Layout är en av de mest grundläggande arbetskunskaperna i PCB-design ingenjör. Kvaliteten på ledningarna kommer direkt att påverka hela systemets prestanda, de flesta höghastighetsdesignteorier måste slutligen förverkligas och verifieras av Layout, så det kan ses att ledningar är avgörande för höghastighets-PCB-design. Följande kommer med tanke på att den faktiska ledningen kan stöta på vissa situationer, analysera dess rationalitet och ge lite mer optimerad routingsstrategi. Främst från höger vinkel linje, skillnad linje, orm linje och så vidare tre aspekter att utarbeta.

1. Rektangulär go line

Rättvinklad ledning krävs i allmänhet för att undvika situationen i PCB-ledningar, och har nästan blivit en av standarderna för att mäta kvaliteten på ledningar, så hur stor påverkan kommer högervinklad ledning att ha på signalöverföringen? I princip ändrar rätvinklad ledning linjebredden på överföringsledningen, vilket resulterar i impedansdiskontinuitet. Faktum är att inte bara högervinkellinjen, tonvinkeln, spetsvinkeln kan orsaka impedansförändringar.

Påverkan av högervinkeljustering på signalen återspeglas huvudsakligen i tre aspekter: för det första kan hörnet motsvara den kapacitiva belastningen på överföringsledningen, vilket saktar ner stigningstiden; För det andra kommer impedansdiskontinuitet att orsaka signalreflektion; För det tredje, EMI genererat av högervinkelspetsen.

Den parasitiska kapacitansen som orsakas av överföringsledningens högra vinkel kan beräknas med följande empiriska formel:

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

I formeln ovan hänvisar C till ekvivalent kapacitans i hörnet (pF), W avser linjens bredd (tum), ε R hänvisar till den dielektriska konstanten för mediet och Z0 är den karakteristiska impedansen för överföringen linje. Till exempel, för en 4Mils 50 ohm överföringsledning (εr 4.3) är kapacitansen för en rät vinkel cirka 0.0101 pF, och stigningstidsvariationen kan uppskattas:

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

Det framgår av beräkningen att kapacitanseffekten som orsakas av rätvinklad ledning är extremt liten.

När linjebredden för högervinkellinjen ökar kommer impedansen vid denna punkt att minska, så det kommer att finnas ett visst signalreflektionsfenomen. Vi kan beräkna ekvivalentimpedansen efter att linjebredden ökar enligt impedansberäkningsformeln som nämns i avsnittet av överföringslinjer och sedan beräkna reflektionskoefficienten enligt den empiriska formeln: ρ = (Zs-Z0)/(Zs+Z0), den allmänna rätvinklade ledningen som resulterar i impedansförändringar mellan 7%-20%, så den maximala reflektionskoefficienten är cirka 0.1. Som framgår av figuren nedan ändras dessutom transmissionsledningens impedans till ett minimum inom W/2 -linjens längd och återställs sedan till den normala impedansen efter W/2 -tiden. Tiden för hela impedansförändringen är mycket kort, vanligtvis inom 10ps. En sådan snabb och liten förändring är nästan försumbar för den allmänna signalöverföringen.

Många människor har en sådan förståelse för rätvinkeldragning och tror att spetsen är lätt att avge eller ta emot elektromagnetiska vågor och producera EMI, vilket har blivit en av anledningarna till att många tror att rätvinkeldragning inte är möjlig. Många praktiska testresultat visar dock att rätvinklig linje inte ger mycket EMI än rak linje. Kanske begränsar den nuvarande instrumentprestandan och testnivån testets noggrannhet, men åtminstone visar det att strålningen från rätvinkellinjen är mindre än själva mätfelet. I allmänhet är högervinkeljustering inte så hemsk som det kan tyckas. Åtminstone i applikationer under GHz återspeglas alla effekter som kapacitans, reflektion, EMI, etc. inte i TDR -tester. Designingenjören för höghastighets-kretskort bör fokusera på layout, kraft/markdesign, kabeldesign, perforering etc. Även om effekterna av rektangulär go line naturligtvis inte är särskilt allvarliga, men det är inte att säga att vi kan gå rätvinklig linje, är uppmärksamhet på detaljer den viktiga kvaliteten för alla bra ingenjörer, och med den snabba utvecklingen av digitala kretsar , PCB -ingenjörer som bearbetar signalfrekvensen kommer också att fortsätta att förbättras till mer än 10 GHZ RF -designfält, Dessa små rätvinklar kan bli fokus för höghastighetsproblem.

