Notizie PCB - 3 fraintendimenti di cablaggio nel layout PCB

Layout è una delle competenze lavorative più basilari per gli ingegneri di progettazione PCB. La qualità del cablaggio influenzerà direttamente le prestazioni dell'intero sistema. La maggior parte delle teorie di progettazione ad alta velocità deve essere finalmente implementata e verificata attraverso Layout. Si può vedere che il cablaggio è molto importante nella progettazione PCB ad alta velocità. Di seguito analizzeremo la razionalità di alcune situazioni che possono essere incontrate nel cablaggio reale e forniremo alcune strategie di routing più ottimizzate. Si spiega principalmente da tre aspetti: cablaggio ad angolo retto, cablaggio differenziale e cablaggio a serpentina.

1. Rottura ad angolo retto

Il cablaggio ad angolo retto è generalmente una situazione che deve essere evitata il più possibile nel cablaggio PCB ed è quasi diventato uno degli standard per misurare la qualità del cablaggio. Quindi quanta influenza avrà il cablaggio ad angolo retto sulla trasmissione del segnale? In linea di principio, il percorso ad angolo retto cambierà la larghezza della linea della trasmissione, causando discontinuità nell'impedenza. Infatti, non solo l'instradamento ad angolo retto, ma anche gli angoli e l'instradamento ad angolo acuto possono causare cambiamenti di impedenza. 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, che rallenta il tempo di salita; l'altro è che la discontinuità di impedenza causerà la riflessione del segnale; la terza è che la punta ad angolo retto viene generata EMI.

La capacità parassitaria causata dall'angolo retto della linea di trasmissione può essere calcolata con la seguente formula empirica:

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

Nella formula di cui sopra, C si riferisce alla capacità equivalente dell'angolo (unità: pF), W si riferisce alla larghezza della traccia (unità: inch), εr si riferisce alla costante dielettrica del mezzo e Z0 è l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione. Ad esempio, per una linea di trasmissione 4Mils 50 ohm (εr è 4,3), la capacità portata da un angolo retto è di circa 0,0101pF, e quindi il cambiamento del tempo di aumento causato da questo può essere stimato:

T10-90%=2,2*C*Z0/2=2,2*0,0101*50/2=0,556ps

Si può vedere attraverso il calcolo che l'effetto di capacità portato dalla traccia ad angolo retto è estremamente piccolo.

Man mano che la larghezza della linea della traccia ad angolo retto aumenta, l'impedenza diminuisce, quindi si verificherà un certo fenomeno di riflessione del segnale. Possiamo calcolare l'impedenza equivalente dopo che la larghezza della linea aumenta secondo la formula di calcolo dell'impedenza menzionata nel capitolo della linea di trasmissione, e quindi calcolare il coefficiente di riflessione secondo la formula empirica: ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0). Generalmente, il cambiamento di impedenza causato dal cablaggio ad angolo retto è compreso tra il 7% -20%, quindi il coefficiente massimo di riflessione è di circa 0,1. Inoltre, come si può vedere dalla figura sottostante, l'impedenza della linea di trasmissione cambia al minimo entro la lunghezza della linea W/2, per poi tornare alla normale impedenza dopo il tempo di W/2. L'intero tempo di cambio di impedenza è estremamente breve, spesso entro 10ps. All'interno, tali cambiamenti veloci e piccoli sono quasi trascurabili per la trasmissione generale del segnale.

Molte persone hanno questa comprensione del cablaggio ad angolo retto. Pensano che la punta sia facile da trasmettere o ricevere onde elettromagnetiche e generare EMI. Questo è diventato uno dei motivi per cui molte persone pensano che il cablaggio ad angolo retto non possa essere utilizzato. Tuttavia, molti risultati reali mostrano che le tracce ad angolo retto non produrranno EMI evidenti rispetto alle linee rette. Forse le prestazioni attuali dello strumento e il livello di prova limitano l'accuratezza del test, ma almeno illustra un problema. La radiazione del cablaggio ad angolo retto è già inferiore all'errore di misurazione dello strumento stesso.

