L'actualité PCB - Stratégie de câblage PCB

La mise en page est l'une des compétences de travail les plus essentielles d'un ingénieur en conception de PCB. La qualité du câblage aura un impact direct sur les performances de l'ensemble du système. La plupart des théories de conception à grande vitesse doivent être finalement mises en œuvre et validées par Layout. Par conséquent, le câblage est très important dans la conception de PCB à grande vitesse. La plausibilité de certaines situations qui peuvent être rencontrées dans le câblage réel sera analysée ci - dessous et quelques stratégies de câblage plus optimisées seront données. Il est principalement illustré à partir de trois aspects: le câblage à angle droit, le câblage différentiel et le câblage serpentin.

1. Câblage à angle droit le câblage à angle droit est généralement une situation à éviter autant que possible dans le câblage de la carte PCB et est presque devenu l'une des normes pour mesurer la qualité du câblage. Alors, quel est l'impact du câblage à angle droit sur la transmission du signal? En principe, le câblage à angle droit modifie la largeur de ligne de la ligne de transmission, ce qui entraîne une discontinuité d'impédance. En effet, non seulement le câblage à angle droit, mais aussi le câblage en coin et en angle aigu peuvent provoquer des variations d'impédance. L'effet du câblage à angle droit sur le signal se manifeste principalement dans trois aspects: l'un est que l'angle de braquage peut être équivalent à une charge Capacitive sur la ligne de transmission, ce qui ralentit le temps de montée; L'autre est que la discontinuité de l'impédance provoque une réflexion du signal; La troisième est que la pointe à angle droit produit EMI. La capacité parasite induite par l'angle droit de la ligne de transmission peut être calculée par la formule empirique suivante: C = 61w (ER) 1 / 2 / Z0 dans la formule ci - dessus, c est la capacité équivalente de l'angle (en PF) et W est la largeur de la trace (en pouces), Z0 est l'impédance caractéristique de la ligne de transmission. Par example, pour une ligne de transmission de 4mils 50 ohms (4,3 pour un îlot), la capacité apportée par un angle droit est de l'ordre de 00101 PF, et l'on peut alors estimer la variation de temps de montée qui en résulte: T10 - 90% = 2,2 * c * Z0 / 2 = 2,2 * 00101 * 50 / 2 = 0556 PSI on voit par calcul que l'effet capacitif apporté par une trajectoire à angle droit est minime. Au fur et à mesure que la largeur de ligne de la trace à angle droit augmente, l'impédance y diminue et, par conséquent, un certain phénomène de réflexion du signal se produit. Nous pouvons calculer l'impédance équivalente après augmentation de la largeur de ligne selon la formule de calcul d'impédance mentionnée dans le chapitre sur les lignes de transmission, puis calculer le coefficient de réflexion selon la formule empirique: Í = (ZS - Z0) / (ZS + Z0). Typiquement, la variation d'impédance induite par le câblage à angle droit est comprise entre 7% et 20%, de sorte que le coefficient de réflexion maximal est d'environ 0,1. De plus, comme on peut le voir sur la figure ci - dessous, l'impédance de la ligne de transmission varie au minimum sur la longueur de W / 2 lignes, puis revient à l'impédance normale après un temps de W / 2. L'ensemble du temps de variation d'impédance est extrêmement court, typiquement à moins de 10 ps. En interne, cette variation rapide et minime est presque négligeable pour la transmission générale du signal. Beaucoup de gens ont cette compréhension du câblage à angle droit. Ils pensent que les pointes peuvent facilement transmettre ou recevoir des ondes électromagnétiques et produire des EMI. C'est devenu l'une des raisons pour lesquelles beaucoup de gens pensent que le câblage à angle droit ne peut pas être câblé. Cependant, de nombreux résultats d'essais réels montrent que les traces à angle droit ne produisent pas d'EMI plus prononcé que les lignes droites. Peut - être que les performances actuelles de l'instrument et le niveau d'essai limitent la précision de l'essai, mais illustrent au moins un problème. Le rayonnement du câblage à angle droit est déjà inférieur à l'erreur de mesure de l'instrument lui - même. Dans l'ensemble, le câblage à angle droit n'est pas aussi effrayant que prévu. Au moins dans les applications inférieures au GHz, les effets tels que la capacité, la réflexion, l'EMI, etc. sont difficiles à refléter dans les tests TDR. Les ingénieurs de conception de PCB à grande vitesse devraient toujours se concentrer sur la mise en page, la conception de l'alimentation / mise à la terre et la conception du câblage. Porosités et autres aspects. Bien sûr, bien que l'impact du câblage à angle droit ne soit pas très grave, cela ne signifie pas que nous pouvons tous utiliser le câblage à angle droit à l'avenir. L'attention aux détails est une qualité essentielle que tout bon Ingénieur doit posséder. En outre, avec le développement rapide des circuits numériques, la fréquence à laquelle les ingénieurs PCB traitent les signaux ne cessera d'augmenter. Dans le domaine de la conception RF au - dessus de 10 GHz, ces petits angles droits peuvent être au Centre des problèmes de vitesse élevée.

