PCB-Neuigkeiten - Achten Sie auf die rechtwinkligen Spuren, Differentialspuren und Serpentinenspuren im PCB Layout

Layout ist eine der grundlegendsten beruflichen Fähigkeiten für PCB-Design Ingenieure. Die Qualität der Verkabelung beeinflusst direkt die Leistung des gesamten Systems. Die meisten High-Speed Design Theorien müssen schließlich implementiert und verifiziert werden.. It can be seen that wiring is crucial in Hochgeschwindigkeits-PCB design. Im Folgenden wird die Rationalität einiger Situationen analysiert, die in der tatsächlichen Verdrahtung auftreten können, und geben einige optimierte Routing-Strategien.
Es wird hauptsächlich aus drei Aspekten erklärt: rechtwinklige Verdrahtung, Differenzverdrahtung, und Schlangenverdrahtung.

1. Right-angle routing
Right-angle wiring is generally a situation that needs to be avoided as much as possible in PCB wiring, und es ist fast zu einem der Standards für die Messung der Qualität der Verkabelung geworden. Wie viel Einfluss hat also die rechtwinklige Verdrahtung auf die Signalübertragung?? Grundsätzlich, Das rechtwinklige Routing ändert die Leitungsbreite der Übertragungsleitung, Ursache einer Unterbrechung der Impedanz. In der Tat, nicht nur rechtwinklige Fräsung, aber auch Ecken und Winkelführung können Impedanzänderungen verursachen.
The influence of right-angle routing on the signal is mainly reflected in three aspects:
One is that the corner can be equivalent to a capacitive load on the transmission line, which slows down the rise time;
Second, discontinuous impedance will cause signal Reflexion;
The third is the EWI generated by the right-angle tip.

The parasitic capacitance caused by the right angle of the transmission line can be calculated by the following empirical formula:
C=61W(Er)1/2/2*C*Z0
In the above formula, C refers to the equivalent capacitance of the corner (unit: pF), W refers to the width of the trace (unit: inch), εr bezieht sich auf die dielektrische Konstante des Mediums, und Z0 ist die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung. Zum Beispiel, for a 4Mils 50 ohm transmission line (εr is 4.3), die Kapazität, die durch einen rechten Winkel gebracht wird, beträgt etwa 0.0101pF, and then the rise time change caused by this can be estimated:
T10-90%=2.2*C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps
It can be seen through calculation that the capacitance effect brought by the right-angle trace is extremely small.
Mit zunehmender Linienbreite der rechtwinkligen Spur, die Impedanz dort sinkt, so wird ein bestimmtes Signalreflexionsphänomen auftreten. Wir können die äquivalente Impedanz nach Zunahme der Leitungsbreite nach der Impedanzberechnungsformel berechnen, die im Kapitel Übertragungsleitung erwähnt wird, and then Calculate the reflection coefficient according to the empirical formula:
ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)
Allgemein, Die Impedanzänderung durch rechtwinklige Verdrahtung liegt zwischen 7%-20%, so ist der maximale Reflexionskoeffizient etwa 0.1. Darüber hinaus, wie aus der Abbildung unten ersichtlich ist, die Impedanz der Übertragungsleitung ändert sich auf das Minimum innerhalb der Länge des W/2-Zeile, und kehrt dann nach der Zeit von W auf die normale Impedanz zurück/2. Die gesamte Impedanzänderungszeit ist extrem kurz, oft innerhalb von 10ps. Innen, Alsolche schnellen und kleinen Änderungen sind für die allgemeine Signalübertragung fast vernachlässigbar.