In generale, il percorso ad angolo retto non è così terribile come si immaginava. Almeno nelle applicazioni al di sotto di GHz, eventuali effetti come capacità, riflessione, EMI, ecc. sono difficilmente riflessi nei test TDR. Gli ingegneri di progettazione PCB ad alta velocità dovrebbero ancora concentrarsi sul layout, sulla progettazione di potenza / terra e sulla progettazione di cavi. Via buchi e altri aspetti. Naturalmente, anche se l'impatto del cablaggio ad angolo retto non è molto grave, non significa che possiamo tutti utilizzare il cablaggio ad angolo retto in futuro. L'attenzione al dettaglio è la qualità di base che ogni buon ingegnere deve avere. Inoltre, con il rapido sviluppo dei circuiti digitali, PCB La frequenza del segnale elaborato dagli ingegneri continuerà ad aumentare. Nel campo della progettazione RF superiore a 10GHz, questi piccoli angoli retti possono diventare il fulcro di problemi ad alta velocità.

2. Itinerario differenziale

Il segnale differenziale (DifferentialSignal) è sempre più ampiamente usato nella progettazione di circuiti ad alta velocità. Il segnale più critico nel circuito è spesso progettato con una struttura differenziale. Cosa lo rende così popolare? Come garantire le sue buone prestazioni nella progettazione PCB? Con queste due domande, passiamo alla prossima parte della discussione. Cos'è un segnale differenziale? In termini laici, l'estremità motrice invia due segnali uguali e invertiti, e l'estremità ricevente giudica lo stato logico "0" o "1" confrontando la differenza tra le due tensioni. La coppia di tracce che trasportano segnali differenziali è chiamata tracce differenziali.

Rispetto alle normali tracce di segnale monoterminale, i segnali differenziali presentano i vantaggi più evidenti nei seguenti tre aspetti:

a. Forte capacità anti-interferenza, perché l'accoppiamento tra le due tracce differenziali è molto buono. Quando c'è interferenza di rumore dall'esterno, sono quasi accoppiati alle due linee contemporaneamente, e l'estremità ricevente si preoccupa solo della differenza tra i due segnali. Pertanto, il rumore esterno in modalità comune può essere completamente cancellato.

b. Può sopprimere efficacemente l'IME. Per lo stesso motivo, a causa della polarità opposta dei due segnali, i campi elettromagnetici da essi irradiati possono annullarsi a vicenda. Più stretto è l'accoppiamento, meno energia elettromagnetica viene portata al mondo esterno.

c. Il posizionamento temporale è accurato. Poiché il cambiamento dell'interruttore del segnale differenziale si trova all'intersezione dei due segnali, a differenza del segnale monoterminale ordinario, che dipende dalle tensioni di soglia alte e basse da determinare, è meno influenzato dal processo e dalla temperatura, che possono ridurre l'errore nella temporizzazione., Ma anche più adatto per circuiti di segnale a bassa ampiezza. L'attuale popolare LVDS (LowVoltageDifferentialsignaling) si riferisce a questa tecnologia del segnale differenziale di piccola ampiezza.

Per gli ingegneri PCB, la maggiore preoccupazione è come garantire che questi vantaggi del cablaggio differenziale possano essere pienamente utilizzati nel cablaggio effettivo. Forse chiunque sia stato in contatto con Layout capirà i requisiti generali del cablaggio differenziale, cioè "uguale lunghezza e uguale distanza". 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. "Il più vicino possibile" è a volte uno dei requisiti del cablaggio differenziale. Ma tutte queste regole non sono usate per applicarsi meccanicamente e molti ingegneri sembrano ancora non capire l'essenza della trasmissione differenziale del segnale ad alta velocità. Quanto segue si concentra su diversi malintesi comuni nella progettazione del segnale differenziale della scheda PCB.

Miscomprensione 1: Si ritiene che il segnale differenziale non abbia bisogno di un piano di terra come percorso di ritorno, o che le tracce differenziali forniscano un percorso di ritorno l'uno per l'altro. La ragione di questo malinteso è che sono confusi da fenomeni superficiali, o il meccanismo di trasmissione del segnale ad alta velocità non è abbastanza profondo. Si può vedere dalla struttura dell'estremità ricevente della Figura 1-8-15 che le correnti emettitori dei transistor Q3 e Q4 sono uguali e opposte, e le loro correnti a terra si annullano esattamente a vicenda (I1=0), quindi il circuito differenziale è rimbalzi simili e altri segnali di rumore che possono esistere sui piani di potenza e terra sono insensibili. 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. Infatti, nell'analisi del ritorno del segnale, il meccanismo del cablaggio differenziale e del cablaggio singolo ordinario è lo stesso, cioè i segnali ad alta frequenza sono sempre Reflux lungo il ciclo con la più piccola induttanza. La differenza più grande è che oltre all'accoppiamento al suolo, la linea differenziale ha anche accoppiamento reciproco. Quale tipo di accoppiamento è forte diventerà il percorso principale di ritorno. 1-8-16 è un diagramma schematico della distribuzione del campo geomagnetico dei segnali monoterminali e dei segnali differenziali.

