Dati PCB - Tre tecniche speciali di routing nella progettazione e cablaggio di schede PCB

La qualità della progettazione e del cablaggio della scheda PCB influenzeranno direttamente le prestazioni dell'intero sistema e la maggior parte delle teorie di progettazione ad alta velocità saranno finalmente realizzate e verificate 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 ottimizzate. Si spiega principalmente da tre aspetti: percorso ad angolo retto, percorso differenziale e percorso a serpentina.

1. Tracciamento 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 la misurazione della qualità del cablaggio. Quindi, quanto impatto ha il cablaggio ad angolo retto sulla trasmissione del segnale? In linea di principio, le tracce ad angolo retto cambieranno la larghezza della linea di trasmissione, con conseguente discontinuità nell'impedenza. Infatti, non solo le tracce ad angolo retto, ma anche quelle ad angolo acuto possono causare cambiamenti di impedenza. L'impatto della traccia ad angolo retto sul segnale si riflette principalmente in tre aspetti:(1) L'angolo può essere equivalente a un carico capacitivo sulla linea di trasmissione per rallentare il tempo di salita; (2) discontinuità di impedenza causerà la riflessione del segnale; (3) IME generato ad angolo retto. 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, 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 il cambiamento risultante del tempo di salita può essere stimato: T10-90%=2,2* C*Z0/2 = 2,2*0,0101*50/2 = 0,556ps. Si può vedere dal calcolo che l'effetto capacitivo causato 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 è aumentata 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 tra il 7% e il 20%, quindi il coefficiente di riflessione è di circa 0,1. Inoltre, come si può vedere dalla figura sottostante, l'impedenza della linea di trasmissione cambia al 100% durante la linea W/2, per poi tornare alla normale impedenza dopo il tempo W/2. L'intero cambiamento di impedenza avviene in un tempo molto breve, spesso entro 10ps., Un cambiamento così veloce e piccolo è quasi trascurabile per la trasmissione generale del segnale. Molte persone hanno una tale comprensione del cablaggio ad angolo retto, pensando che sia facile emettere o ricevere onde elettromagnetiche e generare EMI, che è anche uno dei motivi per cui molte persone pensano che il cablaggio ad angolo retto non sia possibile. Tuttavia, i risultati di molti test pratici mostrano che le tracce ad angolo retto non producono EMI significative rispetto alle linee rette. Forse le prestazioni attuali dello strumento e il livello di prova limitano la testabilità, ma almeno mostra un problema, la radiazione delle tracce di angolo retto è già più piccola dell'errore di misurazione dello strumento stesso. In generale, il percorso ad angolo retto non è così spaventoso come si potrebbe immaginare. Almeno nelle applicazioni al di sotto di GHz, eventuali effetti come capacità, riflessione, EMI, ecc. prodotti da esso sono difficilmente riflessi nei test TDR. L'attenzione degli ingegneri di progettazione di schede PCB ad alta velocità dovrebbe ancora essere sul layout, sulla progettazione di potenza / terra e sulla progettazione di traccia., e altri aspetti. Naturalmente, anche se l'impatto del cablaggio ad angolo retto non è molto grave, non significa che in futuro possiamo camminare tutti su linee ad angolo retto. L'attenzione ai dettagli è una qualità fondamentale che ogni ingegnere deve avere. Inoltre, con il rapido sviluppo di circuiti digitali, schede PCB La frequenza dei segnali con cui gli ingegneri si occupano continuerà ad aumentare e nel campo della progettazione RF superiore a 10 GHz, questi piccoli angoli retti possono diventare il fulcro di problemi ad alta velocità.2. I segnali differenziali sono sempre più ampiamente utilizzati nella progettazione del circuito ad alta velocità. I segnali chiave nel circuito sono spesso progettati con struttura differenziale. Perché è così popolare? Come garantire le sue buone prestazioni nella progettazione della scheda PCB? Con queste due domande, passiamo alla prossima parte della discussione. Cos'è il segnale differenziale? In termini laici, l'estremità motrice invia due segnali di uguale valore e fase opposta, e l'estremità ricevente giudica lo stato logico "0" o "1" confrontando la differenza tra le due tensioni. La coppia di tracce che portano il segnale differenziale è chiamata traccia differenziale. Rispetto alle normali tracce di segnale monoterminale, i segnali differenziali presentano evidenti vantaggi 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 nel mondo esterno, sono quasi accoppiati ai due fili allo stesso tempo, e l'estremità ricevente si preoccupa solo della differenza tra i due segnali. Così il rumore di modalità comune esterna può essere completamente cancellato.b. Può efficacemente sopprimere EMI. Allo stesso modo, poiché le polarità dei due segnali sono opposte, i campi elettromagnetici da essi irradiati possono annullarsi a vicenda. Più stretto l'accoppiamento, meno energia elettromagnetica viene rilasciata al mondo esterno.c. Posizionamento di temporizzazione, perché il cambiamento di commutazione del segnale differenziale si trova all'intersezione dei due segnali, a differenza dei segnali ordinari monoterminali che si basano su due tensioni di soglia, alta e bassa, quindi è meno influenzato dal processo e dalla temperatura, e può ridurre gli errori di temporizzazione. È anche più adatto per circuiti con segnali di bassa ampiezza. L'attuale LVDS popolare si riferisce a questa tecnologia di segnalazione differenziale di piccola ampiezza. Per gli ingegneri di schede PCB, la preoccupazione è come garantire che questi vantaggi del routing differenziale possano essere pienamente utilizzati nel routing effettivo. Forse chiunque sia stato in contatto con stackup capirà il requisito generale per le tracce differenziali, che è "uguale lunghezza, uguale spaziatura". Eq