Viele Menschen haben dieses Verständnis von rechtwinkliger Verkabelung. Sie denken, dass die Spitze einfach ist, elektromagnetische Wellen zu senden oder zu empfangen und EMI zu erzeugen. Dies ist einer der Gründe geworden, warum viele Menschen denken, dass rechtwinklige Verkabelung nicht verwendet werden kann. Allerdings, Viele tatsächliche Testergebnisse zeigen, dass rechtwinklige Leiterbahnen nicht offensichtlichere EMI erzeugen als gerade Linien. Möglicherweise schränken die aktuelle Geräteleistung und das Prüfniveau die Genauigkeit des Tests ein, aber zumindest verdeutlicht es ein Problem. Die Strahlung der rechtwinkligen Verkabelung ist bereits kleiner als der Messfehler des Gerätes selbst.
Allgemein, die rechtwinklige Führung ist nicht so schrecklich wie gedacht. Zumindest bei Anwendungen unter GHz, Auswirkungen wie Kapazität, reflection, EMI, etc. sich kaum in TDR-Tests widerspiegeln. Hochgeschwindigkeits-PCB design Ingenieure sollten sich weiterhin auf Layout konzentrieren, Leistung/Bodengestaltung, und Verdrahtungsdesign. Über Löcher und andere Aspekte. Natürlich, obwohl die Auswirkungen der rechtwinkligen Verkabelung nicht sehr ernst ist, Es bedeutet nicht, dass wir alle in Zukunft rechtwinklige Verkabelung verwenden können. Liebe zum Detail ist die Grundqualität, die jeder gute Ingenieur haben muss. Darüber hinaus, mit der rasanten Entwicklung digitaler Schaltungen, PCB Die Frequenz des von Ingenieuren verarbeiteten Signals wird weiter zunehmen. Im Bereich der HF-Konstruktion über 10GHz, Diese kleinen rechten Winkel können zum Fokus von Hochgeschwindigkeitsproblemen werden.
2. Differential routing
Differential signal (Differential Signal) is more and more widely used in high-speed circuit design. Das kritischste Signal in der Schaltung ist oft mit einer Differentialstruktur ausgelegt. Was macht es so beliebt? Wie seine gute Leistung in PCB-Design? Mit diesen beiden Fragen, wir gehen zum nächsten Teil der Diskussion über.

