Notizie PCB - Strategia di routing PCB

Layout is one of the most basic job skills for PCB design engineers. The quality of the wiring will directly affect the performance of the entire system. La maggior parte delle teorie di progettazione ad alta velocità deve essere finalmente implementata e verificata attraverso Layout. It can be seen that wiring is very important in Progettazione PCB ad alta velocità. Di seguito analizzeremo la razionalità di alcune situazioni che possono essere incontrate nel cablaggio effettivo, and give some more optimized routing strategies. Si spiega principalmente da tre aspetti: cablaggio ad angolo retto, differential wiring, e cavi a serpentina.

1. Right-angle routing
Right-angle wiring is generally a situation that needs to be avoided as much as possible in Scheda PCB wiring, ed è quasi diventato uno degli standard per misurare la qualità del cablaggio. Quindi how much influence will the right-angle wiring have on signal transmission? In linea di principio, right-angle routing will change the line width of the transmission line, causare discontinuità nell'impedenza. In fact, non solo orientamento ad angolo retto, but also corners and acute-angle routing may cause impedance changes.
L'influenza del cablaggio ad angolo retto sul segnale si riflette principalmente in tre aspetti: uno è che l'angolo può essere equivalente a un carico capacitivo sulla linea di trasmissione, which slows down the rise time; the other is that impedance discontinuity will cause signal riflessione; the third is that the right-angle tip is generated EMI.
The parasitic capacitance caused by the right angle of the transmission line can be calculated by the following empirical formula:
C=61W(Er)1/2/Z0
In the above formula, C refers to the equivalent capacitance of the corner (unit: pF), W refers to the width of the trace (unit: inch), εr refers to the dielectric constant of the medium, e Z0 è l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione. For example, for a 4Mils 50 ohm transmission line (εr is 4.3), la capacità portata da un angolo retto è di circa 0.0101pF, and then the rise time change caused by this can be estimated:
T10-90%=2.2*C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps
It can be seen through calculation that the capacitance effect brought by the right-angle trace is extremely small.
Man mano che la larghezza della linea della traccia ad angolo retto aumenta, the impedance there will decrease, così si verificherà un certo fenomeno di riflessione del segnale. We can calculate the equivalent impedance after the line width increases according to the impedance calculation formula mentioned in the transmission line chapter, and then Calculate the reflection coefficient according to the empirical formula: ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0). Generalmente, the impedance change caused by right-angle wiring is between 7%-20%, quindi il coefficiente massimo di riflessione è di circa 0.1. Inoltre, as can be seen from the figure below, l'impedenza della linea di trasmissione cambia al minimo entro la lunghezza della W/2 line, e poi torna alla normale impedenza dopo il tempo di W/2. L'intero tempo di cambiamento dell'impedenza è estremamente breve, often within 10ps. Dentro, such fast and small changes are almost negligible for general signal transmission.
Molte persone hanno questa comprensione del cablaggio ad angolo retto. They think that the tip is easy to transmit or receive electromagnetic waves and generate EMI. Questo è diventato uno dei motivi per cui molte persone pensano che i cavi ad angolo retto non possano essere instradati. Tuttavia, Molti risultati effettivi mostrano che le tracce ad angolo retto non produrranno EMI evidenti rispetto alle linee rette. Perhaps the current instrument performance and the test level restrict the accuracy of the test, ma almeno illustra un problema. The radiation of the right-angled wiring is already smaller than the measurement error of the instrument itself. In generale, the right-angle routing is not as terrible as imagined. Almeno in applicazioni inferiori a GHz, any effects such as capacitance, reflection, EMI, ecc. are hardly reflected in TDR testing. high-speed PCB design engineers should still focus on layout, power/progettazione del suolo, and wiring design. Via fori e altri aspetti. Of course, anche se l'impatto del cablaggio ad angolo retto non è molto grave, it does not mean that we can all use right-angle wiring in the future. L'attenzione al dettaglio è la qualità di base che ogni buon ingegnere deve avere. Inoltre, with the rapid development of digital circuits, PCB La frequenza del segnale elaborato dagli ingegneri continuerà ad aumentare. In the field of RF design above 10GHz, Questi piccoli angoli retti possono diventare il fulcro di problemi ad alta velocità.

2. Differential routing
Differential signal (Differential Signal) is more and more widely used in Progettazione PCB ad alta velocità. The most critical signal in the circuit is often designed with a differential structure. Cosa lo rende così popolare? How to ensure its good performance in PCB design? Con queste due domande, we proceed to the next part of the discussion.
Che cos'è un segnale differenziale? In layman's terms, l'estremità motrice invia due segnali uguali e invertiti, and the receiving end judges the logical state "0" or "1" by comparing the difference between the two voltages. La coppia di tracce che trasportano segnali differenziali è chiamata tracce differenziali.
