PCB 블로그 - PCB 보드가 추적 길이 매칭에서 전체 신호 대역폭을 고려하는 방법

많은 PCB 보드 설계 가이드, 특히 병렬 프로토콜 및 차동 페어 라우팅에 대한 가이드를 읽으면 흔적선 길이가 일치하는 것에 대한 많은 내용을 볼 수 있습니다.추적 길이가 일치해야 할 경우 직렬 프로토콜의 차등 쌍, 병렬 프로토콜의 다중 쌍 (예: PCIe), 병렬 프로토콜의 다중 추적 / 쌍 또는 다음 프로토콜의 사용을 최소화하는 것이 목표입니다. 모든 프로토콜 간의 시간 차이는 소스 동기화 클록입니다.CAD 도구를 사용하면 어떤 일이 일어났는지 쉽게 생각할 수 있습니다. 그러나 다른 빈도에서는 어떤 일이 일어날까요?더 구체적으로 광대역 신호는 어떻게 됩니까?모든 디지털 신호는 광대역 신호이며 주파수 내용은 DC에서 무한대로 확장됩니다.디지털 신호의 대역폭이 매우 크기 때문에 추적 길이가 일치하려면 어느 주파수를 사용해야 합니까?불행히도 흔적선 길이의 일치에 사용되는 주파수는 모호하기 때문에 설계자는 PCB 판의 흔적선 길이와 주파수의 일치를 처리하는 방법을 알아야 한다.이를 더 잘 이해하기 위해서는 광대역 설계에 사용되는 기술과 길이 매칭에서 전체 신호 대역폭을 고려하는 방법을 연구해야 합니다.

PCB 트랙 길이 일치와 차분 대 주파수의 관계

흔적선의 길이와 주파수를 적당히 일치시키려면 흔적선에서 전파되는 신호의 전체 대역폭을 고려해야 한다.지난 몇 년 동안 이것은 차등 직렬 프로토콜의 연구 주제였으며 USB4와 같은 표준은 광대역 신호 무결성 지표에 특정 요구 사항을 제기했습니다.일부 예제 광대역 신호 무결성 메트릭은 다음과 같습니다.

통합 차등 인터럽트

적분 차분 삽입 손실

적분 미분 회파 손실

적분 미분 임피던스 편차

"통합" 이란 신호 무결성의 특정 측면이 관심있는 전체 주파수 범위에 적용된다는 의미입니다.다시 말해서, 만약 우리가 차분 교란을 예로 들면, 우리는 두 차분 쌍 사이의 차분 교란을 일정 한도 이하로 낮추기를 희망하는데, 이는 신호 표준에 규정되어 있다.추적 길이 일치가 중요한 이유를 나중에 알아보겠습니다.

분산

시간 도메인에서는 하이 (HI) 와 LOW 상태 (2진법으로 가정) 사이의 중간 변환이 차동 대 양단이 교차하는 동일한 순간에만 적용됩니다.분명히, 디더링은 여기에서 문제를 일으킬 수 있습니다. 즉, 디더링은 자국의 길이를 일정한 공차 내로 제한하기 때문에 한 쌍의 도선의 양쪽 끝에서 완벽한 전환을 할 수 없습니다.주파수 도메인에서는 다음과 같은 분산을 고려해야 합니다.

기하학적 분산: 이것은 상호 연결의 경계 조건과 기하학적 형태 때문에 상호 연결의 임피던스가 기하학적 형태에 따라 어떻게 변하는지 결정합니다.

전매체 확산: PCB 보드에 연결된 기하학적 형태와 관계없이 PCB 보드 기판에서 발생합니다.여기에는 DK의 분산과 손실이 포함됩니다.

조잡도 색산: 이 추가 색산은 구리 조잡도 모델의 인과관계와 고주파 시 피부로 가는 효과로 인해 발생한다.

섬유 편직 분산: PCB 판층 압판의 섬유 편직은 전체 상호 연결 과정에서 주기적인 분산 변화를 일으킨다.

