Blogue PCB - Trois techniques de câblage spéciales dans la conception et le câblage des cartes PCB

La qualité de la conception et du câblage de la carte PCB aura un impact direct sur les performances de l'ensemble du système, et la plupart des théories de conception à grande vitesse seront finalement mises en œuvre et validées par la mise en page. 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 optimisées seront données. Élaboré principalement à partir des trois aspects du câblage à angle droit, des lignes de distribution différentielle et du câblage serpentin.

1. Ligne de marche à angle droit la ligne de marche à angle droit est généralement une situation dans la ligne de marche PCB qui doit être évitée autant que possible, presque devenue l'une des normes pour mesurer la qualité de la ligne de marche. Alors, quel est l'impact du câblage à angle droit sur la transmission du signal? En principe, une trace à angle droit modifie la largeur de ligne de la ligne de transmission, ce qui entraîne une discontinuité de l'impédance. En effet, ce ne sont pas seulement les traces à angle droit, mais aussi les traces à angle aigu qui peuvent provoquer des variations d'impédance. L'effet des traces à angle droit sur le signal se traduit principalement par trois aspects: (1) un angle de braquage peut être équivalent à une charge Capacitive sur la ligne de transmission pour ralentir le temps de montée; (2) La discontinuité d'impédance provoque la réflexion du signal; (3) EMI produit à angle droit. La capacité parasite produite à angle droit de la ligne de transmission peut être calculée par la formule empirique suivante: C = 61w (ER) 1 / 2 / Z0, où c est la capacité équivalente de l'angle (en PF), W est la largeur de la trace (En pouces) et islaµr est la permittivité diélectrique du milieu, Z0 est l'impédance caractéristique de la ligne de transmission. Par exemple, pour une ligne de transmission de 4 mils 50 ohms (4,3 pour islaµr), la capacité apportée par un angle droit est d'environ 00101 PF, et la variation de temps de montée qui en résulte peut être estimée à: T10 - 90% = 2,2 * c * Z0 / 2 = 2,2 * 00101 * 50 / 2 = 0556 ps. D'après les calculs, l'effet capacitif induit par une 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% et le coefficient de réflexion est donc de l'ordre de 0,1. De plus, comme on peut le voir sur la figure ci - dessous, l'impédance de la ligne de transmission varie de 100% pendant une ligne W / 2, puis revient à une impédance normale après un temps W / 2. L'ensemble de la variation d'impédance se fait en un temps très court (typiquement en 10 PS), Cette variation rapide et faible est presque négligeable pour la transmission générale du signal. Beaucoup de gens ont cette compréhension du câblage à angle droit, pensant qu'il peut facilement émettre ou recevoir des ondes électromagnétiques et produire des EMI, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles beaucoup pensent que le câblage à angle droit est impossible. Cependant, les résultats de nombreux tests pratiques 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 les niveaux d'essai limitent la testabilité, mais au moins cela suggère un problème où le rayonnement de la trajectoire 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 que vous le pensez. Tout au moins dans les applications inférieures au GHz, les effets qu'il produit, tels que la capacité, la réflexion, l'EMI, etc., sont à peine reflétés dans les tests TDR. L'accent de l'Ingénieur de conception de carte PCB à grande vitesse devrait toujours être mis sur la mise en page, la conception de l'alimentation / mise à la terre et la conception des traces., 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 marcher à angle droit à l'avenir. L'attention aux détails est une qualité essentielle que chaque ingénieur doit posséder. En outre, avec le développement rapide des circuits numériques, des cartes PCB, la fréquence des signaux traités par les ingénieurs ne cessera d'augmenter, tandis que dans le domaine de la conception RF au - dessus de 10 GHz, ces petits angles droits peuvent devenir le point focal des problèmes de vitesse élevée. Les signaux différentiels sont de plus en plus utilisés dans la conception de cartes à grande vitesse. Les signaux clés dans les circuits sont généralement conçus avec une structure différentielle. Pourquoi est - il si populaire? Comment garantir sa bonne performance dans la conception de la carte 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 de valeur égale et de phase opposée, 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 des avantages évidents par rapport à une trace de signal simple extrémité ordinaire dans les trois domaines suivants: a. La résistance aux interférences est forte car le couplage entre les deux traces différentielles est très bon. Lorsqu'il y a des interférences de bruit à l'extérieur, ils sont couplés presque simultanément à deux fils électriques et l'extrémité de réception ne se soucie que de la différence entre les deux signaux. Le bruit de mode commun externe peut donc être complètement éliminé. B. L'EMI peut être efficacement supprimé. De même, comme les polarités des deux signaux sont opposées, les champs électromagnétiques qu'ils rayonnent peuvent s'annuler mutuellement. Plus le couplage est serré, moins d'énergie électromagnétique est libérée à l'extérieur. C. positionnement temporel, parce que le changement de commutation du signal différentiel est situé à l'intersection de deux signaux, contrairement au signal simple normal qui dépend de deux tensions de seuil hautes et basses, il est moins influencé par le processus et la température, peut réduire l'erreur de synchronisation. Elle est également plus adaptée aux circuits à signaux de faible amplitude. Le LVDS populaire fait référence à cette technologie de signal différentiel de faible amplitude. Pour les ingénieurs de carte PCB, l'accent est mis sur la façon 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 stackup comprendra l'exigence générale d'une trace différentielle, c'est - à - dire "égale longueur, égale espacement". L'équation

