Dati PCB - Come la scheda PCB considera l'intera larghezza di banda del segnale nella corrispondenza della lunghezza della traccia

Se leggete molti Scheda PCBguide di progettazione, in particolare quelli su protocolli paralleli e percorsi differenziali, Vedrai molto sulla corrispondenza della lunghezza della traccia. Quando hai bisogno di una corrispondenza della lunghezza della traccia, Il tuo obiettivo è ridurre al minimo le coppie differenziali nei protocolli seriali, multiple pairs in parallel protocols (eg PCIe), tracce multiple/Le differenze di temporizzazione tra qualsiasi protocollo sono orologi sincroni di origine. Gli strumenti CAD rendono facile pensare a ciò che sta succedendo. Tuttavia, cosa succede ad altre frequenze? Più precisamente, cosa succede ai segnali a banda larga? Tutti i segnali digitali sono segnali a banda larga il cui contenuto di frequenza si estende da DC all'infinito. Grazie alla grande larghezza di banda dei segnali digitali, quale frequenza usare per la corrispondenza della lunghezza della traccia? Purtroppo, la frequenza utilizzata per la corrispondenza della lunghezza di traccia è ambigua, Quindi i progettisti devono capire come affrontare Scheda PCB Corrispondenza della lunghezza della traccia rispetto alla frequenza. Per capire meglio questo, Abbiamo bisogno di esaminare le tecniche utilizzate nella progettazione a banda larga e come l'intera larghezza di banda del segnale è considerata nella corrispondenza della lunghezza di traccia.

La relazione tra corrispondenza della lunghezza della traccia PCB e frequenza della coppia differenziale

La corretta corrispondenza della lunghezza della traccia alla frequenza richiede la considerazione dell'intera larghezza di banda del segnale che si propaga sulla traccia. Questo è stato oggetto di ricerche sui protocolli seriali differenziali negli ultimi anni, con standard come USB4 che pongono requisiti specifici sulle metriche di integrità del segnale a banda larga. Alcuni esempi di metriche di integrità del segnale a banda larga sono:

Conversazione differenziale integrata

Perdita di inserimento differenziale integrale

Perdita differenziale integrale di rendimento

Deviazione dell'impedenza differenziale integrale

Con "integrato" intendiamo che un particolare aspetto dell'integrità del segnale si applica all'intera gamma di frequenze di interesse. In altre parole, se prendiamo il crosstalk differenziale come esempio, vogliamo ridurre il crosstalk differenziale tra due coppie differenziali al di sotto di un certo limite, che è specificato nello standard di segnalazione. Vedremo tra un attimo perché questo è importante per tracciare la corrispondenza della lunghezza.

Dispersionee

Nel dominio temporale, ci occupiamo solo della transizione a metà strada tra gli stati HI e LOW (assumendo binario) nello stesso istante in cui entrambe le estremità della coppia differenziale si incrociano. Ovviamente, il jitter crea un problema qui, che è che limiterà la lunghezza della traccia a una certa tolleranza, in modo da non avere mai una transizione perfetta su entrambe le estremità di un paio di fili allo stesso tempo. Nel campo della frequenza, dobbiamo considerare la seguente dispersione:

Dispersionee geometrica: Ciò è dovuto alle condizioni di confine e alla geometria dell'interconnessione, che determina poi come l'impedenza dell'interconnessione varia con la geometria.

Diffusione dielettrica: Ciò si verifica nel substrato della scheda PCB ed è indipendente dalla geometria delle interconnessioni sulla scheda PCB. Comprende la dispersione e la perdita di DK.

Dispersionee di rugosità: Questa ulteriore dispersione si verifica a causa della causalità nel modello di rugosità del rame e dell'effetto cutaneo ad alte frequenze.

Dispersionee della tessitura della fibra: La tessitura della fibra nei laminati della scheda PCB produce cambiamenti periodici di dispersione in tutta l'interconnessione.

