Leiterplattentechnisch - Wie berücksichtigt PCB die gesamte Signalbandbreite bei der Linienlängenanpassung

Die Beziehung zwischen Leiterplatte Routing Längenabgleich und Häufigkeit von Differenzpaaren

Die korrekte Abstimmung von Spurenlänge und Frequenz sollte die gesamte Bandbreite des Signals berücksichtigen, das sich entlang der Spur ausbreitet. Dies ist seit einigen Jahren Gegenstand differentieller serieller Protokolle, wobei Standards wie USB4 spezifische Anforderungen an Breitband-Signalintegritätsindikatoren stellen. Einige Beispiele für Breitband-Signalintegritätsindikatoren sind:

Integriertes differentielles Übersprechen

Integrale Differenzeinfügungsverluste

Integrale Differenzrentabilitätsverluste

Integrale Differenzimpedanzabweichung

Unter "Integration" verstehen wir, dass spezifische Aspekte der Signalintegrität über den relevanten Frequenzbereich hinweg gelten. Mit anderen Worten, wenn wir zum Beispiel differentielles Übersprechen nehmen, wollen wir das differentielle Übersprechen zwischen zwei Differenzpaaren auf eine bestimmte Grenze reduzieren, wie im Signalstandard angegeben. Wir werden gleich sehen, warum dies wichtig ist, um Längenanpassungen zu verfolgen.

verstreut

Im Zeitbereich kümmern wir uns nur um den halben Übergang zwischen den beiden Enden des Differenzpaares, der gleichzeitig die HI- und LOW-Zustände kreuzt (angenommen binär). Offensichtlich stellt Jitter hier ein Problem dar, da es Ihre Linienlänge auf eine bestimmte Toleranz begrenzt, so dass Sie nie die Enden eines Linienpaares perfekt zur gleichen Zeit Übergang bekommen. Im Frequenzbereich müssen wir die Streuung aus den folgenden Quellen berücksichtigen:

Geometrische Dispersion: Diese wird durch die Randbedingungen und Geometrie der Verbindungen verursacht, die dann bestimmen, wie die Impedanz der Verbindungen mit der Geometrie variiert.

Dielektrische Diffusion: Diese tritt im PCB-Substrat auf und ist unabhängig von der Geometrie der Verbindung auf der Leiterplatte. Es umfasst Dk-Dispersion und -Verlust.

Rauheitsdispersion: Diese zusätzliche Dispersionsquelle tritt aufgrund der Kausalität des Kupferrauheitsmodells und des Hauteffekts bei hohen Frequenzen auf.

Dispersion von Fasergeflecht: Fasergeflecht in PCB-Laminaten erzeugt periodische Dispersionsänderungen während der Verbindung.

Da diese Dispersionsquellen immer in der Verdrahtung vorhanden sind, verursachen sie die Impedanz, Geschwindigkeit,

und alle anderen Indikatoren der Signalintegrität der tatsächlichen Leiterplattenverdrahtung, um Frequenzfunktionen zu sein. Ein Beispiel, das zeigt, wie sich die Dispersion im realen Teil des Dk auf die Impedanz der Mikrostreifenverdrahtung auswirkt, ist unten gezeigt.

Das Geschwindigkeitssignal

Wenn Sie mit der Theorie der Übertragungsleitung vertraut sind, dann wissen Sie, dass die Impedanz eng mit der Signalgeschwindigkeit zusammenhängt. Nehmen wir die Signalgeschwindigkeit der PCB-Verdrahtung als Beispiel. Die folgende Abbildung zeigt die Gruppen- und Phasengeschwindigkeiten simulierter Bänder mit Rauheit und Dispersion.

Gruppengeschwindigkeit und Phasengeschwindigkeit eines Messbandliniensignals mit Kupferrauhigkeit und dielektrischer Dispersion.

Hier sehen wir, dass die Phasengeschwindigkeit über einen weiten Frequenzbereich stark variiert, bis zu einem Faktor von 2 von 1MHz bis 20GHz. Die Änderung der Phasengeschwindigkeit ist hier ein wichtiger Parameter, da dies die Geschwindigkeit ist, mit der sich die verschiedenen Frequenzkomponenten entlang der Verbindung ausbreiten. Durch diese Änderung können wir sehen, wie schwierig PCB-Leiterplattenlangenabgleich und Frequenzabgleich für praktische Verbindungen werden. Wir brauchen einen Weg, alle Frequenzen zu berücksichtigen, nicht nur willkürlich ausgewählte Einzelfrequenzen.

Breitbandlängenanpassung und Frequenz

Um ein Maß für Längenabgleich zu entwickeln, müssen wir die zulässige Längenabweichung für einen gegebenen Signalstandard berücksichtigen. Wir nennen diese Zeitabweichung TLIM. Wir können die folgenden Gleichungen für Längentoleranzen und zulässige Timing-Abweichungen schreiben:

Eine Änderung der Länge entsprechend der zulässigen zeitlichen Variation.

Dabei ist die Funktion K einfach die Ausbreitungskonstante des Signals über die Verbindung, die auch eine Funktion der Frequenz aufgrund der Streuung ist. Wir können statistische Methoden verwenden, um zulässige Längenabstimmungen mit Hilfe der sogenannten "Lp-Norm" zu behandeln. Ohne zu tief in die Mathematik zu vertiefen, sollten Sie nur wissen, dass dieses Maß der Berechnung der RMS-Differenz zwischen einer Funktion und einem Durchschnitt entspricht, der sich nur um eine Konstante unterscheidet. Damit ist es ein ideales mathematisches Werkzeug, um Abweichungen zwischen bestimmten Zieldesignwerten und Signalintegritätsmaßen (Impedanz, Impulsantwortdämpfung/Verzögerung, Übersprecherintensität usw.) zu adressieren.

Mit Hilfe der Lp-Norm können wir die zulässigen Längenabstimmungen neu schreiben, basierend auf einigen Obergrenzen, die von tLIM für Zeitabweichungen definiert wurden:

Eine Änderung der Länge entsprechend der zulässigen zeitlichen Variation.

Beim Entwurf einer Leiterplatte unter Verwendung von Breitband-Signalintegritätsmetriken kann die obige Gleichung als Einschränkung betrachtet werden: Bei der Bestimmung der Größe einer Übertragungsleitung kann dies die zulässige Gesamtlängenabweichung zwischen zwei Linien in oder zwischen den Enden eines Differenzpaares beeinflussen. Hochgeschwindigkeits-Parallelprotokoll. Das Integral ist einfach zu berechnen, solange Sie die Ausbreitungskonstante der Übertragungsleitung kennen. Dieser Wert kann dann mit einem Feldlöser und manuell durch ein Analysemodell mit Standard-Getriebeleitungsgeometrie berechnet werden.

Um nur einige Zahlen für die Berechnung bereitzustellen, wenn ich die Phasengeschwindigkeit des oben gezeigten Analogstreifens verwende, stellen wir fest, dass die zulässige Längenmissepartie zwischen parallelen einzelenden vollständig isolierten Leiterbahnen 2,07mm beträgt und die Timing-Mismatch 10ps ist, wenn der zulässige Wert erlaubt ist. Beachten Sie, dass dies für 10ps ein großer Teil der Kantenrate vieler digitaler Hochgeschwindigkeitssignale ist. Für die oben simulierte Bandlinie entspricht dies 1,3041 mm zulässiger Längenabgleich