Noticias de PCB - Tres malentendidos sobre el cableado en el diseño de PCB

El diseño es una de las habilidades laborales más básicas de los ingenieros de diseño de pcb. La calidad del cableado afectará directamente el rendimiento de todo el sistema. La mayoría de las teorías de diseño de alta velocidad deben implementarse y verificarse finalmente a través de layout. Se puede ver que el cableado es muy importante en el diseño de PCB de alta velocidad. A continuación se analizará la racionalidad de algunas situaciones que pueden encontrarse en el cableado real y se darán algunas estrategias de cableado más optimizadas. Se explica principalmente desde tres aspectos: cableado recto, cableado de distribución diferencial y cableado en forma de serpiente.

1. cableado en ángulo recto

El cableado en ángulo recto suele ser una situación que debe evitarse en el cableado de pcb, y casi se ha convertido en uno de los criterios para medir la calidad del cableado. ¿Entonces, ¿ cuánto impacto tendrá el cableado en ángulo recto en la transmisión de señal? En principio, el cableado en ángulo recto cambia el ancho de la línea de transmisión, lo que resulta en una resistencia discontinua. De hecho, no solo el cableado en ángulo recto, sino también el cableado en ángulo angular y agudo también pueden causar cambios de resistencia. El impacto del cableado en ángulo recto en la señal se refleja principalmente en tres aspectos: primero, el ángulo de rotación puede ser equivalente a la carga capacitiva en la línea de transmisión, ralentizando así el tiempo de subida; La otra es que la discontinuidad de la resistencia puede causar reflexión de la señal; El tercero es el EMI que produjo la punta del ángulo recto.

La capacidad parasitaria causada por el ángulo recto de la línea de transmisión se puede calcular a través de la siguiente fórmula empírica:

C = 61w (er) 1 / 2 / Z0

En la fórmula anterior, C es el capacitor equivalente del ángulo (unidad: pf), W es el ancho del rastro (unidad: pulgada), la isla R es la constante dieléctrica del medio y Z0 es la resistencia característica de la línea de transmisión. Por ejemplo, para las líneas de transmisión de 4mils 50 Ohm (4,3 en la isla), el ángulo recto aporta una capacidad de unos 00101 pf, y luego se puede estimar la variación resultante del tiempo de subida:

T10 - 90% = 2,2 * C * Z0 / 2 = 2,2 * 00101 * 50 / 2 = 0556ps

A través del cálculo, se puede ver que el efecto capacitivo causado por la trayectoria del ángulo recto es muy pequeño.

A medida que aumenta el ancho de la línea de la huella del ángulo recto, la resistencia allí disminuirá, por lo que habrá un cierto fenómeno de reflexión de la señal. Podemos calcular la resistencia equivalente después del aumento del ancho de línea de acuerdo con la fórmula de cálculo de resistencia mencionada en el capítulo de la línea de transmisión, y luego calcular el coeficiente de reflexión de acuerdo con la fórmula empírica: Í = (zs - z0) / (zs + z0). Por lo general, el cambio de resistencia causado por el cableado en ángulo recto oscila entre el 7% y el 20%, por lo que el coeficiente máximo de reflexión es de aproximadamente 0,1. Además, como se puede ver en la siguiente imagen, la resistencia de la línea de transmisión cambia a un valor mínimo dentro de la longitud de la línea W / 2, y luego regresa a la resistencia normal después del tiempo W / 2. Todo el tiempo de cambio de resistencia es extremadamente corto, generalmente dentro de 10 ps. Internamente, este cambio rápido y pequeño es casi insignificante para la transmisión general de la señal.

Muchas personas tienen esta comprensión del cableado en ángulo recto. Creen que la punta es fácil de emitir o recibir ondas electromagnéticas y generar emi. Esta se ha convertido en una de las razones por las que muchas personas piensan que no se puede usar el cableado en ángulo recto. Sin embargo, muchos resultados prácticos de las pruebas han demostrado que las huellas rectangulares no producen un EMI significativo en comparación con las líneas rectas. Tal vez el rendimiento actual del instrumento y el nivel de prueba limitan la precisión de la prueba, pero al menos ilustra un problema. La radiación del cableado en ángulo recto ya es menor que el error de medición del propio instrumento.

