L'actualité PCB - 3 idées fausses sur le câblage dans la mise en page 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. On peut voir que 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 souvent une situation à éviter autant que possible dans le câblage PCB, et il est presque devenu l'un des critères de mesure de la qualité du câblage. Alors, dans quelle mesure le câblage à angle droit peut - il affecter 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 fait, non seulement le câblage à angle droit, mais aussi le câblage en coin et en angle aigu peuvent entraîner des variations d'impédance. L'effet du câblage à angle droit sur le signal se traduit principalement par 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 d'impédance provoque une réflexion du signal; Le troisième est l'EMI qui produit la pointe à angle droit.

La capacité parasite induite par l'angle droit de la ligne de transmission peut être calculée par la formule empirique suivante:

C = 61 W (ER) 1 / 2 / Z0

Dans la formule ci - dessus, c est la capacité équivalente de l'angle (en PF), W est la largeur de la trace (en pouces), l'îlot R est la constante diélectrique du milieu et 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 à angle droit est de l'ordre de 00101 PF, 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 PS

On voit par calcul que l'effet capacitif apporté par la trajectoire à angle droit est très faible.

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 la Ligne W / 2, puis revient à l'impédance normale après un temps 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 émettre ou recevoir des ondes électromagnétiques et produire des EMI. C'est devenu l'une des raisons pour lesquelles beaucoup pensent que le câblage à angle droit ne peut pas être utilisé. Cependant, de nombreux résultats d'essais réels montrent que les traces à angle droit ne produisent pas d'EMI significatif par rapport aux 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.

En général, le câblage à angle droit n'est pas aussi effrayant qu'on pourrait le penser. 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.

2. Routage différentiel

Le signal différentiel (differentialsignal) est de plus en plus utilisé dans la conception de circuits 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 assurer 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. Une paire de traces portant un signal différentiel est appelée trace différentielle.

Le signal différentiel présente les avantages les plus évidents par rapport aux traces de signal simples ordinaires dans les trois domaines suivants:

A. forte capacité anti - brouillage, 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. Il est ainsi possible d'éliminer complètement le bruit de mode commun externe.

B. peut inhiber efficacement EMI. 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 dans le monde extérieur.

C. positionnement temporel précis. 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 peuvent être pleinement exploités dans le câblage réel. Peut - être que quiconque a été en contact avec Layout comprendra l'exigence générale d'une ligne de distribution différentielle, c'est - à - dire « isométrique». Des longueurs égales pour assurer que les deux signaux différentiels conservent toujours des polarités opposées et pour réduire la composante de mode commun; Les distances égales sont principalement destinées à assurer la cohérence des impédances différentielles des deux et à réduire la réflexion. "Aussi près 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 la nature de la transmission de signaux différentiels à grande vitesse. Ce qui suit met en évidence plusieurs idées fausses communes dans la conception de signaux différentiels de carte 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 confondus avec des phénomènes de surface ou que les mécanismes de transmission de signaux à grande vitesse ne sont pas assez profonds. 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 le circuit différentiel a un rebond similaire, l'alimentation et les autres signaux bruyants qui peuvent être présents sur le plan de masse étant insensibles. 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 ligne de distribution différentielle et du câblage simple d'extrémité ordinaire est le même, c'est - à - dire que le signal haute fréquence est toujours renvoyé le long de la boucle où l'inductance est minimale. La grande différence est que les lignes différentielles ont un couplage mutuel en plus du couplage à la masse. Quel couplage est le plus fort sera le chemin de retour principal. 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 sur les 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 du 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.

Il ressort des résultats de simulation ci - dessus que les formes d'onde des schémas 1 et 2 sont presque cohérentes, c'est - à - dire que les espacements inégaux ont un impact minimal. En revanche, le désappariement de longueur de ligne a un effet beaucoup plus important sur la synchronisation. (programme 3). D'un point de vue théorique, bien qu'une incohérence de pas entraîne une variation de l'impédance différentielle, le couplage entre les paires différentielles n'étant pas significatif en soi, la plage de variation d'impédance est également faible, typiquement de l'ordre de 10%, ce qui équivaut à un seul passage, la réflexion induite par Les trous n'ayant pas d'effet significatif sur la transmission du signal. Une fois que la longueur de la ligne n'est pas adaptée, la composante de mode commun est introduite dans le signal différentiel en plus du décalage temporel, ce qui diminue la qualité du signal et augmente l'EMI.

On peut dire que la règle la plus importante dans la conception d'une trace différentielle PCB est la longueur de la ligne d'appariement. D'autres règles peuvent être traitées de manière flexible en fonction des exigences de conception et de l'application pratique.

