Blogue PCB - Comment les cartes PCB prennent en compte la bande passante complète du signal dans la correspondance de longueur de suivi

Si vous lisez de nombreux guides de conception de carte PCB, en particulier sur les protocoles parallèles et le routage de paires différentielles, vous verrez beaucoup de choses sur la correspondance de longueur de trace. Lorsque vous avez besoin de suivre les correspondances de longueur, votre objectif est de minimiser les paires différentielles dans les protocoles série, les paires multiples dans les protocoles parallèles tels que pcie, les pistes multiples / paires dans les protocoles parallèles ou en utilisant les protocoles suivants. La différence de synchronisation entre tous les protocoles est une horloge de synchronisation source. Les outils de Cao facilitent la réflexion sur ce qui se passe. Cependant, que se passe - t - il à d'autres fréquences? Plus précisément, que se passe - t - il avec les signaux à large bande? Tous les signaux numériques sont des signaux à large bande dont le contenu fréquentiel s'étend du DC à l'infini. En raison de la grande bande passante du signal numérique, quelle fréquence doit être utilisée pour la correspondance de longueur de suivi? Malheureusement, la fréquence utilisée pour la correspondance de longueur de piste est floue, de sorte que les concepteurs doivent comprendre comment gérer la correspondance de longueur de piste de carte PCB avec la fréquence. Pour mieux comprendre cela, nous devons examiner les technologies utilisées dans la conception à large bande et la façon dont toute la bande passante du signal est prise en compte dans l'adaptation de la longueur de piste.

Correspondance de longueur de trace PCB par rapport à la fréquence des paires différentielles

Adapter correctement la longueur de la piste à la fréquence nécessite de prendre en compte toute la bande passante du signal se propageant sur la piste. Cela a fait l'objet de recherches sur les protocoles série différentiels au cours des dernières années, avec des normes telles que usb4 imposant des exigences spécifiques pour les indicateurs d'intégrité du signal à large bande. Quelques exemples de mesures d'intégrité du signal large bande sont:

Diaphonie différentielle intégrée

Perte d'insertion différentielle intégrée

Perte de retour différentielle intégrée

Déviation d'impédance différentielle intégrée

Par « intégré », nous entendons qu'un aspect particulier de l'intégrité du signal s'applique à toute la gamme de fréquences d'intérêt. En d'autres termes, si l'on prend l'exemple de la diaphonie différentielle, on souhaite abaisser la diaphonie différentielle entre deux paires différentielles en dessous d'une certaine limite, ce qui est précisé dans les normes de signalisation. Nous verrons plus tard pourquoi il est important de suivre la correspondance de longueur.

Dispersion

Dans le domaine temporel, nous nous concentrons uniquement sur les transitions intermédiaires entre les états hi et Low (supposés binaires) au même moment où les deux extrémités de la paire différentielle se croisent. Évidemment, le Jitter crée un problème ici, c'est - à - dire qu'il limite la longueur de vos traces à une certaine tolérance, de sorte que vous ne ferez jamais une transition parfaite aux deux extrémités d'une paire de fils en même temps. Dans le domaine fréquentiel, nous devons tenir compte des dispersions chromatiques suivantes:

Dispersion géométrique: elle est due aux conditions limites et à la géométrie des interconnexions, ce qui détermine comment l'impédance des interconnexions varie en fonction de la géométrie.

Diffusion diélectrique: cela se produit dans un substrat de carte PCB indépendamment de la géométrie des interconnexions sur la carte PCB. Il comprend la dispersion et la perte de DK.

Dispersion de rugosité: Cette dispersion supplémentaire est due à une relation de cause à effet dans le modèle de rugosité du cuivre et à un effet de chimiotaxie à haute fréquence.

Dispersion du tissage des fibres: le tissage des fibres dans un stratifié de carte PCB produit des variations périodiques de dispersion tout au long du processus d'interconnexion.

Parce que ces sources de dispersion sont toujours présentes dans la trace, elles conduisent à ce que l'impédance, la vitesse et toutes les autres mesures d'intégrité du signal de la trace PCB réelle soient fonction de la fréquence.