En general, el cableado en ángulo recto no es tan terrible como se pensaba. Al menos en aplicaciones por debajo de ghz, cualquier influencia, como condensadores, reflejos, emi, etc., es difícil de reflejar en las pruebas tdr. Los ingenieros de diseño de PCB de alta velocidad todavía deben centrarse en el diseño, el diseño de fuente de alimentación / tierra y el diseño de cableado. A través de agujeros y otros aspectos. Por supuesto, aunque el impacto del cableado en ángulo recto no es muy grave, esto no significa que podamos usar el cableado en ángulo recto en el futuro. Prestar atención a los detalles es la calidad básica que cada ingeniero sobresaliente debe tener. Además, con el rápido desarrollo de los circuitos digitales, la frecuencia con la que los ingenieros de PCB procesan las señales seguirá aumentando. En el campo del diseño de radiofrecuencia por encima de 10 ghz, estos pequeños ángulos rectos pueden convertirse en el foco de los problemas de alta velocidad.

2. enrutamiento diferencial

La señal diferencial es cada vez más utilizada en el diseño de circuitos de alta velocidad. Las señales más críticas en los circuitos suelen diseñarse para tener una estructura diferencial. ¿¿ qué lo hace tan popular? ¿¿ cómo garantizar su buen rendimiento en el diseño de pcb? Con estas dos preguntas, pasamos a la siguiente parte de la discusión. ¿¿ qué es una señal diferencial? En palabras de laico, el extremo conductor envía dos señales iguales y inversas, y el extremo receptor juzga el Estado lógico "0" o "1" comparando la diferencia entre los dos voltaje. Un par de rastros que llevan señales diferenciales se llaman rastros diferenciales.

En comparación con los rastros de señal de un solo extremo ordinarios, la señal diferencial tiene las ventajas más obvias en los siguientes tres aspectos:

A. fuerte capacidad antiinterferencia porque el acoplamiento entre los dos rastros diferenciales es muy bueno. Cuando hay interferencia acústica del exterior, se acoplan casi simultáneamente a dos líneas, y el extremo receptor solo se preocupa por la diferencia entre las dos señales. Por lo tanto, el ruido de modo común externo se puede eliminar por completo.

Puede inhibir eficazmente el emi. Por la misma razón, debido a las polaridades opuestas de las dos señales, los campos magnéticos que irradian pueden compensarse entre sí. Cuanto más estrecho sea el acoplamiento, menos energía electromagnética se liberará al mundo exterior.

El posicionamiento cronológico es preciso. Debido a que el cambio de interruptor de la señal diferencial se encuentra en la intersección de dos señales, a diferencia de las señales ordinarias de un solo extremo, depende de un voltaje umbral alto y un voltaje umbral bajo para determinar, por lo que se ve menos afectado por el proceso y la temperatura, lo que puede reducir el error cronológico. Pero también es más adecuado para circuitos de señal de baja amplitud. La popular LVDS (señal diferencial de baja tensión) se refiere a esta tecnología de señal diferencial de pequeña amplitud.

Para los ingenieros de pcb, la mayor preocupación es cómo garantizar que estas ventajas de las líneas de distribución diferencial se puedan aprovechar al máximo en el cableado real. Tal vez cualquiera que haya estado en contacto con el diseño entienda el requisito general de la línea de distribución de diferencias, es decir, "equidistancia". La longitud igual es para garantizar que las dos señales diferenciales siempre mantengan la polo opuesta y reduzcan los componentes de modo común; Las distancias iguales son principalmente para garantizar que las impedancias diferenciales de ambos sean consistentes y reducir la reflexión. "Estar lo más cerca posible" es a veces uno de los requisitos para el cableado diferencial. Pero todas estas reglas no se utilizan para aplicaciones mecánicas, y muchos ingenieros todavía parecen no entender la esencia de la transmisión de señales diferenciales de alta velocidad. Los siguientes se centran en varios malentendidos comunes en el diseño de señales diferenciales de placas de pcb.

Malentendido 1: se cree que las señales diferenciales no necesitan un plano del suelo como ruta de retorno, o que las rutas diferenciales se proporcionan rutas de retorno entre sí. La razón de este malentendido es que están confundidos por fenómenos superficiales o que el mecanismo de transmisión de señales de alta velocidad no es lo suficientemente profundo. Como se puede ver en la estructura del extremo receptor de la figura 1 - 8 - 15, las corrientes de los emisores de los Transistor Q3 Y q4 son iguales y opuestas, y sus corrientes en el suelo se compensan exactamente entre sí (i1 = 0), por lo que el circuito diferencial tiene un rebote similar y otras señales de ruido que pueden estar presentes en la fuente de alimentación y el plano de tierra no son sensibles. La eliminación parcial del retorno del plano del suelo no significa que el circuito diferencial no utilice el plano de referencia como ruta de retorno de la señal. De hecho, en el análisis de retorno de la señal, el mecanismo de la línea de distribución diferencial y el cableado ordinario de un solo extremo es el mismo, es decir, la señal de alta frecuencia siempre regresa a lo largo del Circuito con la menor inducción. La mayor diferencia es que, además del acoplamiento a la tierra, las líneas diferenciales también tienen acoplamiento mutuo. Qué tipo de acoplamiento fuerte se convertirá en la principal ruta de retorno. La figura 1 - 8 - 16 es un diagrama esquemático de la distribución del campo geomagnético de las señales de un solo extremo y las señales diferenciales.