Mythe 3: les gens pensent que le câblage du différentiel doit être très proche. Garder les traces différentielles proches de rien n'est autre chose que d'améliorer leur couplage, ce qui permet non seulement d'améliorer l'immunité au bruit, mais aussi d'utiliser pleinement la polarité opposée du champ magnétique pour contrer les perturbations électromagnétiques sur le monde extérieur. Bien que cette méthode soit très bénéfique dans la plupart des cas, elle n’est pas absolue. Si nous pouvons nous assurer qu'ils protègent complètement contre les interférences externes, alors nous n'avons pas besoin d'utiliser un couplage fort pour atteindre l'anti - interférence. Et le but de l'inhibition de l'EMI. Comment assurer une bonne isolation et un blindage des traces différentielles? Augmenter l'espacement avec d'autres traces de signal est l'une des méthodes les plus fondamentales. L'énergie du champ électromagnétique diminue avec le carré de la distance. En général, lorsque l'espacement des lignes dépasse 4 fois la largeur des lignes, les interférences entre elles sont extrêmement faibles. Peut être ignoré. En outre, l'isolation du plan de masse peut également jouer un bon rôle de blindage. Cette structure est généralement utilisée dans les conceptions de circuits imprimés à haute fréquence (au - dessus de 10g). Il est connu sous le nom de structure CPW et peut assurer une impédance différentielle stricte. Contrôle (2z0), comme illustré sur la figure 1 - 8 - 19.

Les traces différentielles peuvent également fonctionner dans différentes couches de signal, mais cette approche n'est généralement pas recommandée car les différences d'impédance et de porosités générées par les différentes couches perturbent les effets de la transmission en mode différentiel et introduisent un bruit de mode commun. De plus, si les deux couches adjacentes ne sont pas étroitement couplées, cela réduira la résistance des traces différentielles au bruit, mais la diaphonie ne sera pas un problème si vous pouvez garder une distance appropriée des traces environnantes. Aux fréquences générales (inférieures au gigahertz), les perturbations électromagnétiques ne seront pas un problème sérieux. Des expériences ont montré qu'à une distance de 500 mils de la trace différentielle, l'atténuation de l'énergie rayonnée atteint 60 dB à une distance de 3 mètres, ce qui est suffisant pour répondre aux normes de rayonnement électromagnétique de la FCC, de sorte que les concepteurs n'ont pas à se soucier trop de la compatibilité électromagnétique résultant d'un couplage insuffisant de la ligne différentielle.

3. Serpentine tube

Le câblage serpentine est une méthode de câblage souvent utilisée dans la mise en page. Son objectif principal est d'ajuster la latence pour répondre aux exigences de conception temporelle du système. Les concepteurs doivent d'abord comprendre qu'une ligne serpentine perturbe la qualité du signal, modifie la latence de transmission et essaie d'éviter de l'utiliser lors du câblage. Cependant, dans la conception pratique, il est souvent nécessaire d'enrouler volontairement les fils pour assurer un temps de rétention suffisant des signaux ou pour réduire les décalages temporels entre un même ensemble de signaux. 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 au chapitre 3. Voici quelques suggestions des ingénieurs de mise en page 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 entre la trace du signal et le 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.

2. Réduire la longueur de couplage LP, la diaphonie résultante atteindra la saturation lorsque le retard double LP approche ou dépasse le temps de montée du signal.

3. La ligne à ruban ou la ligne serpentine avec microruban intégré provoque un retard de transmission du signal inférieur à celui de la microbande. En théorie, les lignes à ruban n'affectent pas le taux de transmission en raison de la diaphonie en mode différentiel.

4. Pour les lignes de signal à grande vitesse et les lignes de signal avec des exigences strictes en matière de synchronisation, essayez de ne pas utiliser de lignes serpentines, en particulier dans une petite portée.

5. Vous pouvez souvent utiliser des trajectoires serpentines à n'importe quel angle, par exemple la structure C de la figure 1 - 8 - 20, ce qui peut réduire efficacement le couplage mutuel.

6. Dans la conception de circuit imprimé à grande vitesse, la ligne serpentine n'a pas de capacité de filtrage ou d'anti - interférence, elle ne peut que réduire la qualité du signal et n'est donc utilisée que pour l'appariement temporel et aucune autre utilisation.

7. Parfois, vous pouvez envisager le câblage en spirale pour l'enroulement. Les résultats de la simulation montrent que son effet est supérieur à celui du routage serpentine conventionnel.