Leiterplattentechnisch - Zusammenfassung der Erfahrungen: PCB Routing Skills

Layout ist eine der grundlegendsten beruflichen Fähigkeiten für Leiterplattendesigner. Die Qualität der Verkabelung wirkt sich direkt auf die Leistung des gesamten Systems aus. Die meisten High-Speed Design Theorien müssen schließlich implementiert und durch Layout verifiziert werden. Es kann gesehen werden, dass die Verdrahtung im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design sehr wichtig ist. Im Folgenden wird die Rationalität einiger Situationen analysiert, die in der tatsächlichen Verdrahtung auftreten können, und einige optimierte Routing-Strategien geben. Es wird hauptsächlich aus drei Aspekten erklärt: rechtwinklige Verdrahtung, Differenzverdrahtung und Serpentinenleitung.

1. Rechtwinklige Fräsung

Rechtwinklige Verdrahtung ist in der Regel eine Situation, die bei der PCBwiring weitestgehend vermieden werden muss, und sie ist fast zu einem der Standards für die Messung der Verdrahtungsqualität 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 kann nicht nur das rechtwinklige Fräsen, sondern auch Ecken, das scharfe Fräsen 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 erzeugt wird. EMI.

Die parasitäre Kapazität, die durch den rechten Winkel der Übertragungsleitung verursacht wird, kann durch die folgende empirische Formel berechnet werden: C=61W(Er)1/2/Z0 In der obigen Formel bezieht sich C auf die äquivalente Kapazität der Ecke (Einheit: pF), und W bezieht sich auf Gehen Die Breite der Linie (Einheit: Zoll), εr bezieht sich auf die dielektrische Konstante des Mediums, und Z0 ist die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung. Für eine 4Mils 50 Ohm Übertragungsleitung (<εr=4.3) beträgt die Kapazität, die durch einen rechten Winkel erzeugt 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 durch die rechtwinklige Verdrahtung 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 beträgt. Darüber hinaus kann man sehen, dass sich die Impedanz der Übertragungsleitung während der Länge der W/2-Leitung auf das Minimum ändert und dann nach der Zeit von W/2 auf die normale Impedanz zurückkehrt. Die gesamte Impedanzänderungszeit ist extrem kurz, oft innerhalb von 10ps. Schnelle und kleine Änderungen sind für die allgemeine Signalübertragung fast vernachlässigbar.

Viele Menschen haben dieses Verständnis von rechtwinkliger Verkabelung und denken, dass die Spitze einfach ist, elektromagnetische Wellen zu übertragen oder zu empfangen und EMI zu erzeugen. Dies ist auch einer der Gründe geworden, warum viele Menschen denken, dass rechtwinklige Verkabelungen nicht verlegt 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 ist die rechtwinklige Fräsung nicht so schrecklich wie gedacht. Zumindest bei Anwendungen unterhalb GHz werden im TDR-Test Effekte wie Kapazität, Reflexion, EMI etc. kaum reflektiert. Der Fokus der Hochgeschwindigkeits-PCB-Design-Ingenieure sollte immer noch auf Layout, Strom-/Erdungs-Design und Verdrahtungsdesign liegen. Über Löcher und andere Aspekte. Natürlich, obwohl die Auswirkungen der rechtwinkligen Verkabelung nicht sehr ernst sind, bedeutet dies nicht, dass wir alle rechtwinklige Verkabelung in Zukunft verwenden können. Die Aufmerksamkeit auf Details ist die Grundqualität, die jeder herausragende Ingenieur haben muss. Darüber hinaus mit der schnellen Entwicklung digitaler Schaltungen, PCB Die Signalfrequenz, mit der sich der Ingenieur befasst, wird auch weiterhin zunehmen, auf das HF-Designfeld über 10GHz, können diese kleinen rechten Winkel zum Fokus von Hochgeschwindigkeitsproblemen werden.

2 Differenzverdrahtung

Differentialsignal (Differentialsignal) wird mehr und mehr im Hochgeschwindigkeitsschaltungsdesign verwendet. Das kritischste Signal in der Schaltung ist oft mit einer differentiellen Struktur ausgelegt. Was macht es so beliebt? Wie stellt man seine gute Leistung im PCB-Design sicher? Mit diesen beiden Fragen gehen wir zum nächsten Teil der Diskussion über. Was ist ein Differenzsignal? In Laienangaben sendet das Antriebsende zwei gleiche und umgekehrte Signale, und das Empfangsende beurteilt den Logikzustand "0" oder "1", indem es die Differenz zwischen den beiden Spannungen vergleicht. 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 Störfestigkeit, weil die Kopplung zwischen den beiden Differenzspuren sehr gut ist, wenn es Rauschstörungen von außen gibt, sind sie fast mit den beiden Leitungen gleichzeitig 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 kann sich aufgrund der entgegengesetzten Polarität der beiden Signale das von ihnen ausgestrahlte elektromagnetische Feld gegenseitig aufheben. Je enger die Kupplung, desto weniger elektromagnetische Energie wird nach außen entlüftet.

c. Die Zeitpositionierung ist genau. Da die Schalterwechsel des Differenzsignals am Schnittpunkt der beiden Signale liegt, im Gegensatz zum gewöhnlichen einseitigen Signal, das von den hohen und niedrigen Schwellenspannungen abhängt, wird es weniger durch den Prozess und die Temperatur beeinflusst und kann den Fehler im Timing verringern., Es eignet sich auch besser für Schaltungen mit Signalen mit geringer Amplitude.