이러한 색산원은 항상 흔적선에 존재하기 때문에 실제 PCB 흔적선의 임피던스, 속도 및 기타 모든 신호 무결성 측정이 주파수의 함수이다.

신호속도

전송선 이론에 익숙하다면 임피던스와 신호 속도가 밀접한 관련이 있다는 것을 알게 될 것이다.PCB 판적선의 신호 속도를 예로 들자.다음 그림은 거친 색과 분산이 있는 아날로그 밴드 선의 그룹 속도와 위상 속도를 보여 줍니다.구리 거칠음과 개전 색산을 가진 예제 띠 모양의 선상의 신호의 군속도와 위상속도.여기서 우리는 위상 속도가 1MHz에서 20GHz까지 매우 넓은 주파수 범위 내에서 매우 크게 변화하는 것을 볼 수 있으며, 변화 계수는 2이다.위상 속도의 변화는 서로 다른 주파수 분량이 상호 연결을 따라 전파되는 속도이기 때문에 여기서 중요한 매개 변수입니다.이 변화에 따라 PCB 흔적선의 길이를 실제 연결된 주파수와 맞추는 것이 얼마나 어려워졌는지 볼 수 있다.우리는 임의로 선택한 단일 주파수가 아니라 모든 주파수를 해석할 수 있는 어떤 방법이 필요하다.

광대역 길이 일치 주파수

길이가 일치하는 도량을 제정하기 위해서, 우리는 주어진 신호 표준의 허용 길이 편차를 고려해야 한다.우리는 시간 편차 tlim이라고 부른다.이곳의 함수 k는 신호가 서로 연결되는 전파 상수일 뿐, 또한 색산으로 인한 주파수의 함수이며, 허용된 정시 변화의 길이에 달려 있다.허용되는 길이 미스매치를 처리하기 위해 "Lp 범주"라고 하는 방법을 사용할 수 있습니다.수학을 깊이 연구하지 않고 이 도량이 한 함수와 한 상수만 차이가 나는 어떤 평균값 사이의 RMS 차를 계산하는 것과 같다는 것을 알면 된다.따라서 특정 목표 설계 값과 신호 무결성 지표(임피던스, 펄스 응답 감쇠/지연, 교란 강도 등) 사이의 변화를 해결하는 데 이상적인 수학 도구가 될 수 있습니다. Lp 범수를 사용하면 타이밍 미스매치 한계 tlim이 정의한 일부 상계 재쓰기가 허용하는 길이 미스매치를 기반으로허용되는 타이밍에 따라 길이가 변경됩니다.

광대역 신호 무결성 메트릭을 사용하여 PCB 보드를 설계할 때 위의 등식은 구속으로 간주될 수 있습니다. 이는 전송선의 크기를 결정할 때 차동 대 끝 또는 총 허용 길이 편차 중 두 흔적선 사이의 차이에 영향을 줄 수 있습니다.고속 병렬 프로토콜.전송선의 전파 상수만 알면 적분은 쉽게 계산할 수 있다.그런 다음 필드 계산기 (표준 송전선로의 형상 구조를 가진 분석 모델) 를 사용하여 수동으로 값을 계산할 수 있습니다.계산에 숫자를 제공하기 위해 위에 표시된 아날로그 밴드선의 위상 속도를 사용하면 허용된 값이면 양쪽 끝이 완전히 분리된 평행선 사이의 허용 길이가 일치하지 않는 것을 볼 수 있습니다. 2.07mm의 시간 불일치는 10ps입니다. 10ps의 경우 많은 고속 디지털 신호 가장자리 속도의 큰 부분입니다.위에서 시뮬레이션한 밴드선의 경우 1.3041mm의 허용 길이가 맞지 않는 것과 같습니다. 결론적으로, 우리는 이미 Lp 패러다임을 사용하면 PCB 판적 선의 길이와 주파수의 일치를 단일 도량으로 줄일 수 있다는 것을 밝혔습니다.PCB 보드 설계자라면 이 계산을 수동으로 수행할 필요가 없으며 올바른 PCB 보드 경로설정 도구 세트를 사용하기만 하면 됩니다.