Was ist ein Differenzsignal?? In Laien-Begriffen, Das Antriebsende sendet zwei gleiche und umgekehrte Signale, und das empfangende Ende beurteilt den logischen Zustand "0" oder "1" durch Vergleich der Differenz zwischen den beiden Spannungen. Das Paar von Leitern, die Differenzsignale tragen, wird Differentialspuren genannt.
Im Vergleich zu herkömmlichen Single-Ended Signalspuren, differential signals have the most obvious advantages in the following three aspects:
a. Starke Störfestigkeit, weil die Kopplung zwischen den beiden Differentialspuren sehr gut ist. Bei Störgeräuschen von außen, Sie sind fast an die beiden Linien gleichzeitig gekoppelt, und das Empfangsende kümmert sich nur um den Unterschied zwischen den beiden Signalen. Daher, Das externe Gleichtaktrauschen kann vollständig unterbrochen werden.
b. Sie kann das EWI wirksam unterdrücken. Aus demselben Grund, aufgrund der entgegengesetzten Polarität der beiden Signale, Die von ihnen ausgestrahlten elektromagnetischen Felder können sich gegenseitig aufheben. Je enger die Kupplung, je weniger elektromagnetische Energie an die Außenwelt abgegeben wird.
c. Die Timing-Positionierung ist genau. Weil der Schalterwechsel des Differenzsignals am Schnittpunkt der beiden Signale liegt, im Gegensatz zum gewöhnlichen einseitigen Signal, die von den hohen und niedrigen Schwellenspannungen abhängt, Es wird weniger durch den Prozess und die Temperatur beeinflusst, die den Fehler im Timing reduzieren kann., Aber auch besser geeignet für Signalschaltungen mit geringer Amplitude. The current popular LVDS (low voltage differential signaling) refers to this small amplitude differential signaling technology.
Für PCB-Ingenieure, Die größte Sorge ist, wie sicherzustellen, dass diese Vorteile der Differenzverdrahtung vollständig in der tatsächlichen Verdrahtung genutzt werden können. Vielleicht versteht jeder, der mit Layout in Kontakt war, die allgemeinen Anforderungen der Differentialdrahtung, das ist, "gleiche Länge und gleiche Entfernung". Die gleiche Länge soll sicherstellen, dass die beiden Differenzsignale jederzeit entgegengesetzte Polaritäten beibehalten und die Gleichtaktkomponente reduzieren; Der gleiche Abstand ist hauptsächlich sicherzustellen, dass die Differenzimpedanzen der beiden konsistent sind und Reflexionen reduzieren. "So nah wie möglich" ist manchmal eine der Anforderungen an Differenzverdrahtung. Aber alle diese Regeln werden nicht verwendet, um mechanisch anzuwenden, und viele Ingenieure scheinen immer noch nicht das Wesen der Hochgeschwindigkeits-differenziellen Signalübertragung zu verstehen. Das Folgende konzentriert sich auf einige häufige Missverständnisse im PCB Differential Signal Design.
Missverständnis 1: Es wird angenommen, dass das Differenzsignal keine Erdungsebene als Rückweg benötigt, oder dass die Differentialspuren einander einen Rückweg bieten. Der Grund für dieses Missverständnis ist, dass sie durch oberflächliche Phänomene verwirrt werden, oder der Mechanismus der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung ist nicht tief genug. Aus der Struktur des Empfangsenden in Abbildung 1-8-15, Es ist zu sehen, dass die Emitterströme der Transistoren Q3 und Q4 gleich und gegenläufig sind., and their currents at the ground exactly cancel each other (I1=0), Ähnliche Bounces und andere Rauschsignale, die auf der Leistungs- und Erdungsebene existieren können, sind unempfindlich. Die partielle Rücklaufaufhebung der Masseebene bedeutet nicht, dass der Differenzkreis die Referenzebene nicht als Signalrücklaufweg verwendet. In der Tat, in der Signalrücklaufanalyse, Der Mechanismus der Differenzverdrahtung und der gewöhnlichen einseitigen Verdrahtung ist der gleiche, das ist, Hochfrequenzsignale werden immer mit der kleinsten Induktivität entlang der Schleife zurückgeführt, der größte Unterschied ist, dass neben der Kupplung zum Boden, hat die Differenzlinie auch gegenseitige Kopplung. Welche Art von Kupplung ist stark, welcher zum Hauptrückweg wird. Abbildung 1-8-16 ist ein schematisches Diagramm der geomagnetischen Feldverteilung von einseitigen Signalen und Differenzsignalen.

In PCB-Design, Die Kopplung zwischen Differenzspuren ist im Allgemeinen gering, oft nur 10 bis 20% des Kopplungsgrades, und mehr ist die Kupplung zum Boden, So existiert der Hauptrücklauf der Differentialspur noch auf der Grundebene . Wenn die Bodenebene diskontinuierlich ist, Die Kopplung zwischen den Differentialspuren liefert den Hauptrückweg im Bereich ohne Bezugsebene, wie in Abbildung 1-8-17 dargestellt. Obwohl der Einfluss der Diskontinuität der Bezugsebene auf die Differentialspur nicht so gravierend ist wie der der gewöhnlichen einseitigen Spur, Es wird immer noch die Qualität des Differenzsignals verringern und EMI erhöhen, die möglichst vermieden werden sollten. Einige Konstrukteure glauben, dass die Referenzebene unter der Differentialspur entfernt werden kann, um einige Gleichtaktsignale in der Differenzübertragung zu unterdrücken. Allerdings, Dieser Ansatz ist in der Theorie nicht wünschenswert. Wie man die Impedanz steuert? Das Fehlen einer Erdimpedanzschleife für das Gleichtaktsignal verursacht zwangsläufig EMI-Strahlung. Dieser Ansatz schadet mehr als nützt.