Compared with ordinary single-ended signal traces, differential signals have the most obvious advantages in the following three aspects:
a. Strong anti-interference ability, perché l'accoppiamento tra le due tracce differenziali è molto buono. When there is noise interference from the outside, sono quasi accoppiati alle due linee contemporaneamente, and the receiving end only cares about the difference between the two signals. Pertanto, the external common mode noise can be completely canceled.
b. It can effectively suppress EMI. Per lo stesso motivo, due to the opposite polarity of the two signals, i campi elettromagnetici irradiati da loro possono annullarsi a vicenda. Più stretto è l'accoppiamento, the less electromagnetic energy vented to the outside world.
c. The timing positioning is accurate. Perché il cambio dell'interruttore del segnale differenziale si trova all'intersezione dei due segnali, unlike the ordinary single-ended signal, che dipende dalle alte e basse tensioni di soglia per determinare, it is less affected by the process and temperature, che può ridurre l'errore nella tempistica., But also more suitable for low-amplitude signal circuits. The current popular LVDS (low voltage differential signaling) refers to this small amplitude differential signal technology.
For PCB engineers, La maggiore preoccupazione è come garantire che questi vantaggi del cablaggio differenziale possano essere pienamente utilizzati nel cablaggio reale. Perhaps anyone who has been in touch with Layout will understand the general requirements of differential wiring, che è, "equal length and equal distance". La lunghezza uguale è quella di garantire che i due segnali differenziali mantengano sempre polarità opposte e riducano la componente del modo comune; la distanza uguale è principalmente per garantire che le impedenze differenziali dei due siano coerenti e ridurre i riflessi. "As close as possible" is sometimes one of the requirements of differential wiring. Ma tutte queste regole non sono utilizzate per applicare meccanicamente, and many engineers seem to still not understand the essence of high-speed differential signal transmission. Quanto segue si concentra su diversi malintesi comuni nella progettazione del segnale differenziale PCB.
Misunderstanding 1: It is believed that the differential signal does not need a ground plane as a return path, o che le tracce differenziali forniscano un percorso di ritorno reciproco. The reason for this misunderstanding is that they are confused by superficial phenomena, o il meccanismo di trasmissione del segnale ad alta velocità non è abbastanza profondo. It can be seen from the structure of the receiving end of Figure 1-8-15 that the emitter currents of transistors Q3 and Q4 are equal and opposite, and their currents at the ground exactly cancel each other (I1=0), so the differential circuit is Similar bounces and other noise signals that may exist on the power and ground planes are insensitive. La cancellazione parziale del ritorno del piano di terra non significa che il circuito differenziale non utilizzi il piano di riferimento come percorso di ritorno del segnale. In fact, nell'analisi del ritorno del segnale, il meccanismo della traccia differenziale e della traccia singola ordinaria è lo stesso, that is, high
The frequency signal always returns along the loop with the smallest inductance. The biggest difference is that in addition to the coupling to the ground, la linea differenziale ha anche accoppiamento reciproco. Which kind of coupling is strong, quale diventa il ritorno principale. Flow path, La figura 1-8-16 è un diagramma schematico della distribuzione del campo geomagnetico dei segnali monoterminali e dei segnali differenziali.
In PCB circuit design, l'accoppiamento tra tracce differenziali è generalmente piccolo, often only accounting for 10 to 20% of the coupling degree, e di più è l'accoppiamento al suolo, so the main return path of the differential trace still exists on the ground plane . Quando il piano di terra è discontinuo, the coupling between the differential traces will provide the main return path in the area without a reference plane, come mostrato nella figura 1-8-17. Although the influence of the discontinuity of the reference plane on the differential trace is not as serious as that of the ordinary single-ended trace, ridurrà ancora la qualità del segnale differenziale e aumenterà l'EMI, which should be avoided as much as possible. Alcuni progettisti ritengono che il piano di riferimento sotto la traccia differenziale possa essere rimosso per sopprimere alcuni segnali di modo comune nella trasmissione differenziale. However, this approach is not desirable in theory. Come controllare l'impedenza? Not providing a ground impedance loop for the common-mode signal will inevitably cause EMI radiation. Questo approccio fa più male che bene.
Misunderstanding 2: It is believed that keeping equal spacing is more important than matching line length. In formato PCB effettivo, it is often not possible to meet the requirements of differential design at the same time. A causa dell'esistenza di distribuzione pin, vias, e spazio di cablaggio, the purpose of line length matching must be achieved through proper winding, ma il risultato deve essere che alcune aree della coppia differenziale non possono essere parallele. What should we do at this time? Quale scelta? Before drawing conclusions, Diamo un'occhiata ai seguenti risultati di simulazione. From the above simulation results, Si può vedere che le forme d'onda dello Schema 1 e dello Schema 2 sono quasi coincidenti, that is to say, l'influenza causata dalla spaziatura disuguale è minima. In confronto, the influence of the line length mismatch on the timing is much greater. ((schema 3)). From the theoretical analysis, anche se la spaziatura incoerente causerà il cambiamento dell'impedenza differenziale, because the coupling between the differential pair itself is not significant, l'intervallo di variazione dell'impedenza è anche molto piccolo, usually within 10%, che equivale a un solo passaggio. The reflection caused by the hole will not have a significant impact on signal transmission. Una volta che la lunghezza della linea non corrisponde, in addition to the timing offset, I componenti del modo comune sono introdotti nel segnale differenziale, which reduces the quality of the signal and increases EMI.