Le signal différentiel (Differential Signal) est de plus en plus utilisé dans la conception de circuits imprimés à grande vitesse. Les signaux les plus critiques dans un circuit sont généralement conçus pour avoir une structure différentielle. Qu’est - ce qui le rend si populaire? Comment garantir sa bonne performance dans la conception de PCB? Avec ces deux questions, nous passons à la prochaine partie de la discussion. Qu'est - ce qu'un signal différentiel? En termes profanes, le conducteur envoie deux signaux égaux et inversés et le récepteur juge l'état logique "0" ou "1" en comparant la différence entre les deux tensions. La paire de traces portant le signal différentiel est appelée trace différentielle. Le signal différentiel présente les avantages les plus évidents par rapport à la trace de signal simple extrémité ordinaire dans les trois domaines suivants: a, forte capacité anti - interférence, car le couplage entre les deux traces différentielles est très bon. Lorsqu'il y a des interférences bruyantes de l'extérieur, elles sont couplées presque simultanément sur les deux lignes et la réception ne se soucie que de la différence entre les deux signaux. Ainsi, le bruit de mode commun externe peut être complètement éliminé. B. L'EMI peut être efficacement supprimé. Pour la même raison, les champs électromagnétiques qu'ils rayonnent peuvent s'annuler mutuellement en raison des polarités opposées des deux signaux. Plus le couplage est serré, moins l'énergie électromagnétique est libérée à l'extérieur. C. positionnement précis du timing. La variation de commutation du signal différentiel étant située à l'intersection des deux signaux, elle est déterminée à partir d'une tension de seuil haute et d'une tension de seuil basse, contrairement à un signal simple ordinaire, et est donc moins influencée par le procédé et la température, ce qui peut réduire les erreurs de synchronisation, Mais aussi plus adapté aux circuits de signalisation de faible amplitude. Le LVDS (Low Voltage Differential Signal) actuellement populaire fait référence à cette technologie de Signalisation différentielle de faible amplitude. Pour les ingénieurs PCB, la principale préoccupation est de s'assurer que ces avantages de la ligne de distribution différentielle sont pleinement utilisés dans le câblage réel. Peut - être que quiconque a été en contact avec Layout comprendra l'exigence générale du câblage différentiel, c'est - à - dire "isométrie de longueur égale". Des longueurs égales pour assurer que les deux signaux différentiels conservent toujours des polarités opposées et pour réduire la composante de mode commun; L'équidistance est principalement destinée à garantir la cohérence de l'impédance différentielle des deux, réduisant ainsi la réflexion. "Aussi proche que possible" est parfois l'une des exigences du câblage différentiel. Mais toutes ces règles ne sont pas appliquées mécaniquement et de nombreux ingénieurs ne semblent toujours pas comprendre l'essence de la transmission de signaux différentiels à haute vitesse. Ce qui suit met en évidence plusieurs erreurs courantes dans la conception de signaux différentiels PCB. Mythe 1: on pense que les signaux différentiels n'ont pas besoin du plan de masse comme chemin de retour, ou que les traces différentielles se fournissent mutuellement un chemin de retour. La raison de ce malentendu est qu'ils sont embrouillés par des phénomènes superficiels ou que les mécanismes de transmission de signaux à grande vitesse ne vont pas assez loin. Comme on peut le voir sur la structure de l'extrémité de réception des figures 1 - 8 - 15, les courants d'émetteur des transistors Q3 et Q4 sont égaux et opposés, leurs courants sur la masse s'annulent exactement (I1 = 0), de sorte que les circuits différentiels ont des rebonds similaires et que les signaux d'alimentation et les autres bruits qui peuvent être présents sur le plan de masse ne sont pas sensibles. L'élimination partielle de retour du plan de masse ne signifie pas que le circuit différentiel n'utilise pas le plan de référence comme chemin de retour du signal. En effet, dans l'analyse de retour de signal, le mécanisme de la trace différentielle et de la trace simple ordinaire est le même, c'est - à - dire que le signal haute fréquence revient toujours le long de la boucle où l'inductance est minimale. La grande différence est qu'en plus du couplage à la masse, les lignes différentielles ont un couplage mutuel. Quel couplage est fort et lequel devient le principal retour. La figure 1 - 8 - 16 est une représentation schématique de la distribution du champ géomagnétique des signaux monoterminaux et différentiels. Dans la conception de circuits PCB, le couplage entre les traces différentielles est généralement faible, ne représentant généralement que 10 à 20% du degré de couplage, et plus un couplage à la masse, de sorte