Blog de PCB - Tres tecnologías especiales de cableado en el diseño y cableado de placas de PCB

La calidad del diseño y cableado de la placa de PCB afectará directamente el rendimiento de todo el sistema, y la mayoría de las teorías de diseño de alta velocidad finalmente se implementarán y verificarán a través del diseño. 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 optimizadas. Se expone principalmente desde tres aspectos: cableado recto, cableado de distribución diferencial y cableado en forma de serpiente.

1. el cableado en ángulo recto suele ser una situación que debe evitarse en la medida de lo posible en el cableado de pcb, y casi se ha convertido en uno de los criterios para medir la calidad del cableado. ¿Entonces, ¿ cuánto afecta el cableado en ángulo recto a la transmisión de señal? En principio, las huellas rectangulares cambian el ancho de la línea de transmisión, lo que conduce a la discontinuidad de la resistencia. De hecho, no solo los rastros de ángulo recto, sino también los rastros de ángulo agudo pueden causar cambios de resistencia. el impacto de los rastros de ángulo recto en la señal se refleja principalmente en tres aspectos: (1) el ángulo de rotación puede ser equivalente a la carga capacitiva de la línea de transmisión para ralentizar el tiempo de subida; (2) la falta de continuidad de la resistencia puede causar reflexión de la señal; (3) EMI generado por el 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 que c es la capacidad equivalente del ángulo (unidad: pf) y W es el ancho del rastro (unidad: pulgada), Z0 es la resistencia característica de la línea de transmisión. Por ejemplo, para una línea de transmisión de 4mils 50 Ohm (la isla es de 4,3), el ángulo recto aporta una capacidad de unos 00101 pf, y la variación resultante en el tiempo de subida se puede estimar: T10 - 90% = 2,2 * C * Z0 / 2 = 2,2 * 00101 * 50 / 2 = 0556ps. como se puede ver en Los cálculos, el efecto capacitivo causado por la trayectoria del ángulo recto debe ser 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, los cambios de resistencia causados por el cableado en ángulo recto oscilan entre el 7% y el 20%, por lo que el coeficiente de reflexión es de aproximadamente 0,1. Además, como se puede ver en la siguiente imagen, la variación de la resistencia de la línea de transmisión durante la línea W / 2 es del 100%, y luego se recupera a la resistencia normal después del tiempo W / 2. Todo el cambio de resistencia se produce en muy poco tiempo, generalmente en 10 ps. Para la transmisión general de la señal, este cambio rápido y pequeño es casi insignificante. Muchas personas tienen esta comprensión del cableado en ángulo recto, creyendo que es fácil emitir o recibir ondas electromagnéticas y generar emi, que también es una de las razones por las que muchas personas piensan que el cableado en ángulo recto es imposible. Sin embargo, los resultados de muchas pruebas prácticas han demostrado que los rastros de ángulo recto 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 testabilidad, pero al menos indica un problema, la radiación de la trayectoria del 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 piensas. Al menos en aplicaciones por debajo de ghz, cualquier efecto que produzca, como condensadores, reflejos, emi, etc., apenas se refleja en las pruebas de tdr. Los ingenieros de diseño de placas de PCB de alta velocidad todavía deben centrarse en el diseño, el diseño de fuente de alimentación / tierra y el diseño de trazas. 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 tomar la línea en ángulo recto en el futuro. Prestar atención a los detalles es una cualidad básica que cada ingeniero debe tener. Además, con el rápido desarrollo de circuitos digitales y placas de pcb, la frecuencia de señal procesada por los ingenieros seguirá aumentando, y en el campo del diseño de radiofrecuencia por encima de 10 ghz, estos pequeños ángulos rectos pueden convertirse en el foco de problemas de alta velocidad. La aplicación de la señal diferencial de seguimiento diferencial en el diseño de placas de circuito de alta velocidad es cada vez más amplia. Las señales clave en el circuito suelen estar diseñadas con una estructura diferencial. ¿¿ por qué es tan popular? ¿¿ cómo garantizar su buen rendimiento en el diseño de placas 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 con valores iguales y fases opuestas, y el extremo receptor juzga el Estado lógico "0" o "1" comparando la diferencia entre los dos voltaje. Un par de trazas que llevan señales diferenciales se llaman trazas diferenciales. las señales diferenciales tienen ventajas obvias en los siguientes tres aspectos en comparación con las trazas normales de señales de un solo extremo: A. La capacidad anti - interferencia es fuerte porque el acoplamiento entre los dos rastros diferenciales es muy bueno. Cuando hay interferencia acústica externa, se acoplan casi simultáneamente a dos cables eléctricos, y el extremo receptor solo se preocupa por la diferencia entre las dos señales. Por lo tanto, se puede eliminar por completo el ruido de modo común externo. B. puede inhibir eficazmente el emi. Del mismo modo, debido a las polaridades opuestas de las dos señales, los campos magnéticos que irradian pueden compensarse entre sí. Cuanto más apretado sea el acoplamiento, menor será la energía electromagnética liberada al exterior. c. posicionamiento cronológico, ya que los cambios de interruptor de la señal diferencial se encuentran en el punto de intersección de las dos señales, a diferencia de las señales ordinarias de un solo extremo que dependen de dos tensiones umbral altas y bajas, por lo que se ve menos afectada por el proceso y la temperatura, lo que puede reducir el error de tiempo. También es más adecuado para circuitos con señales de baja amplitud. El LVDS actual popular se refiere a esta tecnología de señal diferencial de pequeña amplitud. Para los ingenieros de placas de pcb, la 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 stackup entienda los requisitos generales de las huellas diferenciales, es decir, "igual longitud, igual distancia". Ecuación