Missverständnis 2: Es wird angenommen, dass der gleiche Abstand wichtiger ist als die Übereinstimmung der Zeilenlänge. In Wirklichkeit Leiterplattenlayout, Es ist oft nicht möglich, die Anforderungen an die Differentialdesign gleichzeitig zu erfüllen. Aufgrund der Existenz von Pin-Verteilung, Durchkontaktierungen, und Verdrahtungsraum, Der Zweck der Linienlängenanpassung muss durch ordnungsgemäße Wicklung erreicht werden, Aber das Ergebnis muss sein, dass einige Bereiche des Differentialpaars nicht parallel sein können. Was sollen wir jetzt tun?? Welche Wahl? Bevor Schlussfolgerungen gezogen werden, Werfen wir einen Blick auf die folgenden Simulationsergebnisse.

Aus den oben genannten Simulationsergebnissen, Die Wellenformen von Schema 1 und Schema 2 sind fast identisch, das heißt,, die Auswirkungen durch den ungleichen Abstand minimal sind. Im Vergleich, die Linienlänge Mismatch hat einen viel größeren Einfluss auf das Timing. ((Schema 3)). Aus der theoretischen Analyse, Obwohl der inkonsistente Abstand dazu führt, dass sich die Differenzimpedanz ändert, weil die Kopplung zwischen dem Differentialpaar selbst nicht signifikant ist, der Impedanzänderungsbereich ist auch sehr klein, normalerweise innerhalb von 10%, die nur einem Durchgang entspricht. Die Reflexion durch das Loch hat keinen signifikanten Einfluss auf die Signalübertragung. Sobald die Linienlänge nicht übereinstimmt, zusätzlich zum Zeitversatz, Gleichtaktkomponenten werden in das Differenzsignal eingebracht, die Qualität des Signals reduziert und die EMI erhöht.
Es kann gesagt werden, dass die wichtigste Regel beim Design von PCB-Differentialspuren die passende Linienlänge ist, und andere Regeln können flexibel nach Konstruktionsanforderungen und tatsächlichen Anwendungen gehandhabt werden.
Missverständnis 3: Denken Sie, dass die Differenzverdrahtung sehr nah sein muss. Die Differentialspuren nahe zu halten ist nichts anderes als ihre Kopplung zu verbessern, die nicht nur die Störfestigkeit verbessern kann, aber auch die entgegengesetzte Polarität des Magnetfeldes nutzen, um elektromagnetische Störungen nach außen auszugleichen. Obwohl dieser Ansatz in den meisten Fällen sehr vorteilhaft ist, es ist nicht absolut. Wenn wir sicherstellen können, dass sie vollständig vor äußeren Störungen abgeschirmt sind, dann müssen wir keine starke Kupplung verwenden, um Interferenzschutz zu erreichen. Und der Zweck der Unterdrückung des EWI. Wie können wir eine gute Isolierung und Abschirmung von Differentialspuren sicherstellen? Das Vergrößern des Abstandes mit anderen Signalspuren ist eine der grundlegendsten Möglichkeiten. Die elektromagnetische Feldenergie nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Generally, wenn der Zeilenabstand das Vierfache der Zeilenbreite überschreitet, die Interferenz zwischen ihnen ist extrem schwach. Kann ignoriert werden. Darüber hinaus, Isolierung durch die Bodenebene kann auch einen guten Abschirmungseffekt spielen. This structure is often used in high-frequency (above 10G) IC package PCB-Design. Es wird eine CPW-Struktur genannt, die strenge Differenzimpedanz gewährleisten kann. Control (2Z0), wie in Abbildung 1-8-19 dargestellt.