2. Skillnad mellan

DifferenTIal Signal används i stor utsträckning i höghastighetskretsdesign. Den viktigaste signalen i en krets är DifferenTIal Signal design. Hur säkerställer man dess goda prestanda i PCB -design? Med dessa två frågor i åtanke går vi vidare till nästa del av vår diskussion.

Vad är en differentiell signal? På vanlig engelska skickar föraren två ekvivalenta och inverterande signaler, och mottagaren jämför skillnaden mellan de två spänningarna för att avgöra om det logiska tillståndet är “0” eller “1”. Trådparet som bär differentialsignaler kallas differentialtrådar.

Jämfört med vanlig signalöverföring med en enda signal har differentialsignalen de mest uppenbara fördelarna i följande tre aspekter:

A. Stark anti-interferensförmåga, eftersom kopplingen mellan två differentialledningar är mycket bra, när det finns störningar är de nästan kopplade till två linjer samtidigt, och mottagaren bryr sig bara om skillnaden mellan de två signalerna, så det externa common-mode-bruset kan avbrytas helt.

B. Det kan effektivt undertrycka EMI. På samma sätt, eftersom två signaler har motsatt polaritet, kan det elektromagnetiska fält som utstrålas av dem avbryta varandra. Ju närmare kopplingen är, desto mindre elektromagnetisk energi släpps ut till omvärlden.

C. Tidspositionering är korrekt. Eftersom växlingsförändringen av differentialsignaler är belägen vid skärningspunkten mellan två signaler, till skillnad från vanliga enstaka signaler som bedöms av höga och låga tröskelspänningar, påverkas den mindre av process och temperatur, vilket kan minska tidsfel och är mer lämpligt för kretsar med låg amplitud -signaler. LVDS (low voltage differenTIalsignaling) hänvisar till denna teknik med liten differentialsignal.

För PCB -ingenjörer är det viktigaste problemet att säkerställa att dessa fördelar med differential routing kan utnyttjas fullt ut i själva routingen. Kanske så länge det är i kontakt med layout kommer människor att förstå de allmänna kraven för differentiell routing, det vill säga “lika lång, lika avstånd”. Isometrisk är att se till att de två differentialsignalerna alltid upprätthåller motsatt polaritet, minska den gemensamma modkomponenten; Isometrisk är främst för att säkerställa samma differentialimpedans, minska reflektion. “Så nära som möjligt” är ibland ett av kraven för differentiell routing. Men ingen av dessa regler är avsedd att tillämpas mekaniskt, och många ingenjörer verkar inte förstå karaktären av höghastighetsdifferentialsignalering. Följande fokuserar på flera vanliga misstag i PCB -differentialsignaldesign.

Missuppfattning 1: Differentialsignaler behöver inte jordplan som återflödesväg, eller tror att differentiella linjer ger återflödesväg för varandra. Orsaken till detta missförstånd är förvirrad av ytfenomenet, eller så är mekanismen för höghastighetssignalöverföring inte tillräckligt djup. Såsom framgår av strukturen hos mottagaränden i FIG. 1-8-15 är emitterströmmarna för transistorerna Q3 och Q4 ekvivalenta och motsatta, och deras ström vid korsningen avbryter exakt varandra (I1 = 0). Därför är differentialkretsen okänslig för liknande jordprojektioner och andra brussignaler som kan finnas i strömförsörjningen och jordplanet. Den delvisa återflödesavbrytningen av jordplan betyder inte att differentialkretsen inte tar referensplanet som signalreturvägen. Faktum är att vid signalåterflödesanalys är mekanismen för differentiell routing densamma som den för vanlig single-end routing, nämligen hög

Frekvenssignalen strömmar alltid tillbaka längs kretsen med den minsta induktansen. Den största skillnaden ligger i att skillnadslinjen inte bara har koppling till marken, utan också har koppling mellan varandra. Den starka kopplingen blir den huvudsakliga återflödesvägen.

