PCB Tecnico - Sintesi dell'esperienza: competenze di routing 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 devono essere finalmente implementate 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 più ottimizzate. Si spiega principalmente da tre aspetti: cablaggio ad angolo retto, cablaggio differenziale e linea serpentina.

1. Rottura ad angolo retto

Il cablaggio ad angolo retto è generalmente una situazione che deve essere evitata il più possibile nel PCBwiring, 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, l'instradamento ad angolo acuto può 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 viene generata la punta ad angolo retto. 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 precedente, C si riferisce alla capacità equivalente dell'angolo (unità: pF), e W si riferisce alla camminata La larghezza della linea (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=4,3), la capacità portata da un angolo retto è di circa 0,0101pF, e quindi il cambiamento del tempo di salita 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 dal cablaggio 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, si può notare che l'impedenza della linea di trasmissione cambia al minimo durante 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. Cambiamenti veloci e piccoli sono quasi trascurabili per la trasmissione generale del segnale.

Molte persone hanno questa comprensione del cablaggio ad angolo retto e pensano che la punta sia facile da trasmettere o ricevere onde elettromagnetiche e generare EMI. Questo è anche diventato uno dei motivi per cui molte persone pensano che i cavi ad angolo retto non possano essere instradati. 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 immaginavo. Almeno nelle applicazioni al di sotto di GHz, eventuali effetti come capacità, riflessione, EMI, ecc., sono difficilmente riflessi nel test TDR. L'attenzione degli ingegneri di progettazione PCB ad alta velocità dovrebbe ancora essere sul layout, la progettazione di potenza / terra e la 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. Prestare attenzione ai dettagli è la qualità di base che ogni ingegnere eccezionale deve avere. Inoltre, con il rapido sviluppo dei circuiti digitali, PCB La frequenza del segnale con cui l'ingegnere si occupa continuerà ad aumentare, al campo di progettazione RF superiore a 10GHz, questi piccoli angoli retti possono diventare il fulcro di problemi ad alta velocità.

2 Cablaggio differenziale

Il segnale differenziale (segnale differenziale) 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 allo stesso tempo 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, il campo elettromagnetico irradiato da essi può 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, è meno influenzato dal processo e dalla temperatura e può ridurre l'errore nella temporizzazione., È anche più adatto per circuiti con segnali di bassa ampiezza.

L'attuale LVD popolare (segnalazione differenziale di tensione ow) si riferisce a questa tecnologia di segnalazione 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 la polarità opposta e riducano la componente del modo comune; la distanza uguale è principalmente per garantire che l'impedenza differenziale dei due sia coerente e ridurre la riflessione. "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 PCB.

Miscomprensione 1: Pensate 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 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 per simili rimbalzi di terra e altre possibili esistenza È insensibile ai segnali di rumore sull'alimentazione elettrica e sul piano di terra. 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 monoterminale ordinario è lo stesso, cioè i segnali ad alta frequenza sono sempre Reflow lungo il ciclo con la più piccola induttanza, la differenza più grande è che oltre all'accoppiamento a terra, la linea differenziale ha anche accoppiamento reciproco. Quale tipo di accoppiamento è forte, quale diventa il percorso principale di ritorno.

Nella progettazione di PCBcircuit, l'accoppiamento tra tracce differenziali è generalmente piccolo, spesso rappresenta solo il 10-20% del grado di accoppiamento, e più è l'accoppiamento al suolo, quindi il percorso principale di ritorno della traccia differenziale esiste ancora sul piano di terra. Quando c'è una discontinuità nel piano di terra, l'accoppiamento tra le tracce differenziali fornirà il percorso principale di ritorno nell'area senza piano di riferimento. 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 anche che il piano di riferimento sotto la traccia differenziale possa essere rimosso per sopprimere parte del segnale di modalità comune nella trasmissione differenziale, ma questo approccio non è desiderabile in teoria. Come controllare l'impedenza? Non fornire un loop di impedenza di terra per il segnale di modalità comune, che causerà inevitabilmente radiazioni EMI, e questa pratica è più dannosa.

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 in grado di soddisfare i requisiti della progettazione differenziale allo stesso tempo. A causa dell'esistenza di fattori quali la distribuzione dei pin, vias e lo spazio di cablaggio, l'avvolgimento corretto deve essere utilizzato per raggiungere lo scopo della corrispondenza della lunghezza della linea, 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'impatto causato dalla spaziatura disuguale è minimo. In confronto, il disallineamento della lunghezza della linea ha un impatto molto maggiore sulla tempistica. (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 equivale 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 del cablaggio differenziale PCB è la lunghezza della linea corrispondente e altre regole possono essere gestite in modo flessibile in base ai requisiti di progettazione e alle applicazioni pratiche.

Misunderstanding 3: Pensate 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 più bisogno di ottenere anti-interferenza attraverso un forte accoppiamento tra loro. 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 spaziatura delle linee supera 4

Le tracce differenziali possono anche funzionare in diversi livelli di segnale, ma questo approccio 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 modalità 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 500mils 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 della linea differenziale.