Vitesse du signal

Si vous êtes familier avec la théorie des lignes de transmission, alors vous saurez que l'impédance et la vitesse du signal sont étroitement liées. Prenons par exemple la vitesse du signal des traces de carte PCB. Le diagramme ci - dessous montre les vitesses de groupe et de phase d'une ligne de ruban simulée avec rugosité et dispersion. Vitesse de groupe et vitesse de phase du signal sur un example de ligne ruban à rugosité de cuivre et dispersion diélectrique. Ici, nous pouvons voir que la vitesse de phase varie considérablement dans une large gamme de fréquences allant de 1 MHz à 20 GHz, avec un coefficient de variation de 2. La variation de la vitesse de phase est ici un paramètre important car c'est la vitesse à laquelle les différentes composantes fréquentielles se propagent le long des interconnexions. Avec ce changement, nous pouvons voir à quel point il devient difficile de faire correspondre la longueur des traces de PCB à la fréquence des interconnexions réelles. Nous avons besoin d'un moyen d'expliquer toutes les fréquences, pas seulement les fréquences individuelles choisies arbitrairement.

Correspondance de longueur de bande large avec la fréquence

Pour élaborer une mesure de la correspondance de longueur, nous devons tenir compte des écarts de longueur admissibles pour une norme de signal donnée. Nous appelons cela le décalage temporel tlim. La fonction K est ici simplement la constante de propagation du signal sur l'interconnexion, elle est également fonction de la fréquence due à la dispersion chromatique, en fonction de la longueur des variations temporelles permises. Nous pouvons utiliser une méthode appelée « norme LP » qui utilise une approche statistique pour traiter les écarts de longueur autorisés. Sans plonger dans les problèmes mathématiques impliqués, il suffit de savoir que cette mesure équivaut à calculer la différence RMS entre une fonction et une moyenne qui ne diffère que d'une constante. Cela en fait donc un outil mathématique idéal pour résoudre les variations entre certaines valeurs de conception cibles et mesures d'intégrité du signal (impédance, atténuation / retard de la réponse impulsionnelle, intensité de diaphonie, etc.). En utilisant la norme LP, nous pouvons réécrire le décalage temporel autorisé en fonction de certaines limites supérieures définies par la limite de décalage temporel tlim, en fonction du changement de longueur du décalage temporel autorisé.

L'équation ci - dessus peut être considérée comme une contrainte lorsque la conception de la carte PCB est réalisée à l'aide d'une métrique d'intégrité du signal à large bande: lors de la détermination de la taille de la ligne de transmission, cela peut affecter la différence entre les extrémités des paires différentielles ou entre deux traces quelconques dans L'écart de longueur total admissible. Protocole parallèle haute vitesse. Tant que la constante de propagation de la ligne de transmission est connue, l'intégration est facile à calculer. Cette valeur peut ensuite être calculée manuellement à l'aide d'un solveur de champ, un modèle analytique avec une géométrie de ligne de transmission standard. Pour donner quelques chiffres au calcul, si j'utilise la vitesse de phase de la ligne de ruban analogique ci - dessus, nous pouvons voir que si la valeur autorisée est de 2,07 mm, la longueur admissible entre les deux pistes complètement isolées à une extrémité du parallèle ne correspond pas. Le décalage temporel est de 10 ps. Notez que pour 10 PS, c'est une grande partie du débit Edge de nombreux signaux numériques à haute vitesse. Pour la ligne de ruban que j'ai simulée ci - dessus, cela équivaut à un décalage de longueur admissible de 13041 MM. En conclusion, nous avons montré que l'utilisation de la norme LP peut réduire l'adaptation de la longueur de trace de la carte PCB à la fréquence à une seule mesure. Si vous êtes un concepteur de carte PCB, vous n'avez pas besoin d'effectuer ce calcul manuellement, vous devez simplement utiliser le bon ensemble d'outils de câblage de carte PCB.