Leiterplatte Blog - Wie die Leiterplatte die gesamte Signalbandbreite im Trace Length Matching berücksichtigt

Wenn Sie viele lesen LeiterplatteDesignanleitungen, insbesondere solche auf parallelen Protokollen und Differentialpaarrouting, Sie werden viel über Trace length matching sehen. Wenn Sie Spurlängenanpassung benötigen, Ihr Ziel ist es, Differentialpaare in seriellen Protokollen zu minimieren, multiple pairs in parallel protocols (eg PCIe), mehrere Spuren/Die Zeitunterschiede zwischen den einzelnen Protokollen sind quellensynchrone Takte.. CAD-Tools erleichtern das Nachdenken über das Geschehen. Allerdings, was bei anderen Frequenzen passiert? Genauer gesagt, was passiert mit Breitbandsignalen?? Alle digitalen Signale sind Breitbandsignale, deren Frequenzinhalt von DC bis Infinity reicht. Aufgrund der großen Bandbreite an digitalen Signalen, welche Frequenz für die Spurlängenanpassung verwendet werden soll? Leider, die Frequenz, die für die Spurlängenanpassung verwendet wird, ist mehrdeutig, Designer müssen also verstehen, wie sie mit Leiterplatte Trace length matching versus frequency. Um das besser zu verstehen, Wir müssen die Techniken untersuchen, die im BreitbandDesign verwendet werden und wie die gesamte Signalbandbreite beim Trace Length Matching berücksichtigt wird..

Die Beziehung zwischen PCB-Spurenlängenabgleich und Frequenz des Differenzpaares

Die korrekte Anpassung der Leiterbahnlänge an die Frequenz erfordert die Berücksichtigung der gesamten Bandbreite des Signals, das sich auf der Leiterbahn ausbreitet. Dies war in den letzten Jahren Gegenstand der Forschung in differentiellen seriellen Protokollen, wobei Standards wie USB4 spezifische Anforderungen an Breitband-Signalintegritätsmetriken stellen. Einige Beispiele für Breitband-Signalintegritätsmetriken sind:

Integriertes differentielles Übersprechen

Integral Differential Insertion Loss

Integraler Differenzieller Return Loss

Integrale differentielle Impedanzabweichung

Unter "integriert" verstehen wir, dass ein bestimmter Aspekt der Signalintegrität über den gesamten Frequenzbereich des Interesses gilt. Mit anderen Worten, wenn wir differentielles Übersprechen als Beispiel nehmen, wollen wir das differentielle Übersprechen zwischen zwei Differentialpaaren unter eine bestimmte Grenze reduzieren, die im Signalstandard festgelegt ist. Wir werden gleich sehen, warum dies wichtig ist, um Längenabgleich zu verfolgen.

Dispersion

Im Zeitbereich befassen wir uns nur mit dem halben Übergang zwischen HI- und LOW-Zuständen (vorausgesetzt binär), in dem beide Enden des Differentialpaars kreuzen. Offensichtlich verursacht Jitter hier ein Problem, das ist, dass es Ihre Spurenlänge auf eine bestimmte Toleranz begrenzt, so dass Sie nie einen perfekten Übergang an beiden Enden eines Kabelpaares gleichzeitig haben werden. Im Frequenzbereich müssen wir die folgende Streuung berücksichtigen:

Geometrische Dispersion: Dies ist auf die Randbedingungen und Geometrie der Verbindung zurückzuführen, die dann bestimmt, wie die Impedanz der Verbindung mit der Geometrie variiert.

Dielektrische Diffusion: Diese tritt im Leiterplattensubstrat auf und ist unabhängig von der Geometrie der Verbindungen auf der Leiterplatte. Sie umfasst Streuung und Verlust von DK.

Rauheitsdispersion: Diese zusätzliche Dispersion tritt aufgrund der Kausalität im Kupferrauheitsmodell und des Hauteffekts bei hohen Frequenzen auf.

Fasergewebe-Dispersion: Fasergewebe in Leiterplattenlaminaten erzeugt periodische Dispersionsänderungen während der Verbindung.

Da diese Streuungsquellen immer in den Leiterbahnen vorhanden sind, bewirken sie, dass Impedanz, Geschwindigkeit und alle anderen Signalintegritätsmetriken der tatsächlichen Leiterplatten-Leiterbahnen eine Funktion der Frequenz sind.

