Data PCB - Bagaimana papan PCB mempertimbangkan Lebar Band Seluruh Isyarat dalam Perpadanan Panjang Trek

If you read many Papan PCBpanduan desain, terutama pada protokol selari dan laluan pasangan berbeza, anda akan melihat banyak tentang sepadan panjang jejak. Apabila anda perlukan sepadan panjang jejak, tujuan anda adalah untuk minimumkan pasangan perbezaan dalam protokol berantai, multiple pairs in parallel protocols (eg PCIe), jejak berbilang/pasangan dalam protokol selari atau guna protokol berikut Perbezaan masa antara mana-mana protokol adalah jam sinkronis sumber. CAD tools make it easy to think about what's going on. Namun, apa yang berlaku pada frekuensi lain? Lebih khusus, apa yang berlaku pada isyarat jangkauan luas? All digital signals are broadband signals whose frequency content extends from DC to infinity. Kerana lebar band besar isyarat digital, frekuensi mana yang patut digunakan untuk sepadan panjang jejak? Malangnya, frekuensi yang digunakan untuk sepadan panjang jejak adalah ambiguh, jadi para desainer perlu memahami bagaimana untuk menangani Papan PCB panjang jejak yang sepadan melawan frekuensi. Untuk memahami lebih baik ini, kita perlu memeriksa teknik yang digunakan dalam rancangan band lebar dan bagaimana seluruh lebar band isyarat dianggap dalam persamaan panjang jejak.

Hubungan antara sepadan panjang jejak PCB dan frekuensi pasangan berbeza

Panjang jejak yang sepadan dengan frekuensi memerlukan pertimbangan seluruh lebar banding isyarat pembesaran pada jejak. Ini telah menjadi subjek penyelidikan dalam protokol berantai berbeza selama beberapa tahun terakhir, dengan standar seperti USB4 meletakkan keperluan khusus pada metrik integriti isyarat jangkauan luas. Beberapa contoh metrik integriti isyarat band lebar adalah:

Percakapan salib berbeza terintegrasi

Integral Differential Insertion Loss

Kehilangan Kembalian Perbezaan Integral

Perbezaan Kebezaan Berbezaan Integral

Dengan "integrasi", kita bermaksud bahawa aspek tertentu integriti isyarat berlaku pada seluruh julat frekuensi kepentingan. Dengan kata lain, jika kita mengambil perbezaan salib sebagai contoh, kita mahu mengurangi perbezaan salib antara dua pasangan perbezaan di bawah had tertentu, yang dinyatakan dalam piawai isyarat. Kita akan lihat sebentar lagi mengapa ini penting untuk mengesan sepadan panjang.

Pemindahan

Dalam domain masa, kita hanya bimbang dengan transisi setengah jalan antara keadaan HI dan LOW (menganggap binari) pada saat yang sama di mana kedua-dua hujung salib pasangan berbeza. Jelas, kegelisahan menciptakan masalah di sini, iaitu ia akan membatasi panjang jejak anda kepada toleransi tertentu, jadi anda tidak akan pernah mempunyai transisi sempurna pada kedua-dua hujung pasangan wayar pada masa yang sama. Dalam domain frekuensi, kita perlu mempertimbangkan penyebaran berikut:

Pencerahan geometrik: Ini disebabkan keadaan sempadan dan geometri sambungan, yang kemudian menentukan bagaimana impedance sambungan berbeza dengan geometri.

Disifusi Dielektrik: Ini berlaku dalam substrat papan PCB dan tidak berdasarkan geometri antara sambungan pada papan PCB. Ia termasuk penyebaran dan kehilangan DK.

Pencerahan Kekerasan: Pencerahan tambahan ini berlaku disebabkan penyebab dalam model kekerasan tembaga dan kesan kulit pada frekuensi tinggi.

Perbezaan Kacang: Kacang Kacang dalam laminat papan PCB menghasilkan perubahan pembezaan periodik sepanjang sambungan.

Kerana sumber penyebaran ini sentiasa ada dalam jejak, ia menyebabkan impedance, kelajuan, dan semua metrik integriti isyarat lain jejak PCB sebenar menjadi fungsi frekuensi.