Die aktuelle populäre LVD (ow voltage differential signaling) bezieht sich auf diese kleine Amplitudendifferenzsignalisierungstechnologie. Für PCB-Ingenieure ist die größte Sorge, wie sicherzustellen, dass diese Vorteile der Differenzverdrahtung vollständig in der tatsächlichen Verdrahtung genutzt werden können. Die gleiche Länge soll sicherstellen, dass die beiden Differenzsignale jederzeit die entgegengesetzte Polarität beibehalten und die Gleichtaktkomponente reduzieren; Der gleiche Abstand soll hauptsächlich sicherstellen, dass die Differenzimpedanz der beiden konsistent ist und die Reflexion reduziert. "So nah wie möglich" ist manchmal eine der Anforderungen an die Differentialdrahtung. 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: Denken Sie daran, dass das Differentialsignal 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 nicht tief genug ist. Aus der Struktur des Empfangsenden kann ersichtlich werden, dass die Emitterströme der Transistoren Q3 und Q4 gleich und entgegengesetzt sind, und dass ihre Ströme am Boden sich genau aufheben (I1=0), so dass die Differenzschaltung für ähnliche Erdstöße und andere mögliche Existenz ist. Die partielle Rücklaufaufhebung der Masseebene bedeutet nicht, dass der Differenzkreis die Referenzebene nicht als Signalrücklaufweg verwendet. In der Tat ist in der Signalrücklaufanalyse der Mechanismus der Differenzverdrahtung und der gewöhnlichen einseitigen Verdrahtung derselbe, das heißt, Hochfrequenzsignale werden immer entlang der Schleife mit der kleinsten Induktivität nachgeführt, der größte Unterschied besteht darin, dass neben der Kopplung zur Erde die Differenzleitung auch gegenseitige Kopplung aufweist. Welche Art von Kopplung ist stark, welche wird zum Hauptrückweg.

Im PCBcircuit Design ist die Kopplung zwischen Differentialspuren im Allgemeinen klein, oft nur für 10-20% des Kopplungsgrades, und mehr ist die Kopplung an den Boden, so dass der Hauptrücklauf der Differentialspure immer noch auf der Erdungsebene existiert. Wenn es eine Diskontinuität in der Erdungsebene gibt, liefert die Kopplung zwischen den Differentialspuren den Hauptrückweg in dem Bereich ohne Bezugsebene. Obwohl der Einfluss der Diskontinuität der Bezugsebene auf die Differentialspur nicht so gravierend ist wie der der gewöhnlichen einseitigen Spur, wird es immer noch die Qualität des Differenzsignals verringern und das EMI erhöhen, was so weit wie möglich vermieden werden sollte. Einige Konstrukteure glauben auch, dass die Referenzebene unter der Differentialspur entfernt werden kann, um einen Teil des Gleichtaktsignals in der differentiellen Übertragung zu unterdrücken, aber dieser Ansatz ist in der Theorie nicht wünschenswert. Wie steuert man die Impedanz? Stellen Sie keine Erdimpedanzschleife für das Gleichtaktsignal bereit, die unweigerlich EMI-Strahlung verursachen wird, und diese Praxis ist schädlicher.

Missverständnis 2: Es wird angenommen, dass der gleiche Abstand wichtiger ist als die Übereinstimmung der Zeilenlänge. Im eigentlichen PCB-Layout ist es oft nicht in der Lage, die Anforderungen des Differentialdesigns gleichzeitig zu erfüllen. Aufgrund der Existenz von Faktoren wie Pin-Verteilung, Durchkontaktierungen und Verdrahtungsraum muss die richtige Wicklung verwendet werden, um den Zweck der Linienlängenanpassung zu erreichen, 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. die Auswirkungen, die durch den ungleichen Abstand verursacht werden, minimal sind. Im Vergleich dazu hat die Linienlängenverschiedenheit einen viel größeren Einfluss auf das Timing. (Schema 3). Aus der theoretischen Analyse, obwohl der inkonsistente Abstand zur Änderung der Differenzimpedanz führt, weil die Kopplung zwischen dem Differenzpaar selbst nicht signifikant ist, ist der Impedanzänderungsbereich auch sehr klein, in der Regel 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 der PCB-Differenzverdrahtung die passende Leitungslänge ist, und andere Regeln können entsprechend den Designanforderungen und praktischen Anwendungen flexibel gehandhabt werden.

Missverständnis 3: Denken Sie, dass die Differenzverdrahtung sehr nah sein muss. Die Nähe der Differentialspuren zu halten, ist nichts anderes als ihre Kopplung zu verbessern, was nicht nur die Störfestigkeit verbessern kann, sondern auch die entgegengesetzte Polarität des Magnetfeldes voll ausnutzen kann, um elektromagnetische Störungen nach außen auszugleichen. Obwohl dieser Ansatz in den meisten Fällen sehr vorteilhaft ist, ist er nicht absolut. Wenn wir sicherstellen können, dass sie vollständig vor äußeren Störungen abgeschirmt sind, müssen wir nicht mehr durch starke Kopplung untereinander Anti-Interferenz erreichen. Und der Zweck, EMI zu unterdrücken. 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. Im Allgemeinen ist die Interferenz zwischen den Zeilen extrem schwach, wenn der Zeilenabstand das 4-fache der Linienbreite überschreitet. Im Grunde kann es ignoriert werden. Darüber hinaus kann die Isolation durch die Bodenebene auch eine gute Abschirmfunktion spielen. Diese Struktur wird oft beim Entwurf von Hochfrequenz-IC-Paket-Leiterplatten (über 10g) verwendet. Es wird die cpw-Struktur genannt, die eine strenge differentielle Impedanz gewährleisten kann. Steuerung (2z0). < span="">

Differentialspuren können auch in verschiedenen Signalschichten laufen, aber dieser Ansatz wird im Allgemeinen nicht empfohlen, da die Unterschiede in Impedanz und Durchkontaktierungen, die von verschiedenen Schichten erzeugt 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 500Mils 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.