Mythe 2: pensez 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 la carte PCB, il est souvent impossible de répondre simultanément aux exigences de la conception différentielle. En raison de facteurs tels que la distribution des broches, les trous excessifs et l'espace de câblage, le but de l'adaptation de la longueur de la ligne doit être atteint par un câblage approprié, mais le résultat doit être que certaines zones de la paire différentielle ne peuvent pas être parallèles. Qu'est - ce qu'on fait à cette heure? Comment est le compromis? Avant de tirer des conclusions, examinons les résultats des simulations suivantes. D'après les résultats de simulation ci - dessus, 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, la longueur de ligne non appariée a un impact beaucoup plus important sur le temps (option 3). En théorie, alors 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 variation d'impédance est également faible, typiquement de l'ordre de 10%, ce qui n'équivaut qu'à un seul passage, la réflexion provoquée 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, une 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 importante pour la conception des traces différentielles sur un PCB est de faire correspondre la longueur de la ligne, d'autres règles peuvent être traitées de manière flexible en fonction des exigences de conception et de l'application pratique. Mythe 3: pensez que les traces différentielles doivent être très proches. 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, ce n’est pas le cas. Si nous pouvons nous assurer qu'ils sont complètement protégés contre les interférences externes, alors nous n'avons pas besoin d'atteindre l'anti - interférence et l'anti - interférence par un couplage fort les uns avec les autres. Le but de l'inhibition de l'EMI. Comment pouvons - nous nous assurer que les traces différentielles ont une bonne isolation et un bon blindage? Augmenter la distance des autres traces de signal est l'une des méthodes de base. L'énergie du champ électromagnétique diminue avec le carré de la distance. En général, lorsque la distance entre les lignes est supérieure à 4 fois la largeur de la ligne, les interférences entre elles sont très faibles, ce qui est fondamentalement correct. En outre, l'isolation du plan de sol peut également jouer un bon rôle de blindage. Cette structure est souvent utilisée dans la conception de cartes PCB à haute fréquence (au - dessus de 10g) encapsulées IC. Il est connu sous le nom de structure CPW et peut assurer un contrôle d'impédance différentiel strict (2z0). 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. En outre, si deux couches adjacentes ne sont pas étroitement couplées, cela réduira la résistance de la trace différentielle au bruit, mais la diaphonie n'est pas un problème si l'on peut maintenir un espacement approprié avec les traces environnantes. Aux fréquences générales (inférieures au gigahertz), les perturbations électromagnétiques ne sont pas un problème sérieux. Les expériences ont montré que pour des traces différentielles distantes de 500 mils, l'atténuation de l'énergie rayonnée à une distance de 3 mètres a atteint 60 dB, 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 des lignes différentielles. Serpentine serpentine est une méthode de câblage souvent utilisée dans Layout. Son objectif principal est d'ajuster la latence pour répondre aux exigences de la 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 une conception pratique, il est souvent nécessaire de réaliser intentionnellement un câblage pour assurer un temps de rétention suffisant des signaux ou pour réduire les décalages temporels entre les signaux d'un même groupe. Alors, quel est l'impact du fil serpentin sur la transmission du signal? À quoi faut - il faire attention lors du routage? Les deux paramètres clés sont la longueur de couplage parallèle et la distance de couplage. Il est clair que lorsque le signal est transféré sur la trajectoire serpentine, un couplage se produira entre les segments parallèles sous la forme d'un mode différentiel, plus s est petit, plus LP est grand et plus le degré de couplage est grand. Elle peut conduire à une réduction du retard de transmission et à une dégradation importante de la qualité du signal due à la diaphonie. En ce qui concerne le mécanisme, voir l'analyse de la diaphonie en mode commun et en mode différentiel dans le chapitre 3. Quelques conseils lors du traitement d'une ligne serpentine: (1) essayez d'augmenter la distance des segments de lignes parallèles, au moins supérieure à 3h, où H désigne la distance de la trace du signal au plan de référence. En termes profanes, c'est faire le tour d'un grand virage. Tant que s est suffisamment grand, l'effet d'accouplement mutuel peut être presque complètement évité. (2) réduire la longueur d'accouplement LP. Lorsque le retard double LP approche ou dépasse le temps de montée du signal, la diaphonie résultante atteint la saturation. (3) Le délai de transmission du signal causé par la ligne serpentine d'une ligne à ruban ou d'une ligne à microruban enterrée est inférieur au délai de transmission du signal d'une ligne à microruban. 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 à haute vitesse et de signal avec des exigences de synchronisation strictes, essayez de ne pas prendre la ligne serpentine, en particulier