I PCB -kretsdesign är kopplingen mellan differentialkablar i allmänhet liten, står vanligtvis endast för 10 ~ 20% av kopplingsgraden, och det mesta av kopplingen är till marken, så den huvudsakliga återflödesbanan för differentialledningar finns fortfarande i marken plan. Vid diskontinuitet i det lokala planet tillhandahåller kopplingen mellan differentialvägar den huvudsakliga återflödesvägen i området utan referensplan, såsom visas i FIG. 1-8-17. Även om inverkan av diskontinuiteten hos referensplanet på differentialkablar inte är lika allvarlig som för vanliga enkelkopplade kablar, kommer det fortfarande att minska kvaliteten på differentialsignalen och öka EMI, vilket bör undvikas så långt som möjligt. Vissa konstruktörer tror att referensplanet för linjen för differentialöverföring kan tas bort för att undertrycka en del av den gemensamma modsignalen vid differentialöverföring, men teoretiskt är detta tillvägagångssätt inte önskvärt. Hur kontrollerar man impedansen? Utan att ge jordimpedansslinga för common-mode-signal kommer EMI-strålning säkert att orsakas, vilket gör mer skada än nytta.

Myt 2: Att behålla lika avstånd är viktigare än matchande linjelängd. I själva PCB -kablarna kan den ofta inte uppfylla kraven för differentiell design. På grund av fördelningen av stift, hål och ledningsutrymme och andra faktorer är det nödvändigt att uppnå syftet med linjelängdsmatchning genom lämplig lindning, men resultatet är oundvikligen en del av skillnadsparet kan inte vara parallellt vid denna tidpunkt hur att välja? Innan vi går till slutsatser, låt oss ta en titt på följande simuleringsresultat. Det kan ses från ovanstående simuleringsresultat att vågformer av schema 1 och schema 2 nästan sammanfaller, det vill säga att inflytandet av ojämnt avstånd är minimalt, och inflytandet av linjelängdsmatchning är mycket större på tidssekvensen (schema 3) . Ur den teoretiska analysens perspektiv, även om det inkonsekventa avståndet leder till skillnader i impedansförändringar, men eftersom kopplingen mellan skillnadsparet i sig inte är signifikant, så är intervallet för impedansförändringar också mycket litet, vanligtvis inom 10%, bara ekvivalent till en reflektion orsakad av ett hål, som inte kommer att orsaka signifikant påverkan på signalöverföringen. När linjelängden inte är överensstämmande, förutom tidssekvensförskjutning, införs vanliga modkomponenter i differentialsignalen, vilket minskar signalkvaliteten och ökar EMI.

Det kan sägas att den viktigaste regeln i PCB -differentialledningsdesign är att matcha linjelängden, och andra regler kan hanteras flexibelt enligt konstruktionskraven och praktiska tillämpningar.

Missuppfattning tre: tror skillnad linje måste lita på mycket nära. Poängen med att hålla skillnadslinjerna nära varandra är inget annat än att öka deras koppling, både för att förbättra deras immunitet mot buller och att dra nytta av magnetfältets motsatta polaritet för att avbryta elektromagnetisk störning från omvärlden. Även om detta tillvägagångssätt är mycket gynnsamt i de flesta fall, är det inte absolut. Om de kan skyddas helt från yttre störningar behöver vi inte längre uppnå syftet med antistörningar och EMI-undertryckande genom stark koppling med varandra. Hur säkerställer jag att differentiell routing har god isolering och skärmning? Att öka avståndet mellan linjerna och andra signaler är ett av de mest grundläggande sätten. Energin i det elektromagnetiska fältet minskar med avståndets kvadratiska relation. Generellt, när avståndet mellan linjerna är mer än 4 gånger linjebredden, är interferensen mellan dem extremt svag och kan ignoreras i princip. Dessutom kan isoleringen genom markplanet också ge en bra skärmningseffekt. Denna struktur används ofta i högfrekventa (över 10G) IC-förpackade PCB-konstruktioner, känd som CPW-strukturen, för att säkerställa strikt differentialimpedansstyrning (2Z0), FIG. 1-8-19.

