PCB-Neuigkeiten - 3 Missverständnisse der Verdrahtung 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 very important in High-Speed 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. Rechtwinklige Fräsung

Rechtwinklige Verdrahtung ist im Allgemeinen eine Situation, die bei der Leiterplattenverdrahtung so weit wie möglich vermieden werden muss, und sie ist fast zu einem der Standards für die Messung der Qualität der Verdrahtung geworden. Welchen Einfluss hat also die rechtwinklige Verdrahtung auf die Signalübertragung? Grundsätzlich ändert das rechtwinklige Routing die Leitungsbreite der Übertragungsleitung, was zu einer Unterbrechung der Impedanz führt. Tatsächlich können nicht nur rechtwinklige Fräsungen, sondern auch Ecken und Akutwinkel-Fräsungen Impedanzänderungen verursachen. Der Einfluss der rechtwinkligen Verdrahtung auf das Signal spiegelt sich hauptsächlich in drei Aspekten wider: Erstens kann die Ecke einer kapazitiven Last auf der Übertragungsleitung entsprechen, die die Anstiegszeit verlangsamt; Die andere ist, dass Impedanzkonstinuität Signalreflexion verursacht; Die dritte ist, dass die rechtwinklige Spitze EWI erzeugt wird.

Die parasitäre Kapazität, die durch den rechten Winkel der Übertragungsleitung verursacht wird, kann anhand der folgenden empirischen Formel berechnet werden:

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

In der obigen Formel bezieht sich C auf die äquivalente Kapazität der Ecke (Einheit: pF), W auf die Breite der Spur (Einheit: Zoll), εr auf die dielektrische Konstante des Mediums und Z0 ist die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung. Zum Beispiel für eine 4Mils 50 Ohm Übertragungsleitung (εr ist 4,3), beträgt die Kapazität, die durch einen rechten Winkel gebracht wird, etwa 0,0101pF, und dann kann die dadurch verursachte Anstiegszeit abgeschätzt werden:

T10-90%=2.2*C*Z0/2=2.2*0.0101*50/2=0.556ps

Durch Berechnungen lässt sich erkennen, dass der Kapazitätseffekt der rechtwinkligen Spur extrem gering ist.

Wenn die Linienbreite der rechtwinkligen Spur zunimmt, nimmt die Impedanz dort ab, so dass ein bestimmtes Signalreflexionsphänomen auftritt. Wir können die äquivalente Impedanz berechnen, nachdem die Linienbreite steigt gemäß der Impedanzberechnungsformel, die im Übertragungsleitungskapitel erwähnt wird, und dann den Reflexionskoeffizienten nach der empirischen Formel berechnen: ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0). Im Allgemeinen liegt die Impedanzänderung, die durch rechtwinklige Verdrahtung verursacht wird, zwischen 7%-20%, so dass der maximale Reflexionskoeffizient etwa 0.1 ist. Darüber hinaus, wie aus der Abbildung unten gesehen werden kann, ändert sich die Impedanz der Übertragungsleitung auf das Minimum innerhalb der Länge der W/2-Leitung und kehrt dann zur normalen Impedanz nach der Zeit von W/2 zurück. oft innerhalb von 10ps. Im Inneren sind solche schnellen und kleinen Änderungen 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 Verkabelungen nicht verwendet werden können. Viele tatsächliche Testergebnisse zeigen jedoch, dass rechtwinklige Leiterbahnen keine offensichtlichen EMI erzeugen als gerade Linien. Vielleicht schränken die aktuelle Geräteleistung und das Testniveau 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.

Im Allgemeinen, die rechtwinklige Führung ist nicht so schrecklich wie gedacht. Zumindest bei Anwendungen unter GHz, Auswirkungen wie Kapazität, Reflexion, EMI, etc. sich kaum in TDR-Tests widerspiegeln. High-Speed 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. Differentielles Routing

Differential signal (DifferentialSignal) 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 gewöhnlichen einseitigen Signalspuren haben Differenzsignale die offensichtlichsten Vorteile in den folgenden drei Aspekten:

a. Starke Anti-Interferenz Fähigkeit, weil die Kopplung zwischen den beiden differentiellen Spuren sehr gut ist. Bei Störgeräuschen von außen sind sie fast gleichzeitig an die beiden Leitungen gekoppelt, und das Empfangsende kümmert sich nur um den Unterschied zwischen den beiden Signalen. Dadurch kann das externe Gleichtaktrauschen vollständig abgebrochen werden.