Differentialspuren können auch in verschiedenen Signalschichten verlaufen, aber diese Methode wird im Allgemeinen nicht empfohlen, weil die Unterschiede in Impedanz und Durchkontaktierungen, die von verschiedenen Schichten produziert werden, den Effekt der Differentialmodusübertragung zerstören und Gleichtaktrauschen einführen. Darüber hinaus, wenn die beiden benachbarten Schichten nicht fest miteinander verbunden sind, Es verringert die Fähigkeit der Differenzspur, Rauschen zu widerstehen, aber wenn Sie einen angemessenen Abstand zu den umliegenden Spuren halten können, Übersprechen ist kein Problem. At general frequencies (below GHz), Das EWI wird kein ernstes Problem sein. Experimente haben gezeigt, dass die Dämpfung der abgestrahlten Energie in einem Abstand von 500 Mio. von der Differentialspur 60dB bei einem Abstand von 3 Metern erreicht hat, die ausreicht, um den FCC-Standard für elektromagnetische Strahlung zu erfüllen, So muss sich der Konstrukteur nicht zu sehr um die elektromagnetische Inkompatibilität kümmern, die durch unzureichende Differentialkopplung verursacht wird.

3. Serpentine line
Snake line is a type of routing method often used in Layout. Sein Hauptzweck ist es, die Verzögerung anzupassen, um die Systemzeitentwurfsanforderungen zu erfüllen. Der Designer muss zuerst dieses Verständnis haben: Die Serpentinenlinie zerstört die Signalqualität, die Übertragungsverzögerung ändern, und versuchen Sie, es zu vermeiden, wenn Sie es verdrahten. Allerdings, im eigentlichen Design, um sicherzustellen, dass das Signal ausreichend Haltezeit hat, oder um den Zeitversatz zwischen derselben Signalgruppe zu reduzieren, Es ist oft notwendig, den Draht bewusst aufzuwickeln.

So, Welche Wirkung hat die Serpentinenleitung auf die Signalübertragung?? Worauf sollte ich bei der Verdrahtung achten?? The two most critical parameters are the parallel coupling length (Lp) and the coupling distance (S), wie in Abbildung 1-8-21 dargestellt. Offensichtlich, wenn das Signal auf der Serpentinenspur übertragen wird, die parallelen Liniensegmente werden in einem differentiellen Modus gekoppelt. Je kleiner das S und desto größer das Lp, je größer der Kopplungsgrad. Es kann dazu führen, dass die Übertragungsverzögerung reduziert wird, und die Signalqualität wird durch Übersprechen stark reduziert. Der Mechanismus kann sich auf die Analyse von Gleichtakt- und Differenzmodus-Übersprechen in Kapitel 3 beziehen.

The following are some suggestions for Layout engineers when dealing with serpentine lines:
1. Try to increase the distance (S) of parallel line segments, mindestens größer als 3H, H bezieht sich auf den Abstand von der Signalspur zur Referenzebene. In Laien-Begriffen, es ist um eine große Kurve zu gehen. Solange S groß genug ist, der gegenseitige Kopplungseffekt kann nahezu vollständig vermieden werden.
2. Kupplungslänge verringern Lp, Wenn sich die doppelte Lp-Verzögerung der Signalanstiegszeit nähert oder überschreitet, das erzeugte Übersprechen wird Sättigung erreichen.
3. Die Signalübertragungsverzögerung, die durch die Serpentinenleitung der Strip-Line oder Embedded Micro-Strip verursacht wird, ist geringer als die des Micro-Strips. Theoretisch, Die Streifenlinie beeinflusst die Übertragungsrate aufgrund des Differenzmodus-Übersprechens nicht.
4. Für Hochgeschwindigkeits-Signalleitungen und solche mit strengen Zeitanforderungen, Versuchen Sie, keine Schlangenlinien zu verwenden, besonders auf kleinen Flächen.
5. Sie können oft Serpentinenspuren in jedem Winkel verwenden, wie die C-Struktur in Abbildung 1-8-20, die gegenseitige Kopplung effektiv reduzieren kann.
6. In Hochgeschwindigkeits-PCB design, Die Serpentinenleitung hat keine so genannte Filter- oder Anti-Interferenz-Fähigkeit, und kann nur die Signalqualität verringern, so wird es nur für Timing Matching verwendet und hat keinen anderen Zweck.