Верстка – один из самых основных навыков работы Дизайн печатной платы инженер. Качество проводки напрямую влияет на производительность всей системы, большая часть теории высокоскоростного проектирования должна быть окончательно реализована и проверена Layout, поэтому можно увидеть, что проводка имеет решающее значение при проектировании высокоскоростной печатной платы. Далее будет рассмотрено фактическое подключение, в котором могут возникнуть некоторые ситуации, анализ его рациональности и приведена более оптимизированная стратегия маршрутизации. В основном от линии прямого угла, линии разницы, линии змейки и так далее трех аспектов, которые необходимо уточнить.

1. Прямоугольная леска

Прямоугольная проводка обычно требуется, чтобы избежать ситуации с проводкой на печатной плате, и она почти стала одним из стандартов для измерения качества проводки, так какое влияние будет иметь прямоугольная проводка на передачу сигнала? В принципе, подключение под прямым углом изменит ширину линии передачи, что приведет к разрыву импеданса. Фактически, не только прямая угловая линия, тонна угла, но и острая угловая линия могут вызывать изменения импеданса.

Влияние выравнивания под прямым углом на сигнал в основном отражается в трех аспектах: во-первых, угол может быть эквивалентен емкостной нагрузке на линии передачи, замедляя время нарастания; Во-вторых, неоднородность импеданса вызовет отражение сигнала; В-третьих, электромагнитные помехи, создаваемые наконечником под прямым углом.

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 означает эквивалентную емкость в углу (пФ), W означает ширину линии (дюйм), ε R означает диэлектрическую проницаемость среды, а Z0 – характеристический импеданс передачи. линия. Например, для линии передачи 4Mils 50 Ом (εr 4.3) емкость прямого угла составляет около 0.0101 пФ, и изменение времени нарастания может быть оценено:

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

Из расчета видно, что емкостный эффект, создаваемый прямоугольным соединением, чрезвычайно мал.

По мере увеличения ширины линии под прямым углом сопротивление в этой точке будет уменьшаться, поэтому будет определенное явление отражения сигнала. Мы можем рассчитать эквивалентный импеданс после увеличения ширины линии в соответствии с формулой расчета импеданса, упомянутой в разделе линий передачи, а затем рассчитать коэффициент отражения по эмпирической формуле: ρ = (Zs-Z0) / (Zs + Z0), обычная прямоугольная разводка, приводящая к изменению импеданса в пределах 7% -20%, поэтому максимальный коэффициент отражения составляет около 0.1. Более того, как видно из рисунка ниже, импеданс линии передачи изменяется до минимума в пределах длины линии W / 2, а затем восстанавливается до нормального импеданса через время W / 2. Время для полного изменения импеданса очень короткое, обычно в пределах 10 пс. Такое быстрое и небольшое изменение практически не влияет на передачу общего сигнала.

Многие люди имеют такое понимание трассировки под прямым углом, полагая, что наконечник легко излучает или принимает электромагнитные волны и создает электромагнитные помехи, что стало одной из причин, по которым многие люди считают, что трассировка под прямым углом невозможна. Однако результаты многих практических тестов показывают, что прямая линия не создает больших электромагнитных помех, чем прямая линия. Возможно, текущие характеристики прибора и уровень тестирования ограничивают точность теста, но, по крайней мере, он показывает, что излучение прямоугольной линии меньше, чем погрешность измерения самого прибора. В общем, выравнивание под прямым углом не так страшно, как может показаться. По крайней мере, в приложениях с частотой ниже ГГц любые эффекты, такие как емкость, отражение, электромагнитные помехи и т. Д., Почти не отражаются в тестах TDR. Инженер-проектировщик высокоскоростной печатной платы должен сосредоточиться на компоновке, конструкции питания / заземления, конструкции проводки, перфорации и т. Д. Хотя, конечно, последствия прямоугольной линии движения не очень серьезны, но нельзя сказать, что мы можем идти по прямой линии, внимание к деталям является важным качеством для каждого хорошего инженера, и с быстрым развитием цифровых схем , Инженеры PCB обработка частоты сигнала также будет продолжать улучшаться, до области проектирования RF более 10 ГГц, Эти маленькие прямые углы могут стать фокусом высокоскоростных задач.

2. Разница

Дифференциальный сигнал широко используется при проектировании высокоскоростных цепей. Самый важный сигнал в цепи – это конструкция дифференциального сигнала. Как обеспечить его хорошую производительность при проектировании печатных плат? Помня об этих двух вопросах, мы переходим к следующей части нашего обсуждения.

Что такое дифференциальный сигнал? Говоря простым языком, драйвер отправляет два эквивалентных инвертирующих сигнала, а приемник сравнивает разницу между двумя напряжениями, чтобы определить, является ли логическое состояние «0» или «1». Пара проводов, передающих дифференциальные сигналы, называется дифференциальными проводами.

По сравнению с обычной несимметричной маршрутизацией сигнала дифференциальный сигнал имеет наиболее очевидные преимущества в следующих трех аспектах:

A. Сильная противоинтерференционная способность, потому что связь между двумя дифференциальными линиями очень хорошая, когда есть шумовые помехи, они почти связаны с двумя линиями одновременно, и приемник заботится только о разнице между двумя сигналами, так что внешний синфазный шум может быть полностью подавлен.

