должны по-прежнему сосредоточиться на компоновке, конструкции питания / заземления и конструкции проводки. Через отверстия и другие аспекты. Конечно, хотя влияние прямоугольной проводки не очень серьезно, это не означает, что мы все можем использовать прямоугольную проводку в будущем. Внимание к деталям – это основное качество, которым должен обладать каждый хороший инженер. Более того, с быстрым развитием цифровых схем, PCB Частота сигнала, обрабатываемого инженерами, будет продолжать расти. В области проектирования радиочастот выше 10 ГГц эти маленькие прямые углы могут стать центром проблем, связанных с высокой скоростью.

2. Дифференциальная маршрутизация

Дифференциальный сигнал (DifferentialSignal) все более широко используется в конструкции высокоскоростных цепей. Наиболее критический сигнал в цепи часто имеет дифференциальную структуру. Что делает его таким популярным? Как обеспечить его хорошую производительность при проектировании печатных плат? С этими двумя вопросами мы переходим к следующей части обсуждения.

Что такое дифференциальный сигнал? С точки зрения непрофессионала, приводная сторона посылает два равных и инвертированных сигнала, а принимающая сторона определяет логическое состояние «0» или «1», сравнивая разницу между двумя напряжениями. Пара трасс, несущих дифференциальные сигналы, называется дифференциальными трассами.

По сравнению с обычными несимметричными сигналами, дифференциальные сигналы имеют наиболее очевидные преимущества в следующих трех аспектах:

а. Сильная противоинтерференционная способность, потому что связь между двумя дифференциальными дорожками очень хорошая. Когда есть шумовые помехи извне, они почти связаны с двумя линиями одновременно, и принимающая сторона заботится только о разнице между двумя сигналами. Таким образом, внешний синфазный шум может быть полностью подавлен. б. Он может эффективно подавлять электромагнитные помехи. По той же причине из-за противоположной полярности двух сигналов излучаемые ими электромагнитные поля могут нейтрализовать друг друга. Чем крепче связь, тем меньше электромагнитной энергии отводится во внешний мир. c. Позиционирование по времени точное. Поскольку переключатель переключения дифференциального сигнала находится на пересечении двух сигналов, в отличие от обычного несимметричного сигнала, который зависит от высокого и низкого пороговых напряжений для определения, он меньше зависит от процесса и температуры, которые могут уменьшить погрешность в сроках. , Но также больше подходит для сигнальных цепей с низкой амплитудой. Популярный в настоящее время LVDS (низковольтная дифференциальная сигнализация) относится к этой технологии дифференциальных сигналов малой амплитуды.

Для инженеров по печатным платам больше всего беспокоит то, как обеспечить полное использование этих преимуществ дифференциальной разводки в реальной разводке. Может быть, любой, кто имел дело с Layout, поймет общие требования к дифференциальной проводке, то есть «равной длины и равного расстояния». Равная длина гарантирует, что два дифференциальных сигнала всегда поддерживают противоположные полярности, и уменьшают синфазную составляющую; равное расстояние в основном предназначено для обеспечения согласованности дифференциальных сопротивлений обоих и уменьшения отражений. «Как можно ближе» иногда является одним из требований дифференциальной разводки. Но все эти правила не применяются механически, и многие инженеры, кажется, до сих пор не понимают сути высокоскоростной передачи дифференциального сигнала.

Далее мы рассмотрим несколько распространенных недоразумений при проектировании дифференциальных сигналов на печатных платах.