b. Es kann EMI wirksam unterdrücken. Aus dem gleichen Grund können sich die von ihnen ausgestrahlten elektromagnetischen Felder aufgrund der entgegengesetzten Polarität der beiden Signale gegenseitig aufheben. Je enger die Kupplung, desto weniger elektromagnetische Energie wird nach außen entlüftet.

c. Die Zeitpositionierung ist genau. Da der Schalterwechsel des Differenzsignals am Schnittpunkt der beiden Signale liegt, im Gegensatz zum gewöhnlichen einseitigen Signal, das von den hohen und niedrigen Schwellenspannungen abhängt, um zu bestimmen, wird er weniger durch den Prozess und die Temperatur beeinflusst, was den Fehler in der Zeit verringern kann., Aber auch besser geeignet für Signalschaltungen mit geringer Amplitude. Das aktuell beliebte LVDS (Low Voltagedifferentialsignaling) bezieht sich auf diese kleine Amplitudendifferenzsignaltechnologie.

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. Im Folgenden werden einige häufige Missverständnisse in der Leiterplatte Differenzsignaldesign.

Missverständnis 1: Es wird angenommen, dass das Differentialsignal keine Erdungsebene als Rückweg benötigt, oder dass die Differentialspuren einen Rückweg füreinander bereitstellen. Der Grund für dieses Missverständnis ist, dass sie durch oberflächliche Phänomene verwirrt werden oder der Mechanismus der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung nicht tief genug ist. Aus der Struktur des Empfangsenden der Abbildung 1-8-15 kann ersichtlich werden, dass die Emitterströme von Transistoren Q3 und Q4 gleich und entgegengesetzt sind, und dass ihre Ströme am Boden sich genau aufheben (I1=0), so dass die Differenzschaltung ähnliche Bounces und andere Rauschsignale, die auf der Leistungs- und Erdungsebene existieren können, unempfindlich sind. Die partielle Rücklaufaufhebung der Masseebene bedeutet nicht, dass der Differenzkreis die Referenzebene nicht als Signalrücklaufweg verwendet. Tatsächlich ist in der Signalrücklaufanalyse der Mechanismus der Differenzverdrahtung und der gewöhnlichen einseitigen Verdrahtung derselbe, das heißt, Hochfrequenzsignale sind immer Reflux entlang der Schleife mit der kleinsten Induktivität. Der größte Unterschied besteht darin, dass neben der Kopplung zum Boden die Differenziallinie auch gegenseitige Kopplung aufweist. Welche Art von Kopplung stark ist, wird der Hauptrückweg. 1-8-16 ist ein schematisches Diagramm der geomagnetischen Feldverteilung von einseitigen Signalen und Differentialsignalen.

In PCB-Schaltungsdesign, 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. Im eigentlichen PCB-Layout ist es oft nicht möglich, die Anforderungen an das Differentialdesign gleichzeitig zu erfüllen. Aufgrund der Existenz von Pin-Verteilung, Durchkontaktierungen und Verdrahtungsraum muss der Zweck der Linienlängenanpassung 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 wir Schlussfolgerungen ziehen, werfen wir einen Blick auf die folgenden Simulationsergebnisse.

Aus den obigen Simulationsergebnissen kann man sehen, dass die Wellenformen von Schema 1 und Schema 2 fast übereinstimmen, d.h. der Einfluss, der durch den ungleichen Abstand verursacht wird, minimal ist. Im Vergleich dazu ist der Einfluss der Linienlängenunterschiede auf das Timing viel größer. (Schema 3). Obwohl der inkonsistente Abstand zu einer Änderung der Differenzimpedanz führt, weil die Kopplung zwischen dem Differenzpaar selbst nicht signifikant ist, ist der Impedanzänderungsbereich auch sehr klein, normalerweise innerhalb von 10%, was nur einem Durchgang entspricht. Die Reflexion durch das Loch hat keinen signifikanten Einfluss auf die Signalübertragung. Sobald die Leitungslänge nicht übereinstimmt, werden zusätzlich zum Timing-Offset Gleichtaktkomponenten in das Differenzsignal eingebracht, was die Signalqualität reduziert und die EMI erhöht.