Si può dire che la regola più importante nella progettazione delle tracce differenziali PCB è la lunghezza della linea corrispondente, and other rules can be flexibly handled according to design requirements and practical applications.
Misunderstanding 3: Pensate che il cablaggio differenziale deve essere molto vicino. Keeping the differential traces close is nothing more than to enhance their coupling, che non solo può migliorare l'immunità al rumore, but also make full use of the opposite polarity of the magnetic field to offset electromagnetic interference to the outside world. Anche se questo approccio è molto vantaggioso nella maggior parte dei casi, it is not absolute. Se possiamo assicurarci che siano completamente schermati da interferenze esterne, then we do not need to use strong coupling to achieve anti-interference. E lo scopo di sopprimere l'IME. How can we ensure good isolation and shielding of differential traces? Aumentare la spaziatura con altre tracce di segnale è uno dei modi più basilari. The electromagnetic field energy decreases with the square of the distance. Generalmente, when the line spacing exceeds 4 times the line width, l'interferenza tra di loro è estremamente debole. Can be ignored. Inoltre, isolation by the ground plane can also play a good shielding role. This structure is often used in high-frequency (above 10G) IC package PCB design. It is called a CPW structure, che può garantire una severa impedenza differenziale. Control (2Z0), come mostrato nella figura 1-8-19.
Differential traces can also run in different signal layers, ma questo metodo non è generalmente raccomandato, because the differences in impedance and vias produced by different layers will destroy the effect of differential mode transmission and introduce common mode noise. Inoltre, if the adjacent two layers are not tightly coupled, Ridurrà la capacità della traccia differenziale di resistere al rumore, but if you can maintain a proper distance from the surrounding traces, crosstalk non è un problema. At general frequencies (below GHz), L'IME non sarà un problema serio. Experiments have shown that the attenuation of radiated energy at a distance of 500 mils from the differential trace has reached 60dB at a distance of 3 meters, che è sufficiente per soddisfare lo standard FCC di radiazione elettromagnetica, Quindi il progettista non deve preoccuparsi troppo dell'incompatibilità elettromagnetica causata dall'insufficiente accoppiamento differenziale della linea.

3. Serpentine line
Snake line is a type of routing method often used in Layout. Its main purpose is to adjust the delay to meet the system timing design requirements. Il progettista deve prima avere questa comprensione: la linea serpentina distruggerà la qualità del segnale, change the transmission delay, e cercare di evitare di usarlo durante il cablaggio. However, nella progettazione effettiva, in order to ensure that the signal has sufficient hold time, o per ridurre l'intervallo di tempo tra lo stesso gruppo di segnali, it is often necessary to deliberately wind the wire.
So, what effect does the serpentine line have on signal transmission? A cosa devo prestare attenzione durante il cablaggio? The two most critical parameters are the parallel coupling length (Lp) and the coupling distance (S), come mostrato nella figura 1-8-21. Obviously, quando il segnale è trasmesso sulla traccia serpentina, the parallel line segments will be coupled in a differential mode. Più piccola è la S e più grande è la Lp, the greater the degree of coupling. Può causare la riduzione del ritardo di trasmissione, and the signal quality is greatly reduced due to crosstalk. Il meccanismo può riferirsi all'analisi di modalità comune e modalità differenziale crosstalk nel capitolo 3.
The following are some suggestions for Layout engineers when dealing with serpentine lines:
1. Try to increase the distance (S) of parallel line segments, at least greater than 3H, H si riferisce alla distanza dalla traccia del segnale al piano di riferimento. In layman's terms, è per andare intorno a una grande curva. Finché S è abbastanza grande, the mutual coupling effect can be almost completely avoided.
2. Reduce the coupling length Lp, quando il doppio ritardo Lp si avvicina o supera il tempo di aumento del segnale, the crosstalk generated will reach saturation.
3. The signal transmission delay caused by the serpentine line of the Strip-Line or Embedded Micro-strip is less than that of the Micro-strip. In teoria, the stripline will not affect the transmission rate due to differential mode crosstalk.
4. For high-speed signal lines and those with strict timing requirements, Cerca di non usare linee serpentine, especially in small areas.
5. You can often use serpentine traces at any angle, come la struttura C nella figura 1-8-20, which can effectively reduce mutual coupling.
6. In Progettazione PCB ad alta velocità, la linea serpentina non ha la cosiddetta capacità filtrante o anti-interferenza, and can only reduce the signal quality, Quindi è usato solo per la corrispondenza temporale e non ha altro scopo.
7. A volte si può considerare il routing a spirale per l'avvolgimento. Simulation shows that its effect is better than normal serpentine routing.