Mito 2: Pensare che mantenere una spaziatura uguale sia più importante che abbinare lunghezze di linea. Nel layout effettivo della scheda PCB, è spesso impossibile soddisfare i requisiti di progettazione differenziale allo stesso tempo. A causa di fattori come la distribuzione dei pin, vias e lo spazio di routing, lo scopo di abbinare la lunghezza della linea deve essere raggiunto attraverso un routing appropriato, ma il risultato deve essere che alcune aree della coppia differenziale non possono essere parallele. Cosa dovremmo fare in questo momento? E i compromessi? Prima di trarre conclusioni, diamo un'occhiata ai seguenti risultati di simulazione. Dai risultati della simulazione di cui sopra, le forme d'onda dello schema 1 e dello schema 2 sono quasi coincidenti, vale a dire, l'impatto causato dalla spaziatura disuguale è minimo. In confronto, l'impatto del disallineamento della lunghezza della linea sulla tempistica è molto maggiore (opzione 3). Dall'analisi teorica, anche se l'incoerenza della spaziatura causerà il cambiamento dell'impedenza differenziale, poiché l'accoppiamento tra le coppie differenziali stesso non è significativo, anche l'intervallo di variazione dell'impedenza è molto piccolo, solitamente entro il 10%, che è solo equivalente ad un singolo passaggio. Una volta che la lunghezza della linea non corrisponde, oltre all'offset temporale, viene introdotto nel segnale differenziale un componente di modalità comune, che riduce la qualità del segnale e aumenta l'EMI. Si può dire che la regola importante nella progettazione di tracce differenziali sul PCB è quella di corrispondere alla lunghezza delle linee e altre regole possono essere gestite in modo flessibile in base ai requisiti di progettazione e alle applicazioni pratiche. Misunderstanding 3: Pensare che le tracce differenziali devono essere molto vicine. 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 lo è. Se siamo in grado di garantire che siano completamente schermati da interferenze esterne, allora non abbiamo bisogno di ottenere anti-interferenza e anti-interferenza attraverso un forte accoppiamento tra loro. lo scopo di sopprimere l'IME. Come possiamo garantire che le tracce differenziali abbiano un buon isolamento e schermatura? Aumentare la distanza con altre tracce di segnale è uno dei modi di base. L'energia del campo elettromagnetico diminuisce con la relazione quadrata della distanza. Generalmente, quando la distanza tra le linee supera 4 volte la larghezza della linea, l'interferenza tra di esse è estremamente debole, che è fondamentalmente OK. Inoltre, l'isolamento del piano di terra può anche svolgere un buon ruolo di schermatura. Questa struttura è spesso utilizzata nella progettazione di schede PCB ad alta frequenza (sopra 10G) IC pacchetto. È chiamata la struttura CPW, che può garantire un rigoroso controllo differenziale di impedenza (2Z0). Le tracce differenziali possono anche essere eseguite in diversi livelli di segnale, ma questo metodo generalmente non è raccomandato, perché le differenze di impedenza e vias generate 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 la distanza corretta dalle tracce circostanti può essere mantenuta, la conversazione incrociata non è un problema. Alle frequenze generali (al di sotto di GHz), l'IME non è un problema serio. Gli esperimenti mostrano che l'attenuazione dell'energia irradiata ad una distanza di 3 metri ha raggiunto 60dB per tracce differenziali separate da 500Mils, che è sufficiente per soddisfare gli standard di radiazione elettromagnetica del FCC, quindi il progettista non deve preoccuparsi troppo dell'incompatibilità elettromagnetica causata dall'insufficiente accoppiamento differenziale della linea.3. serpentineSerpentine line è un tipo di metodo di routing spesso usato 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 i segnali dello stesso gruppo, è spesso necessario eseguire deliberatamente il cablaggio. Allora, che effetto ha il filo serpentino sulla trasmissione del segnale? A cosa devo prestare attenzione durante il routing? I due parametri chiave sono la lunghezza di accoppiamento parallelo e la distanza di accoppiamento. Ovviamente, quando il segnale viene trasmesso sulla traccia serpentina, l'accoppiamento avverrà tra i segmenti di linea parallela, sotto forma di modalità differenziale, più piccola è la S, maggiore è la Lp, maggiore è il grado di accoppiamento. Può portare alla riduzione del ritardo di trasmissione e ridurre notevolmente la qualità del segnale dovuto al crosstalk. Per il meccanismo, fare riferimento all'analisi di modalità comune e modalità differenziale crosstalk nel Capitolo 3.Alcuni suggerimenti quando si tratta di linee serpentine:(1) Cercare di aumentare la distanza dei segmenti di linea parallela, almeno superiore a 3H, dove H si riferisce alla distanza dalla traccia del segnale al piano di riferimento. In termini profani, si tratta di percorrere una grande curva. Finché S è abbastanza grande, l'effetto di accoppiamento reciproco può essere quasi completamente evitato. (2) Diminuire la lunghezza dell'accoppiamento Lp. Quando il doppio ritardo 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 linea di striscia o dalla linea di microstrip sepolta è più piccolo di quello della linea di microstrip. Teoricamente, la stripline non influenzerà la velocità di trasmissione a causa della modalità differenziale crosstalk. (4) Per le linee ad alta velocità e di segnale con severi requisiti di temporizzazione, cercare di non prendere linee serpentine, soprattutto non