Es kann gesagt werden, dass die wichtigste Regel beim Design von PCB-Differentialspuren die passende Linienlänge ist. Andere Regeln können je nach Konstruktionsanforderungen und tatsächlichen Anwendungen flexibel gehandhabt werden.

Missverständnis 3: Es wird angenommen, 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. Allgemein, 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 eine gute Abschirmrolle 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 laufen, aber diese Methode wird im Allgemeinen nicht empfohlen, da die Unterschiede in Impedanz und Durchkontaktierungen, die von verschiedenen Schichten produziert werden, den Effekt der Differentialmodusübertragung zerstören und Gleichtaktrauschen einführen. Wenn die benachbarten beiden Schichten nicht fest gekoppelt sind, verringert dies die Fähigkeit der Differenzspur, Rauschen zu widerstehen, aber wenn Sie einen angemessenen Abstand zu den umliegenden Spuren beibehalten können, ist Übersprechen kein Problem. Bei allgemeinen Frequenzen (unter GHz) wird EMI kein ernsthaftes Problem darstellen. Experimente haben gezeigt, dass die Dämpfung der abgestrahlten Energie in einem Abstand von 500 Mils von der Differentialspur 60dB in einem Abstand von 3 Metern erreicht hat, was ausreicht, um den FCC-Standard für elektromagnetische Strahlung zu erfüllen, so dass der Konstrukteur nicht zu viel über die elektromagnetische Inkompatibilität sorgen muss, die durch unzureichende differentielle Linienkopplung verursacht wird.

3. Schlangenlinie

Schlangenlinie ist eine Art Routing-Methode, die häufig im Layout verwendet wird. Sein Hauptzweck ist es, die Verzögerung anzupassen, um die Systemzeitentwurfsanforderungen zu erfüllen. Der Designer muss zuerst dieses Verständnis haben: Die Serpentinenleitung zerstört die Signalqualität, ändert die Übertragungsverzögerung und versucht, sie bei der Verdrahtung zu vermeiden. Um jedoch sicherzustellen, dass das Signal ausreichend Haltezeit hat, oder um den Zeitversatz zwischen derselben Signalgruppe zu reduzieren, ist es oft notwendig, den Draht bewusst aufzuwickeln. Welchen Effekt hat die Serpentinenleitung auf die Signalübertragung? Worauf sollte ich bei der Verkabelung achten? Die beiden wichtigsten Parameter sind die parallele Kopplungslänge (Lp) und der Kopplungsabstand (S), wie in Abbildung 1-8-21 gezeigt. Wenn das Signal auf der Serpentinenspur übertragen wird, werden die parallelen Liniensegmente natürlich differentiell gekoppelt. Je kleiner das S und je größer das Lp, desto größer der Kopplungsgrad. Es kann dazu führen, dass die Übertragungsverzögerung reduziert wird und die Signalqualität aufgrund von Übersprechen stark reduziert wird. Der Mechanismus kann sich auf die Analyse von Gleichtakt- und Differentialmodus-Übersprechen in Kapitel 3 beziehen.

1. Versuchen Sie, den Abstand (S) von parallelen Liniensegmenten zu erhöhen, mindestens größer als 3H, H bezieht sich auf den Abstand von der Signalspur zur Referenzebene. In Laien-Begriffen heißt es, um eine große Kurve zu gehen. Solange S groß genug ist, kann der gegenseitige Kopplungseffekt nahezu vollständig vermieden werden.

2. Reduzieren Sie die Kopplungslänge Lp, wenn sich die doppelte Lp-Verzögerung der Signalanstiegszeit nähert oder überschreitet, erreicht das erzeugte Übersprechen die Sättigung.

3. Die Signalübertragungsverzögerung, die durch die Serpentinenleitung der Strip-Line oder des eingebetteten Micro-Strips verursacht wird, ist geringer als die des Micro-Strips. Theoretisch beeinflusst die Streifenlinie die Übertragungsrate aufgrund des Differenzmodus-Übersprechens nicht.

4. Für Hochgeschwindigkeitssignalleitungen und solche mit strengen Zeitanforderungen, versuchen Sie, keine Serpentinenleitungen zu verwenden, besonders in kleinen Bereichen.

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 High-Speed 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.

7. Manchmal können Sie Spiralführung für das Wickeln in Betracht ziehen. Die Simulation zeigt, dass seine Wirkung besser ist als die normale Serpentinenführung.