En el diseño de circuitos de pcb, el acoplamiento entre los rastros diferenciales suele ser pequeño, generalmente solo representa entre el 10% y el 20% del grado de acoplamiento, más acoplamiento a la tierra, por lo que la ruta principal de retorno en los rastros diferenciales todavía existe en el plano de tierra. Cuando el plano de tierra no es continuo, el acoplamiento entre las trazas diferenciales proporcionará la ruta principal de retorno en áreas sin plano de referencia, como se muestra en la figura 1 - 8 - 17. Aunque el impacto de la discontinuidad del plano de referencia en el rastreo diferencial no es tan grave como el de un solo extremo ordinario, todavía reduce la calidad de la señal diferencial y aumenta el emi, lo que debe evitarse en la medida de lo posible. Algunos diseñadores creen que el plano de referencia fuera del rastro diferencial se puede eliminar para suprimir algunas señales de modo común en la transmisión diferencial. Sin embargo, este método no es teóricamente aconsejable. ¿¿ cómo controlar la resistencia? No proporcionar un circuito de resistencia a la tierra para la señal de modo común causará inevitablemente radiación emi. Este método hace más daño que bien.

Malentendido 2: se cree que es más importante mantener la misma distancia que coincidir con la longitud de la línea. En el diseño real de pcb, generalmente es imposible cumplir con los requisitos del diseño diferencial al mismo tiempo. Debido a la distribución de los pines, los agujeros y la presencia de espacios de cableado, el propósito de emparejar la longitud de la línea debe lograrse a través de un devanado adecuado, pero el resultado debe ser que algunas áreas del par diferencial no pueden ser paralelas. ¿¿ qué debemos hacer en este momento? ¿¿ cuál opción? Antes de llegar a una conclusión, veamos los siguientes resultados de simulación.

A partir de los resultados de la simulación anterior, se puede ver que las formas de onda de los esquemas 1 y 2 son casi consistentes, es decir, las distancias desiguales tienen el menor impacto. Por el contrario, el impacto del desajuste de la longitud de la línea en el tiempo es mucho mayor. (programa 3). A juzgar por el análisis teórico, aunque las inconsistencias de espaciamiento provocan cambios en la impedancia diferencial, el rango de variación de la impedancia también es pequeño debido a que el acoplamiento entre pares diferenciales no es significativo en sí mismo, generalmente dentro del 10%, lo que equivale a solo un paso. el reflejo causado por el agujero no tiene un impacto significativo en La transmisión de la señal. Una vez que la longitud de la línea no coincide, además del desplazamiento de tiempo, el componente de modo común se introduce en la señal diferencial, lo que reduce la calidad de la señal y aumenta el emi.

Se puede decir que en el diseño de la traza diferencial de pcb, la regla más importante es la longitud de la línea de emparejamiento. Otras reglas se pueden manejar con flexibilidad de acuerdo con los requisitos de diseño y la aplicación real.

Malentendido 3: se cree que el cableado diferencial debe estar muy cerca. Mantener los rastros diferenciales cerca no es más que mejorar su acoplamiento, lo que no solo puede mejorar la inmunidad al ruido, sino también aprovechar al máximo la polo opuesta del campo magnético para compensar la interferencia electromagnética con el mundo exterior. Aunque este método es muy beneficioso en la mayoría de los casos, no es absoluto. Si podemos asegurarnos de que bloqueen completamente las interferencias externas, entonces no necesitamos usar un fuerte acoplamiento para lograr anti - interferencia. Y el propósito de inhibir el emi. ¿¿ cómo podemos garantizar un buen aislamiento y blindaje de las trazas diferenciales? Aumentar la distancia de otros rastros de señal es una de las formas más básicas. La energía del campo electromagnético disminuye con el cuadrado de la distancia. Por lo general, cuando el espaciamiento de las líneas supera las cuatro veces el ancho de las líneas, la interferencia entre ellas es extremadamente débil. Se puede ignorar. Además, el aislamiento del plano de tierra también puede desempeñar un buen papel de blindaje. Esta estructura se utiliza generalmente en el diseño de PCB encapsulados IC de alta frecuencia (más de 10g). Se llama estructura cpw y puede garantizar una resistencia diferencial estricta. Control (2z0), como se muestra en la figura 1 - 8 - 19.