Заблуждение 1. Считается, что дифференциальный сигнал не требует заземления в качестве обратного пути или что дифференциальные трассы обеспечивают обратный путь друг для друга. Причина такого недоразумения в том, что их сбивают с толку поверхностные явления, либо механизм высокоскоростной передачи сигнала недостаточно глубок. Из структуры приемного конца на рис. 1-8-15 видно, что эмиттерные токи транзисторов Q3 и Q4 равны и противоположны, а их токи на земле точно компенсируют друг друга (I1 = 0), поэтому Дифференциальная схема похожа на дребезги, а другие шумовые сигналы, которые могут существовать на плоскостях питания и земли, нечувствительны. Подавление частичного возврата заземляющей пластины не означает, что дифференциальная схема не использует опорную плоскость в качестве пути возврата сигнала. Фактически, при анализе обратного сигнала механизм дифференциальной проводки и обычной несимметричной проводки одинаков, то есть высокочастотные сигналы всегда оплавляются вдоль контура с наименьшей индуктивностью, самая большая разница заключается в том, что помимо связь с землей, дифференциальная линия также имеет взаимную связь. Какая связь сильная, какая становится основным обратным путем. Рисунок 1-8-16 представляет собой схематическую диаграмму распределения несимметричных сигналов и дифференциальных сигналов в геомагнитном поле.

В схемотехнике печатной платы связь между дифференциальными дорожками, как правило, мала, часто составляет лишь от 10 до 20% степени связи, и больше – связь с землей, поэтому основной обратный путь дифференциальной дорожки все еще существует на земле. самолет . Когда заземляющая плоскость не является непрерывной, связь между дифференциальными дорожками будет обеспечивать основной обратный путь в области без опорной плоскости, как показано на Рисунке 1-8-17. Хотя влияние неоднородности эталонной плоскости на дифференциальную трассу не так серьезно, как влияние обычной несимметричной трассы, оно все же снизит качество дифференциального сигнала и увеличит электромагнитные помехи, которых следует избегать в максимально возможной степени. . Некоторые разработчики считают, что плоскость отсчета под дифференциальной трассой может быть удалена для подавления некоторых синфазных сигналов при дифференциальной передаче. Однако теоретически такой подход нежелателен. Как контролировать импеданс? Отсутствие контура сопротивления заземления для синфазного сигнала неизбежно вызовет электромагнитное излучение. Такой подход приносит больше вреда, чем пользы.

Заблуждение 2: считается, что сохранение равного интервала важнее, чем соответствие длины строки. В реальной компоновке печатной платы зачастую невозможно одновременно удовлетворить требования дифференциальной конструкции. Из-за наличия распределения выводов, переходных отверстий и пространства для проводки цель согласования длины линии должна быть достигнута за счет правильной намотки, но в результате некоторые области дифференциальной пары не могут быть параллельны. Что нам делать в это время? Какой выбор? Прежде чем делать выводы, давайте взглянем на следующие результаты моделирования.

Из приведенных выше результатов моделирования можно увидеть, что формы сигналов Схемы 1 и Схемы 2 почти совпадают, то есть влияние, вызванное неравным интервалом, минимально. Для сравнения, влияние несоответствия длины строки на синхронизацию намного больше. (Схема 3). Из теоретического анализа, хотя несогласованный интервал приведет к изменению дифференциального импеданса, поскольку связь между самой дифференциальной парой не является существенной, диапазон изменения импеданса также очень мал, обычно в пределах 10%, что эквивалентно только одному проходу. . Отражение, вызванное отверстием, не окажет значительного влияния на передачу сигнала. Если длина линии не совпадает, в дополнение к смещению синхронизации в дифференциальный сигнал вводятся синфазные компоненты, что снижает качество сигнала и увеличивает EMI.

Можно сказать, что наиболее важным правилом при проектировании дифференциальных трасс на печатной плате является соответствие длины линии, а другие правила могут гибко обрабатываться в соответствии с требованиями проекта и практическими применениями.

Непонимание 3: подумайте, что дифференциальная проводка должна быть очень близко. Сохранение близких дифференциальных трасс – это не что иное, как усиление их связи, что может не только улучшить устойчивость к шуму, но также в полной мере использовать противоположную полярность магнитного поля для компенсации электромагнитных помех внешнему миру. Хотя в большинстве случаев такой подход очень полезен, он не абсолютен. Если мы можем гарантировать, что они полностью защищены от внешних помех, тогда нам не нужно использовать сильную связь для обеспечения защиты от помех. И цель подавления EMI. Как обеспечить хорошую изоляцию и экранирование дифференциальных следов? Увеличение интервала с другими сигнальными дорожками – один из самых простых способов. Энергия электромагнитного поля уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Обычно, когда межстрочный интервал в 4 раза превышает ширину линии, интерференция между ними очень слабая. Можно игнорировать. Кроме того, изоляция заземляющим слоем также может играть хорошую экранирующую роль. Эта структура часто используется при проектировании печатных плат корпуса ИС с высокой частотой (выше 10 Гбит / с). Это называется структурой CPW, которая может обеспечить строгое дифференциальное сопротивление. Контроль (2Z0), как показано на рисунке 1-8-19.