Kelajuan isyarat

Jika anda familiar dengan teori garis penghantaran, maka anda tahu bahawa impedance dan kelajuan isyarat adalah berkaitan rapat. Mari kita ambil kelajuan isyarat jejak papan PCB sebagai contoh. Figur di bawah menunjukkan kelajuan kumpulan dan fasa garis garis garis simulasi dengan kasar dan dispersion. Kelajuan kumpulan dan fasa isyarat pada garis garis garis contoh dengan kasar tembaga dan pembebasan dielektrik. Di sini kita boleh lihat halaju fasa berbeza dengan sangat dalam julat frekuensi luas, dari 1MHz hingga 20GHz dengan faktor 2. perubahan halaju fasa adalah parameter penting di sini kerana ini adalah kadar pada mana komponen frekuensi berbeza berkembang sepanjang sambungan. Dengan perubahan ini, kita boleh melihat betapa sukarnya ia menjadi untuk sepadan panjang jejak PCB dengan frekuensi bagi sambungan praktik. Kita perlukan cara untuk menganggap semua frekuensi, bukan hanya frekuensi tunggal yang dipilih secara arbitrari.

Perpadanan Panjang Jarak vs. Frekuensi

Untuk membentuk ukuran persamaan panjang, kita perlu mempertimbangkan penyerangan panjang yang boleh dibenarkan untuk standar isyarat yang diberi. Kita panggil masa ini bias tlim. Fungsi k di sini hanyalah konstan penyebaran isyarat pada sambungan antara satu sama lain, yang juga fungsi frekuensi disebabkan penyebaran, bergantung pada panjang variasi masa yang dibenarkan. Kita boleh mengambil pendekatan statistik untuk menangani ketidakpadanan panjang yang dibenarkan menggunakan kaedah yang dipanggil "norm Lp". Tanpa pergi terlalu dalam dalam matematika terlibat, hanya tahu bahawa ukuran ini adalah sama dengan mengira perbezaan RMS antara fungsi dan beberapa nilai yang berbeza hanya dengan konstan. Oleh itu, ini menjadikannya alat matematik yang ideal untuk mengatasi variasi antara nilai desain sasaran tertentu dan metrik integriti isyarat (impedance, puls responsion attenuation/delay, cross talk strength, dll.). Mengguna norm Lp, kita boleh tulis semula ketidakpadanan panjang yang dibenarkan dalam terma beberapa batas atas yang ditakrif oleh batas ketidakpadanan masa tlim, mengikut variasi panjang variasi masa yang dibenarkan.

Apabila menggunakan metrik integriti isyarat jangkauan lebar untuk Papan PCB desain, persamaan di atas boleh dianggap sebagai keterangan: when sizing transmission lines, ini boleh mempengaruhi perbezaan antara hujung pasangan perbezaan atau antara mana-mana dua jejak dalam keseluruhan pembezaan panjang yang dibenarkan. Protokol selari kelajuan tinggi. Integral mudah dihitung selama anda tahu konstan pendaraban garis penghantaran. Nilai ini boleh dihitung dengan menggunakan penyelesaian medan, model analitik dengan geometri garis penghantaran piawai untuk dikira secara manual. Hanya untuk memberikan beberapa nombor kepada pengiraan, jika saya gunakan kecepatan fasa garis garis garis simulasi yang dipaparkan di atas, kita melihat bahawa terdapat ketidakpadanan dalam panjang yang dibenarkan antara dua jejak sepenuhnya terisolasi dengan selari jika nilai dibenarkan ketidakpadanan masa adalah 10ps untuk 2.07mm. Perhatikan bahawa untuk 10ps, ini adalah pecahan besar dari kadar pinggir banyak isyarat digital kelajuan tinggi. For the stripline I simulated above, ia sama dengan ketidakpadanan panjang yang boleh dilakukan 1.3041mm. Dalam ringkasan, kami telah menunjukkan bahawa menggunakan norm Lp boleh mengurangi Papan PCB panjang jejak yang sepadan melawan frekuensi ke metrik tunggal. Jika anda adalah Papan PCB desainer, anda tidak perlu melakukan pengiraan ini secara manual, anda hanya perlu menggunakan yang betul Papan PCB set alat penghalaan.