Signalgeschwindigkeit

Wenn Sie mit der Theorie der Übertragungsleitung vertraut sind, dann wissen Sie, dass Impedanz und Signalgeschwindigkeit eng miteinander verbunden sind. Nehmen wir als Beispiel die Signalgeschwindigkeit einer Leiterplattenprozesse. Die folgende Abbildung zeigt die Gruppen- und Phasengeschwindigkeiten einer simulierten Stripline mit Rauheit und Dispersion. Gruppen- und Phasengeschwindigkeiten von Signalen auf einer Beispielstripline mit Kupferrauhigkeit und dielektrischer Dispersion. Hier können wir sehen, dass die Phasengeschwindigkeit über einen weiten Frequenzbereich stark variiert, von 1MHz bis 20GHz um einen Faktor von 2. Die Änderung der Phasengeschwindigkeit ist hier ein wichtiger Parameter, da dies die Rate ist, mit der sich verschiedene Frequenzkomponenten entlang der Verbindung ausbreiten. Mit dieser Änderung können wir sehen, wie schwierig es wird, die Länge der Leiterplatten-Leiterbahnen an die Frequenz für praktische Verbindungen anzupassen. Wir brauchen einen Weg, alle Frequenzen zu berücksichtigen, nicht nur eine willkürlich gewählte einzelne Frequenz.

Breitbandlänge Matching vs. Frequenz

Um ein Maß für Längenabgleich zu formulieren, müssen wir die zulässige Längenabweichung für einen gegebenen Signalstandard berücksichtigen. Wir nennen dies Zeitverzerrung tlim. Die Funktion k ist hier einfach die Ausbreitungskonstante des Signals auf der Verbindungsleitung, die auch eine Funktion der Frequenz aufgrund der Streuung ist, abhängig von der Länge der zulässigen Zeitabweichung. Wir können einen statistischen Ansatz verfolgen, um zulässige Längenanpassungen mit einer Methode zu behandeln, die als "Lp-Norm" bezeichnet wird. Ohne zu tief in die Mathematik zu gehen, wissen Sie nur, dass dieses Maß gleichwertig ist mit der Berechnung der RMS-Differenz zwischen einer Funktion und einem Mittelwert, der sich nur durch eine Konstante unterscheidet. Dies macht es zu einem idealen mathematischen Werkzeug, um Abweichungen zwischen bestimmten Zieldesignwerten und Signalintegritätsmetriken (Impedanz, Impulsantwortdämpfung/Verzögerung, Übersprecherstärke usw.) zu adressieren. Mit Hilfe der Lp-Norm können wir die zulässige Längenabpassung in Bezug auf eine Obergrenze umschreiben, die durch das Timing Mismatch Limit tlim definiert wird, entsprechend der Längenabänderung der zulässigen Timing Variation.

Bei Verwendung von Breitband-Signalintegritätsmetriken für Leiterplatte design, Die obige Gleichung kann als Bedingung betrachtet werden:, Dies kann die Differenz zwischen den Enden eines Differentialpaars oder zwischen zwei Spuren in der Gesamtlänge beeinflussen.. Paralleles Hochgeschwindigkeitsprotokoll. Das Integral ist einfach zu berechnen, solange Sie die Ausbreitungskonstante der Übertragungsleitung kennen. Dieser Wert kann dann mit einem Feldlöser berechnet werden, Ein analytisches Modell mit Standard-Übertragungsleitungsgeometrie zur manuellen Berechnung. Nur um den Berechnungen ein paar Zahlen zu geben, wenn ich die Phasengeschwindigkeiten der oben gezeigten simulierten Stripline verwende, Wir sehen, dass es eine Abweichung in den zulässigen Längen zwischen zwei einseitigen vollständig isolierten Leiterbahnen parallel gibt, wenn die zulässigen Werte angegeben sind..07mm. Beachten Sie, dass für 10ps, Dies ist ein großer Bruchteil der Kantenrate vieler digitaler Hochgeschwindigkeitssignale. Für den Streifen, den ich oben simuliert habe, Dies entspricht einem zulässigen Längenmiss von 1.3041mm. Zusammenfassend, Wir haben gezeigt, dass die Verwendung der Lp-Norm reduzieren kann Leiterplatte Trace length matching versus frequency to a single metric. Wenn Sie ein Leiterplatte Designer, Sie müssen diese Berechnung nicht manuell durchführen, Sie müssen nur die richtige Leiterplatte Routing-Toolset.