Nella progettazione del circuito PCB, l'accoppiamento tra tracce differenziali è generalmente piccolo, spesso rappresenta solo il 10-20% del grado di accoppiamento e di più è l'accoppiamento al suolo, quindi il percorso principale di ritorno della traccia differenziale esiste ancora sul piano di terra. Quando il piano di terra è discontinuo, l'accoppiamento tra le tracce differenziali fornirà il percorso principale di ritorno nell'area senza piano di riferimento, come mostrato nella figura 1-8-17. Anche se l'influenza della discontinuità del piano di riferimento sulla traccia differenziale non è così grave come quella della traccia singola ordinaria, ridurrà comunque la qualità del segnale differenziale e aumenterà l'EMI, che dovrebbe essere evitato il più possibile. 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. Tuttavia, questo approccio non è auspicabile in teoria. Come controllare l'impedenza? Non fornire un loop di impedenza di terra per il segnale in modalità comune causerà inevitabilmente radiazioni EMI. Questo approccio fa più male che bene.

Misunderstanding 2: Si ritiene che mantenere la spaziatura uguale sia più importante che abbinare la lunghezza della linea. Nel layout reale del PCB, spesso non è possibile soddisfare i requisiti della progettazione differenziale allo stesso tempo. A causa dell'esistenza di distribuzione del perno, vias e spazio di cablaggio, lo scopo della corrispondenza della lunghezza della linea deve essere raggiunto attraverso un corretto avvolgimento, ma il risultato deve essere che alcune aree della coppia differenziale non possono essere parallele. Cosa dovremmo fare in questo momento? Quale scelta? Prima di trarre conclusioni, diamo un'occhiata ai seguenti risultati di simulazione.

Dai risultati della simulazione di cui sopra, si può vedere che le forme d'onda dello Schema 1 e dello Schema 2 sono quasi coincidenti, vale a dire, l'influenza causata dalla spaziatura disuguale è minima. In confronto, l'influenza del disallineamento della lunghezza della linea sulla tempistica è molto maggiore. (Schema 3). Dall'analisi teorica, anche se la spaziatura incoerente causerà il cambiamento dell'impedenza differenziale, poiché l'accoppiamento tra la coppia differenziale stessa non è significativo, anche l'intervallo di variazione dell'impedenza è molto piccolo, solitamente entro il 10%, che è equivalente a un solo passaggio. La riflessione causata dal foro non avrà un impatto significativo sulla trasmissione del segnale. Una volta che la lunghezza della linea non corrisponde, oltre all'offset di temporizzazione, vengono introdotti nel segnale differenziale componenti di modalità comune, che riduce la qualità del segnale e aumenta l'EMI.

Si può dire che la regola più importante nella progettazione delle tracce differenziali PCB è la lunghezza della linea corrispondente. Altre regole possono essere gestite in modo flessibile in base ai requisiti di progettazione e alle applicazioni reali.

Misunderstanding 3: Si ritiene che il cablaggio differenziale deve essere molto vicino. Mantenere vicine le tracce differenziali non è altro che migliorare il loro accoppiamento, che può non solo migliorare l'immunità al rumore, ma anche fare pieno uso della polarità opposta del campo magnetico per compensare le interferenze elettromagnetiche al mondo esterno. Anche se questo approccio è molto vantaggioso nella maggior parte dei casi, non è assoluto. Se siamo in grado di garantire che siano completamente schermati da interferenze esterne, allora non abbiamo bisogno di utilizzare un forte accoppiamento per ottenere anti-interferenza. E lo scopo di sopprimere l'IME. Come possiamo garantire un buon isolamento e schermatura delle tracce differenziali? Aumentare la spaziatura con altre tracce di segnale è uno dei modi più basilari. L'energia del campo elettromagnetico diminuisce con il quadrato della distanza. Generalmente, quando la distanza tra le linee supera 4 volte la larghezza della linea, l'interferenza tra di loro è estremamente debole. Può essere ignorato. Inoltre, l'isolamento dal piano di terra può anche svolgere un buon ruolo di schermatura. Questa struttura è spesso utilizzata nella progettazione del PCB del pacchetto IC ad alta frequenza (sopra 10G). È chiamato una struttura CPW, che può garantire una severa impedenza differenziale. Controllo (2Z0), come mostrato nella figura 1-8-19.