Malentendido 2: se cree que es más importante mantener una distancia igual que coincidir con la longitud de la línea. En el diseño real de la placa de pcb, a menudo es imposible cumplir con los requisitos del diseño diferencial al mismo tiempo. Debido a factores como la distribución de los pines, los agujeros y el espacio de cableado, el propósito de igualar la longitud de la línea debe lograrse a través de un cableado adecuado, pero el resultado debe ser que algunas áreas del par diferencial no pueden ser paralelas. ¿¿ qué debemos hacer en este momento? ¿¿ cómo sopesar? Antes de llegar a una conclusión, veamos los siguientes resultados de simulación. A juzgar por los resultados de la simulación anterior, las formas de onda del esquema 1 y el esquema 2 son casi consistentes, es decir, las distancias desiguales tienen el menor impacto. Por el contrario, el efecto del desajuste de la longitud de la línea en el tiempo de emparejamiento es mucho mayor (opción 3). A juzgar por el análisis teórico, aunque las inconsistencias en el 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 solo a un solo trayecto. 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 una regla importante para diseñar trazas diferenciales en el PCB es coincidir con la longitud de la línea, y otras reglas se pueden manejar con flexibilidad de acuerdo con los requisitos de diseño y la aplicación real. malentendido 3: pensar que las trazas diferenciales deben 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 así. Si podemos garantizar que bloqueen completamente la interferencia externa, entonces no necesitamos lograr anti - interferencia y anti - interferencia a través de un fuerte acoplamiento entre nosotros. El propósito de inhibir el emi. ¿¿ cómo nos aseguramos de que los rastros diferenciales tengan un buen aislamiento y blindaje? Aumentar la distancia de otros rastros de señal es uno de los métodos básicos. La energía del campo electromagnético disminuye con la relación cuadrada de la distancia. En general, cuando la distancia entre líneas es más de cuatro veces mayor que el ancho de la línea, la interferencia entre ellas es muy débil, lo que básicamente está bien. ignorar. Además, el aislamiento del plano de tierra también puede desempeñar un buen papel de blindaje. Esta estructura se utiliza a menudo en el diseño de placas de PCB encapsuladas en IC de alta frecuencia (más de 10g). Se llama estructura cpw y puede garantizar un estricto control de resistencia diferencial (2z0). 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 del rastro diferencial para resistir el ruido, pero si se puede mantener un intervalo adecuado del rastro circundante, la conversación cruzada no es un problema. A una frecuencia general (por debajo de gigahertz), la interferencia electromagnética no es un problema grave. Los experimentos han demostrado que para los rastros diferenciales separados por 500 kilómetros, la atenuación de la energía de radiación a una distancia de 3 metros ha alcanzado los 60 db, lo que es suficiente para cumplir con los estándares de radiación electromagnética de fcc, por lo que los diseñadores no tienen que preocuparse demasiado por la incompatibilidad electromagnética causada por el acoplamiento insuficiente de las líneas diferenciales. La 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 suficiente tiempo de retención o para reducir el desplazamiento de tiempo entre las señales en el mismo grupo, a menudo es necesario cableado intencional. ¿Entonces, ¿ cuál es el impacto de los cables en forma de serpiente en la transmisión de la señal? ¿¿ a qué se debe prestar atención al enrutamiento? Los dos parámetros clave son la longitud de acoplamiento paralelo y la distancia de acoplamiento. Obviamente, cuando la señal se carga y transmite en una trayectoria en forma de serpiente, los segmentos paralelos se acoplarán en forma de modo diferencial. cuanto menor sea s, mayor será 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. En cuanto al mecanismo, consulte el análisis de las conversaciones cruzadas de modo común y diferencial en el capítulo 3. varias técnicas al procesar las líneas de serpiente: (1) tratar de aumentar la distancia entre los segmentos paralelos, al menos por encima de 3h, donde H se refiere a la distancia entre el rastro de la señal y 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 del 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 de transmisión de la señal causado por la línea de banda o la línea de serpiente enterrada de la línea de MICROSTRIP es menor que el retraso de transmisión de la señal de la línea de 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 alta velocidad y señal con requisitos estrictos de tiempo, trate de no tomar líneas en forma de serpiente, especialmente no