Los rastros diferenciales también pueden funcionar en diferentes capas de señal, pero generalmente no se recomienda este método, ya que las diferencias en la resistencia y el agujero generados por las diferentes capas destruyen el efecto de la transmisión del modo diferencial e introducen ruido de modo común. Además, si las dos capas adyacentes no están estrechamente acopladas, Esto reducirá la capacidad de los rastros diferenciales para resistir el ruido, pero si puedes mantener la distancia adecuada de los rastros circundantes, la conversación cruzada no es un problema. A una frecuencia general (por debajo del gigahertz), la interferencia electromagnética no será un problema grave. Los experimentos han demostrado que la atenuación de la energía de radiación alcanza los 60 dB a una distancia de 3 metros a una distancia de 500 milímetros del rastro diferencial, lo que es suficiente para cumplir con los estándares de radiación electromagnética fcc, por lo que los diseñadores no tienen que preocuparse demasiado por la compatibilidad electromagnética causada por el acoplamiento insuficiente de La línea diferencial.

3. tubo de serpiente

El cableado en forma de serpiente es un método de cableado comúnmente utilizado en el diseño. El objetivo principal es ajustar el retraso para cumplir con los requisitos de diseño cronológico del sistema. Los diseñadores deben entender primero que las líneas en forma de serpiente pueden destruir la calidad de la señal, cambiar el retraso de transmisión y tratar de evitar usarla al cableado. Sin embargo, en el diseño real, para garantizar que la señal tenga un tiempo de retención suficiente o reducir el desplazamiento de tiempo entre el mismo conjunto de señales, generalmente es necesario enredar deliberadamente el cable. ¿Entonces, ¿ cuál es el impacto de las líneas en forma de serpiente en la transmisión de señal? ¿¿ a qué se debe prestar atención al cableado? Los dos parámetros más críticos son la longitud de acoplamiento paralelo (lp) y la distancia de acoplamiento (s), como se muestra en la figura 1 - 8 - 21. Obviamente, cuando la señal se carga y transmite en una trayectoria en forma de serpiente, los segmentos paralelos se acoplarán en modo diferencial. Cuanto menor sea s, mayor será la LP y mayor será el grado de acoplamiento. Puede provocar una reducción de los retrasos en la transmisión y una reducción significativa de la calidad de la señal debido a las conversaciones cruzadas. Este mecanismo puede referirse al análisis de la conversación cruzada de modo común y modo diferencial en el capítulo 3. Estas son algunas de las sugerencias de los ingenieros de diseño al trabajar con líneas de serpiente:

1. trate de aumentar la distancia (s) de los segmentos paralelos, al menos superior a 3h, H se refiere a la distancia desde el rastro de la señal hasta el plano de referencia. En palabras de laico, es una gran curva. Mientras s sea lo suficientemente grande, el efecto de acoplamiento mutuo se puede evitar casi por completo.

2. reducir la longitud de acoplamiento lp, cuando el retraso de la doble LP se acerca o supera el tiempo de subida de la señal, la conversación cruzada generada alcanzará la saturación.

3. el retraso en la transmisión de la señal causado por la línea de banda o la línea de serpiente del MICROSTRIP integrado es menor que el del microstrip. En teoría, las líneas de banda no afectarán la velocidad de transmisión debido a la conversación cruzada de modo diferencial.

4. para las líneas de señal de alta velocidad y las líneas de señal con estrictos requisitos de cronología, trate de no usar líneas en forma de serpiente, especialmente en pequeñas áreas.

5. puede usar con frecuencia trayectorias en forma de serpiente desde cualquier ángulo, como la estructura C en la figura 1 - 8 - 20, lo que puede reducir efectivamente el acoplamiento mutuo.

6. en el diseño de PCB de alta velocidad, las líneas en forma de serpiente no tienen la llamada capacidad de filtrado o antiinterferencia y solo pueden reducir la calidad de la señal, por lo que solo se utilizan para la coincidencia de tiempo y no tienen otros usos.

7. a veces puede considerar el cableado en espiral para enredarse. Los resultados de la simulación muestran que su efecto es mejor que el enrutamiento convencional en forma de serpiente.