Б. Он может эффективно подавлять электромагнитные помехи. Точно так же, поскольку два сигнала имеют противоположную полярность, излучаемое ими электромагнитное поле может подавлять друг друга. Чем ближе связь, тем меньше электромагнитной энергии выделяется во внешний мир.

C. Позиционирование по времени точное. Поскольку изменение переключения дифференциальных сигналов находится на пересечении двух сигналов, в отличие от обычных несимметричных сигналов, которые оцениваются по высоким и низким пороговым напряжениям, оно меньше зависит от процесса и температуры, что может уменьшить ошибки синхронизации и более подходит. для цепей с сигналами малой амплитуды. LVDS (низковольтная дифференциальная сигнализация) относится к этой технологии дифференциальных сигналов малой амплитуды.

Для инженеров печатных плат самая важная проблема заключается в том, как гарантировать, что эти преимущества дифференциальной маршрутизации могут быть полностью использованы в реальной трассировке. Возможно, пока он находится в контакте с Layout, люди будут понимать общие требования дифференциальной маршрутизации, то есть «равная длина, равное расстояние». Изометрический – гарантирует, что два дифференциальных сигнала всегда поддерживают противоположную полярность, уменьшая синфазную составляющую; Изометрические в основном для обеспечения того же дифференциального импеданса, уменьшения отражения. «Как можно ближе» иногда является одним из требований для дифференциальной маршрутизации. Но ни одно из этих правил не предназначено для механического применения, и многие инженеры, похоже, не понимают природу высокоскоростной дифференциальной передачи сигналов. Далее мы рассмотрим несколько распространенных ошибок при проектировании дифференциальных сигналов на печатной плате.

Заблуждение 1. Дифференциальные сигналы не нуждаются в заземляющем слое в качестве пути обратного потока или полагают, что дифференциальные линии обеспечивают путь обратного потока друг для друга. Причина этого недоразумения заключается в поверхностном явлении или недостаточно глубокий механизм высокоскоростной передачи сигнала. Как видно из конструкции приемного конца на фиг. 1-8-15, эмиттерные токи транзисторов Q3 и Q4 эквивалентны и противоположны, а их токи в переходе точно нейтрализуют друг друга (I1 = 0). Таким образом, дифференциальная схема нечувствительна к аналогичным сигналам заземления и другим шумовым сигналам, которые могут присутствовать в источнике питания и заземляющем слое. Частичное подавление обратного потока заземляющей плоскости не означает, что дифференциальная схема не использует опорную плоскость в качестве пути возврата сигнала. Фактически, при анализе обратного потока сигналов механизм дифференциальной маршрутизации такой же, как и при обычной односторонней маршрутизации, а именно:

Частотный сигнал всегда возвращается по цепи с наименьшей индуктивностью. Самая большая разница заключается в том, что разностная линия не только соединяется с землей, но и соединяется друг с другом. Сильная связь становится основным каналом обратного потока.

В схеме печатной платы связь между дифференциальной проводкой, как правило, мала, обычно составляет только 10 ~ 20% степени связи, и большая часть связи идет на землю, поэтому основной путь обратного потока дифференциальной проводки все еще существует в земле. самолет. В случае неоднородности в локальной плоскости связь между дифференциальными маршрутами обеспечивает основной путь обратного потока в области без базовой плоскости, как показано на фиг. 1-8-17. Хотя влияние неоднородности опорной плоскости на дифференциальную проводку не так серьезно, как влияние обычной односторонней проводки, оно все же снизит качество дифференциального сигнала и увеличит электромагнитные помехи, которых следует избегать, насколько это возможно. Некоторые разработчики считают, что опорную плоскость линии дифференциальной передачи можно удалить, чтобы подавить часть синфазного сигнала при дифференциальной передаче, но теоретически такой подход нежелателен. Как контролировать импеданс? Без создания петли сопротивления заземления для синфазного сигнала неизбежно возникнет электромагнитное излучение, которое принесет больше вреда, чем пользы.

Миф 2: Сохранение равных интервалов важнее, чем совпадение длины строки. В реальной разводке печатной платы она часто не может соответствовать требованиям дифференциальной конструкции. Из-за распределения контактов, отверстий и пространства для проводки, а также других факторов необходимо достичь цели согласования длины линии с помощью соответствующей обмотки, но в результате неизбежно часть разностной пары не может быть параллельной, в настоящее время, как выбирать? Прежде чем делать выводы, давайте взглянем на следующие результаты моделирования. Из приведенных выше результатов моделирования видно, что формы сигналов схемы 1 и схемы 2 практически совпадают, то есть влияние неравномерного интервала минимально, а влияние несоответствия длины строки намного больше на временную последовательность (Схема 3). . С точки зрения теоретического анализа, хотя несогласованный интервал приведет к изменениям разностного импеданса, но поскольку связь между самой разностной парой не является значительной, поэтому диапазон изменений импеданса также очень мал, обычно в пределах 10%, только эквивалент отражению, вызванному отверстием, которое не окажет значительного влияния на передачу сигнала. Если длина линии не совпадает, в дополнение к смещению временной последовательности в дифференциальный сигнал вводятся синфазные компоненты, что снижает качество сигнала и увеличивает EMI.