Дифференциальные трассы также могут проходить в разных сигнальных слоях, но этот метод, как правило, не рекомендуется, потому что различия в импедансе и переходных отверстиях, создаваемые разными слоями, уничтожат эффект передачи в дифференциальном режиме и внесут синфазный шум. Кроме того, если два соседних слоя не связаны плотно, это снизит способность дифференциальной трассы противостоять шуму, но если вы можете поддерживать надлежащее расстояние от окружающих трасс, перекрестные помехи не будут проблемой. На обычных частотах (ниже ГГц) электромагнитные помехи не будут серьезной проблемой. Эксперименты показали, что ослабление излучаемой энергии на расстоянии 500 мил от дифференциальной трассы достигло 60 дБ на расстоянии 3 метра, что достаточно для соответствия стандарту электромагнитного излучения FCC, поэтому разработчику не нужно беспокоиться. много об электромагнитной несовместимости, вызванной недостаточной дифференциальной связью линий.

3. Змеевидная линия

Змеиная линия – это тип метода трассировки, который часто используется в Layout. Его основная цель – отрегулировать задержку в соответствии с проектными требованиями системной синхронизации. Дизайнер должен сначала понять: извилистая линия ухудшит качество сигнала, изменит задержку передачи и постарается избежать ее использования при подключении. Однако в реальной конструкции, чтобы гарантировать, что сигнал имеет достаточное время удержания, или чтобы уменьшить временной сдвиг между одной и той же группой сигналов, часто необходимо намеренно наматывать провод.

Итак, какое влияние змеевидная линия оказывает на передачу сигнала? На что следует обратить внимание при электромонтаже? Двумя наиболее важными параметрами являются длина параллельного соединения (Lp) и расстояние соединения (S), как показано на рисунке 1-8-21. Очевидно, что когда сигнал передается по серпантину, параллельные отрезки линии будут соединены в дифференциальном режиме. Чем меньше S и больше Lp, тем выше степень связи. Это может привести к уменьшению задержки передачи и значительному снижению качества сигнала из-за перекрестных помех. Этот механизм может относиться к анализу перекрестных помех в синфазном и дифференциальном режимах в главе 3.

Ниже приведены некоторые предложения для инженеров-компоновщиков при работе с извилистыми линиями:

1. Постарайтесь увеличить расстояние (S) параллельных отрезков прямой, по крайней мере, больше, чем 3H, H относится к расстоянию от следа сигнала до плоскости отсчета. С точки зрения непрофессионала, это означает пойти на большой поворот. Пока S достаточно велико, можно почти полностью избежать эффекта взаимной связи. 2. Уменьшите длину муфты Lp. Когда двойная задержка Lp приближается к времени нарастания сигнала или превышает его, создаваемые перекрестные помехи достигают насыщения. 3. Задержка передачи сигнала, вызванная извилистой линией полоски или встроенной микрополоски, меньше, чем задержка микрополоски. Теоретически полосковая линия не влияет на скорость передачи из-за перекрестных помех в дифференциальном режиме. 4. Для высокоскоростных сигнальных линий и линий со строгими требованиями к синхронизации старайтесь не использовать извилистые линии, особенно на небольших участках. 5. Вы можете часто использовать серпантинные следы под любым углом, например, C-структуру на рис. 1-8-20, что может эффективно уменьшить взаимную связь. 6. В высокоскоростной конструкции печатной платы змеевик не имеет так называемой способности фильтрации или защиты от помех и может только снижать качество сигнала, поэтому он используется только для согласования по времени и не имеет другой цели. 7. Иногда для намотки можно использовать спиральную трассировку. Моделирование показывает, что его эффект лучше, чем при обычной серпантинной маршрутизации.