Poiché queste fonti di dispersione sono sempre presenti nelle tracce, fanno sì che l'impedenza, la velocità e tutte le altre metriche di integrità del segnale delle tracce PCB effettive siano una funzione della frequenza.

Velocità del segnale

Se avete familiarità con la teoria della linea di trasmissione, allora sapete che l'impedenza e la velocità del segnale sono strettamente correlate. Prendiamo ad esempio la velocità del segnale di una traccia di scheda PCB. La figura seguente mostra le velocità di gruppo e fase di una stripline simulata con rugosità e dispersione. Velocità di gruppo e fase dei segnali su una stripline di esempio con rugosità del rame e dispersione dielettrica. Qui possiamo vedere che la velocità di fase varia notevolmente su un ampio intervallo di frequenza, da 1MHz a 20GHz di un fattore di 2. Il cambiamento nella velocità di fase è un parametro importante qui poiché questa è la velocità con cui diversi componenti di frequenza si propagano lungo l'interconnessione. Con questo cambiamento, possiamo vedere quanto diventa difficile abbinare la lunghezza delle tracce PCB alla frequenza per interconnessioni pratiche. Abbiamo bisogno di un modo per tenere conto di tutte le frequenze, non solo di una singola frequenza scelta arbitrariamente.

Corrispondenza lunghezza banda larga vs. frequenza

Per formulare una misura della corrispondenza di lunghezza, dobbiamo considerare la deviazione di lunghezza consentita per un dato standard di segnalazione. Questa volta chiamiamo "bias tlim". La funzione k qui è semplicemente la costante di propagazione del segnale sull'interconnessione, che è anche una funzione della frequenza dovuta alla dispersione, a seconda della lunghezza della variazione temporale consentita. Possiamo adottare un approccio statistico per affrontare le disallineazioni di lunghezza consentite utilizzando un metodo chiamato "norma Lp". Senza andare troppo in profondità nella matematica coinvolta, basta sapere che questa misura equivale a calcolare la differenza RMS tra una funzione e qualche media che differisce solo per una costante. Pertanto, questo lo rende uno strumento matematico ideale per affrontare le variazioni tra determinati valori di progettazione target e metriche di integrità del segnale (impedenza, attenuazione/ritardo della risposta agli impulsi, forza di crosstalk, ecc.). Utilizzando la norma Lp, possiamo riscrivere il disallineamento di lunghezza ammissibile in termini di qualche limite superiore definito dal limite di disallineamento di timing tlim, in base alla variazione di lunghezza della variazione di timing consentita.

Quando si utilizzano metriche di integrità del segnale a banda larga per Scheda PCB progettazione, l'equazione di cui sopra può essere considerata un vincolo: quando dimensionano le linee di trasmissione, Questo può influire sulla differenza tra le estremità di una coppia differenziale o tra due tracce in. Protocollo parallelo ad alta velocità. L'integrale è facile da calcolare fintanto che si conosce la costante di propagazione della linea di trasmissione. Questo valore può quindi essere calcolato utilizzando un risolutore di campo, un modello analitico con geometria standard della linea di trasmissione per calcolare manualmente. Solo per dare alcuni numeri ai calcoli, se utilizzo le velocità di fase della stripline simulata sopra indicate, Vediamo che c'è una disallineazione nelle lunghezze consentite tra due tracce completamente isolate a testa singola in parallelo se i valori consentiti La disallineazione temporale è 10ps per 2.07mm. Nota che per 10ps, Questa è una grande frazione della velocità di bordo di molti segnali digitali ad alta velocità. Per la stripline che ho simulato sopra, questo equivale a un disallineamento di lunghezza ammissibile di 1.3041mm. In sintesi, abbiamo dimostrato che l'utilizzo della norma Lp può ridurre Scheda PCB Corrispondenza della lunghezza della traccia rispetto alla frequenza ad una singola metrica. Se sei un Scheda PCB designer, non è necessario eseguire questo calcolo manualmente, hai solo bisogno di usare il corretto Scheda PCB Set di strumenti di routing.