Differential routing kan också utföras i olika signallager, men detta rekommenderas i allmänhet inte, eftersom skillnader som impedans och genomgående hål i olika lager kan förstöra differentiallägesöverföringseffekten och införa common mode -brus. Dessutom, om de två intilliggande skikten inte är tätt kopplade, minskar differential routingens förmåga att motstå buller, men överhörning är inte ett problem om korrekt avstånd upprätthålls med den omgivande routingen. I allmänhet frekvens (under GHz) kommer EMI inte att vara ett allvarligt problem. Experiment visar att dämpningen av strålningsenergi för differentialledningar med ett avstånd på 500Mils bortom 3 meter har nått 60dB, vilket är tillräckligt för att uppfylla den elektromagnetiska strålningsstandarden för FCC. Därför behöver designers inte oroa sig för mycket för elektromagnetisk inkompatibilitet orsakad av otillräcklig koppling av differentialledningar.

3. serpentin

En serpentinlinje används ofta i Layout. Dess huvudsakliga syfte är att justera tidsfördröjningen och uppfylla kraven för systemtidsdesign. Designers bör först förstå att serpentintråd kommer att förstöra signalkvaliteten, förändra överföringsfördröjningen och bör undvikas vid kabeldragning. För att säkerställa tillräcklig hålltid för signaler eller för att minska tidsförskjutningen mellan samma grupp av signaler måste emellertid lindningen medvetet utföras i praktiskt utförande.

Så vad gör ormen för att signalera överföring? Vad ska jag vara uppmärksam på när jag går längs linjen? De två mest kritiska parametrarna är parallellkopplingslängd (Lp) och kopplingsavstånd (S), såsom visas i FIG. 1-8-21. Uppenbarligen, när signalen överförs i serpentinlinje, kommer det att finnas koppling mellan parallella linjesegment i form av skillnadsläge. Ju mindre S är, desto större Lp är och desto större blir kopplingsgraden. Detta kan resultera i minskade överföringsförseningar och en signifikant minskning av signalkvaliteten på grund av överhörning, såsom beskrivs i kapitel 3 för analys av gemensamt läge och differentiallägesöverhörning.

Här är några tips för layoutingenjörer när det gäller serpentiner:

1. Försök att öka avståndet (S) för det parallella linjesegmentet, som är minst större än 3H. H avser avståndet från signalledningen till referensplanet. Generellt sett är det att ta en stor kurva. Så länge S är tillräckligt stor kan kopplingseffekten nästan helt undvikas.

2. När kopplingslängden Lp reduceras, kommer övervakningen som genereras att nå mättnad när fördröjningen för Lp två gånger närmar sig eller överstiger signalstigningstiden.

3. Signalöverföringsfördröjningen som orsakas av den ormliknande linjen av strip-line eller Embedded micro-strip är mindre än den för micro-strip. Teoretiskt påverkar bandlinjen inte överföringshastigheten på grund av differentiallägesöverhörning.

4. För höghastighets- och signalledningar med strikta krav på timing, försök att inte gå serpentinlinjer, särskilt i ett litet område.

5. Serpentin routing i alla vinklar kan ofta användas. C -strukturen i FIG. 1-8-20 kan effektivt minska kopplingen mellan varandra.

6. I höghastighets-PCB-design har serpentine ingen så kallad filtrering eller antistörningsförmåga och kan bara minska signalkvaliteten, så den används bara för timingmatchning och inget annat syfte.

7. Ibland kan spirallindning övervägas. Simulering visar att dess effekt är bättre än normal serpentinlindning.