Можно сказать, что наиболее важным правилом при проектировании дифференциальной разводки печатных плат является соответствие длине линии, а другие правила могут гибко обрабатываться в соответствии с требованиями проекта и практическими применениями.

Заблуждение третье: считаю, что линия различия должна опираться очень близко. Смысл удержания разностных линий близко друг к другу – это не что иное, как усиление их связи, как для повышения их устойчивости к шумам, так и для использования противоположной полярности магнитного поля для нейтрализации электромагнитных помех от внешнего мира. Хотя этот подход в большинстве случаев очень благоприятен, он не абсолютен. Если они могут быть полностью экранированы от внешних помех, то нам больше не нужно достигать цели защиты от помех и подавления электромагнитных помех за счет сильной связи друг с другом. Как обеспечить хорошую изоляцию и экранирование дифференциальной маршрутизации? Увеличение расстояния между линиями и другими сигналами – один из самых простых способов. Энергия электромагнитного поля уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Обычно, когда расстояние между линиями более чем в 4 раза превышает ширину линии, интерференция между ними чрезвычайно мала, и ее можно в основном игнорировать. Кроме того, изоляция через заземляющую пластину также может обеспечить хороший экранирующий эффект. Эта структура часто используется в высокочастотных (более 10 Гбит / с) схемах корпусных печатных плат ИС, известных как структура CPW, для обеспечения строгого контроля дифференциального импеданса (2Z0), фиг. 1-8-19.

Дифференциальная маршрутизация также может выполняться на разных уровнях сигнала, но обычно это не рекомендуется, потому что различия, такие как импеданс и сквозные отверстия в разных слоях, могут разрушить эффект передачи в дифференциальном режиме и внести синфазный шум. Кроме того, если два соседних слоя не связаны плотно, способность дифференциальной маршрутизации противостоять шуму будет уменьшена, но перекрестные помехи не будут проблемой, если надлежащее расстояние сохраняется с окружающей разводкой. В целом частота (ниже ГГц) EMI не будет серьезной проблемой. Эксперименты показывают, что ослабление энергии излучения в дифференциальных линиях на расстоянии 500 мил за пределами 3 метров достигло 60 дБ, что достаточно для соответствия стандарту ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО излучения FCC. Таким образом, разработчикам не нужно слишком беспокоиться об электромагнитной несовместимости, вызванной недостаточным соединением дифференциальных линий.

3. змеевик

В макете часто используется змеевидная линия. Его основная цель – регулировать задержку по времени и соответствовать требованиям проектирования системной синхронизации. Разработчики должны сначала понять, что змеевиковый провод ухудшит качество сигнала, изменит задержку передачи, и его следует избегать при подключении. Однако на практике, чтобы обеспечить достаточное время удержания сигналов или уменьшить временной сдвиг между одной и той же группой сигналов, наматывание должно выполняться намеренно.

Итак, что делает змеевик для передачи сигналов? На что следует обращать внимание при прохождении очереди? Двумя наиболее важными параметрами являются длина параллельного соединения (Lp) и расстояние соединения (S), как показано на фиг. 1-8-21. Очевидно, что когда сигнал передается по серпантинной линии, будет возникать связь между параллельными отрезками линии в виде разностной моды. Чем меньше S, тем больше Lp и тем больше будет степень связи. Это может привести к уменьшению задержек передачи и значительному снижению качества сигнала из-за перекрестных помех, как описано в главе 3, посвященной анализу перекрестных помех в синфазном и дифференциальном режимах.

Вот несколько советов для инженеров-компоновщиков при работе с серпантинами:

1. Попробуйте увеличить расстояние (S) параллельного отрезка прямой как минимум больше 3H. H означает расстояние от сигнальной линии до плоскости отсчета. Вообще говоря, это должна быть большая кривая. Пока S достаточно велико, эффекта связи можно почти полностью избежать.

2. Когда длина связи Lp уменьшается, генерируемые перекрестные помехи достигают насыщения, когда задержка Lp в два раза приближается к времени нарастания сигнала или превышает его.

3. Задержка передачи сигнала, вызванная змееподобной линией полосковой линии или встроенной микрополоски, меньше, чем у микрополоски. Теоретически ленточная линия не влияет на скорость передачи из-за перекрестных помех в дифференциальном режиме.

4. На высокоскоростных и сигнальных линиях с жесткими требованиями по времени старайтесь не ходить по извилистым линиям, особенно на небольшой площади.

5. Часто можно применить извилистую трассировку под любым углом. Структура C на фиг. 1-8-20 могут эффективно уменьшить связь друг с другом.

6. В высокоскоростной печатной плате 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 ни для какой другой цели.

7. Иногда можно использовать спиральную намотку. Моделирование показывает, что его эффект лучше, чем у обычной змеевидной намотки.