que le chemin de retour principal des traces différentielles reste présent sur le plan de masse. Lorsque le plan de masse est discontinu, le couplage entre les traces différentielles fournira un chemin de retour principal dans une zone sans plan de référence, comme illustré sur les figures 1 - 8 - 17. Bien qu'une discontinuité dans le plan de référence n'ait pas un effet aussi grave sur la trace différentielle qu'une trace simple, elle dégrade néanmoins la qualité du signal différentiel et augmente l'EMI, ce qui devrait être évité autant que possible. Certains concepteurs pensent que le plan de référence sous la trace différentielle peut être supprimé pour supprimer certains signaux de mode commun en transmission différentielle. Cependant, cette approche n'est pas souhaitable en théorie. Comment contrôler l'impédance? Ne pas prévoir de boucle d'impédance de masse pour le signal de mode commun provoquerait inévitablement un rayonnement EMI. Cette méthode fait plus de mal que de bien. Mythe 2: les gens pensent qu'il est plus important de maintenir un espacement égal que de faire correspondre la longueur de la ligne. Dans la mise en page réelle de PCB, il est souvent impossible de répondre simultanément aux exigences de la conception différentielle. Le but de l'adaptation de la longueur de la ligne doit être atteint par des enroulements appropriés en raison de la distribution des broches, des trous et de l'espace de câblage, mais il doit en résulter que certaines zones de la paire différentielle ne peuvent pas être parallèles. Qu'est - ce qu'on fait à cette heure? Quel choix? Avant de tirer des conclusions, examinons les résultats des simulations suivantes. Comme on peut le voir à partir des résultats de simulation ci - dessus, la forme d'onde o

3. La ligne serpentine la ligne serpentine est une méthode de câblage fréquemment utilisée dans la disposition. Son objectif principal est d'ajuster la latence pour répondre aux exigences de la conception temporelle du système. Les concepteurs doivent d'abord comprendre que les lignes serpentines perturbent la qualité du signal, modifient les retards de transmission et essaient d'éviter de l'utiliser lors du câblage. Cependant, dans la conception pratique, il est souvent nécessaire d'enrouler délibérément les fils pour s'assurer que les signaux ont suffisamment de temps de rétention ou pour réduire les décalages temporels entre les signaux d'un même ensemble. Alors, quel effet la ligne serpentine a - t - elle sur la transmission du signal? À quoi faut - il faire attention lors du câblage? Les deux paramètres les plus critiques sont la longueur de couplage parallèle (LP) et la distance de couplage (s), comme le montrent les figures 1 - 8 - 21. Il est clair que les segments parallèles seront couplés en mode différentiel lorsque le signal est transféré sur une trajectoire serpentine. Plus s est petit, plus LP est grand, plus le degré de couplage est grand. Il peut en résulter une réduction du retard de transmission et une dégradation importante de la qualité du signal due à la diaphonie. Ce mécanisme peut se référer à l'analyse de la diaphonie en mode commun et en mode différentiel dans le chapitre III. Voici quelques suggestions de l'Ingénieur d'aménagement lors de la manipulation de la ligne serpentine: 1. Maximiser la distance (s) des segments parallèles, au moins supérieure à 3h, H étant la distance de la trace du signal au plan de référence. En termes profanes, c'est faire un grand virage. Tant que s est suffisamment grand, l'effet d'accouplement mutuel peut être presque complètement évité. La longueur de couplage LP est réduite et la diaphonie résultante atteindra la saturation lorsque le retard double LP approche ou dépasse le temps de montée du signal. Les lignes à ruban ou à serpentin de lignes microruban encastrées induisent un retard de transmission du signal inférieur à celui des lignes microruban. En théorie, les lignes à ruban n'affectent pas le taux de transmission en raison de la diaphonie en mode différentiel. Pour les lignes de signal à grande vitesse et les lignes de signal avec des exigences de synchronisation strictes, essayez de ne pas utiliser de lignes serpentines, surtout à petite échelle. Vous pouvez souvent utiliser des trajectoires serpentines de n'importe quel angle, comme la structure C de la figure 1 - 8 - 20, ce qui peut réduire efficacement le couplage mutuel. Dans la conception de PCB à grande vitesse, la ligne serpentine n'a pas ce qu'on appelle le filtrage ou la capacité anti - interférence et ne peut que réduire la qualité du signal, de sorte qu'elle n'est utilisée que pour l'adaptation temporelle et n'a pas d'autre utilisation. Parfois, le câblage en spirale peut être envisagé pour l'enroulement. Les résultats de la simulation montrent que son routage fonctionne mieux que le routage serpentine conventionnel.