Le tracce differenziali possono anche funzionare in diversi livelli di segnale, ma questo metodo generalmente non è raccomandato, perché le differenze di impedenza e vias prodotte da diversi strati distruggeranno l'effetto della trasmissione in modo differenziale e introdurranno rumore in modo comune. Inoltre, se i due strati adiacenti non sono strettamente accoppiati, ridurrà la capacità della traccia differenziale di resistere al rumore, ma se è possibile mantenere una distanza adeguata dalle tracce circostanti, il crosstalk non è un problema. Alle frequenze generali (al di sotto di GHz), l'IME non sarà un problema serio. Gli esperimenti hanno dimostrato che l'attenuazione dell'energia irradiata ad una distanza di 500 mil dalla traccia differenziale ha raggiunto 60dB ad una distanza di 3 metri, che è sufficiente per soddisfare lo standard di radiazione elettromagnetica FCC, quindi il progettista non deve preoccuparsi troppo dell'incompatibilità elettromagnetica causata dall'insufficiente accoppiamento di linea differenziale.

3. Serpentine line

Snake line è un tipo di metodo di routing spesso utilizzato in Layout. Il suo scopo principale è quello di regolare il ritardo per soddisfare i requisiti di progettazione della temporizzazione del sistema. Il progettista deve prima avere questa comprensione: la linea serpentina distruggerà la qualità del segnale, cambierà il ritardo di trasmissione e cercherà di evitare di usarlo durante il cablaggio. Tuttavia, nella progettazione effettiva, al fine di garantire che il segnale abbia tempo di attesa sufficiente, o per ridurre l'intervallo di tempo tra lo stesso gruppo di segnali, è spesso necessario avvolgere deliberatamente il filo. Allora, che effetto ha la linea serpentina sulla trasmissione del segnale? A cosa devo prestare attenzione durante il cablaggio? I due parametri più critici sono la lunghezza di accoppiamento parallelo (Lp) e la distanza di accoppiamento (S), come mostrato nella figura 1-8-21. Ovviamente, quando il segnale viene trasmesso sulla traccia serpentina, i segmenti di linea parallela saranno accoppiati in modo differenziale. Più piccola è la S e maggiore è la Lp, maggiore è il grado di accoppiamento. Può causare la riduzione del ritardo di trasmissione e la qualità del segnale è notevolmente ridotta a causa del crosstalk. Il meccanismo può riferirsi all'analisi di modalità comune e modalità differenziale crosstalk nel capitolo 3. Di seguito sono riportati alcuni suggerimenti per gli ingegneri Layout quando si tratta di linee serpentine:

1. Cercare di aumentare la distanza (S) dei segmenti di linea parallela, almeno maggiore di 3H, H si riferisce alla distanza dalla traccia del segnale al piano di riferimento. In termini profani, si tratta di andare intorno a una grande curva. Finché S è abbastanza grande, l'effetto di accoppiamento reciproco può essere quasi completamente evitato.

2. Ridurre la lunghezza di accoppiamento Lp, quando il ritardo doppio Lp si avvicina o supera il tempo di aumento del segnale, il crosstalk generato raggiungerà la saturazione.

3. Il ritardo di trasmissione del segnale causato dalla linea serpentina della striscia o della microstriscia incorporata è inferiore a quello della microstriscia. In teoria, la stripline non influenzerà la velocità di trasmissione a causa della modalità differenziale crosstalk.

4. Per le linee di segnale ad alta velocità e quelle con requisiti di temporizzazione rigorosi, cercare di non utilizzare linee serpentine, soprattutto in piccole aree.

5. È spesso possibile utilizzare tracce serpentine a qualsiasi angolo, come la struttura C nella figura 1-8-20, che può efficacemente ridurre l'accoppiamento reciproco.

6. nella progettazione PCB ad alta velocità, la linea serpentina non ha la cosiddetta capacità di filtraggio o anti-interferenza e può solo ridurre la qualità del segnale, quindi è utilizzata solo per la corrispondenza temporale e non ha altro scopo.

7. A volte si può considerare l'instradamento a spirale per l'avvolgimento. La simulazione mostra che il suo effetto è migliore del normale routing serpentino.