Новости PCB - Прямоугольные линии и катушки в разводке печатных плат

Макетирование - один из основных рабочих навыков инженеров по проектированию печатных плат. качество разводки напрямую влияет на производительность всей системы. Большинство теорий высокоскоростного проектирования в конечном итоге должны быть реализованы и проверены с помощью макета. Как видно, разводка имеет жизненно важное значение в производстве.

В основном три способа: прямоугольная проводка, зигзагообразная проводка.

1.Прокладка под прямым углом

Разводка под прямым углом - это ситуация, которой следует по возможности избегать при разводке печатных плат, Он уже почти стал одним из стандартов качества проводов.Поэтому насколько сильно прямоугольная проводка повлияет на передачу сигнала?В принципе, прямоугольная разводка изменит ширину линии передачи, приводя к разрыву импеданса. В действительности, не только прямая проводка,но и углы и остроугольная прокладка могут вызвать изменение импеданса.

Влияние маршрутизации под прямым углом на сигнал проявляется в основном в трех аспектах:

Во-первых, угол может быть эквивалентен емкостной нагрузке на линию передачи, что замедляет время нарастания сигнала;

Во-вторых, прерывистый импеданс приводит к отражению сигнала;

Третий - все поколения, генерируемые угловым наконечником.

Паразитная емкость, вызванная прямым углом линии передачи, может быть рассчитана по следующей эмпирической формуле:

C=61W(Er)1/2/2 * C * Z0

В приведенной выше формуле C означает эквивалентную емкость угла (единица измерения: пФ), W означает ширину трассы (единица измерения: дюйм), отключение диэлектрика МКР, а Z0 - характеристический импеданс линии передачи. Например, для линии передачи 4Mils 50 Ом (εr равен 4.3), емкость, вызванная прямым углом, составляет около 0.0101pf, и тогда изменение времени нарастания, вызванное этим, может быть оценено:

T10-90%=2.2*C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps

Из расчетов видно, что эффект емкости, вызванный трассировкой под прямым углом, крайне мал.

Если увеличить ширину линии вдоль прямоугольной трассы, где сопротивление падает, то возникнет явление отражения сигнала. Мы можем рассчитать эквивалентный импеданс после увеличения ширины линии, используя формулу расчета импеданса, упомянутую в главе о линиях передачи, а затем рассчитать коэффициент отражения по эмпирической формуле:

Ï=(Zs-Z0)/(Zs+Z0).

Как правило, изменение импеданса, вызванное проводкой под прямым углом, составляет 7-20 %, поэтому максимальный коэффициент отражения равен 0,1. и, как видно из рисунка ниже, импеданс линии передачи изменяется до минимума за W/2 длины линии, затем возвращается к нормальному импедансу за W/2 времени. время изменения общего импеданса очень мало, часто в пределах 10ps. внутри, такие быстрые и небольшие изменения почти незначительны для общей передачи сигнала.

Многие люди имеют такое представление о прямой проводке.Они считают, что наконечник легко передает или принимает электромагнитные волны и генерирует электромагнитные помехи.Это одна из причин, по которой многие считают, что прямые трассы использовать нельзя.Однако многие реальные результаты испытаний показывают,что прямоугольные трассы не создают более явных ЭМИ,чем прямые.Возможно,текущие характеристики и уровень тестирования ограничивают точность теста,но,по крайней мере, это иллюстрирует проблему.излучение прямой трассы уже меньше, чем погрешность измерения самого прибора.

В целом, прямая разводка не так плоха, как кажется.По крайней мере,в приложениях ниже ГГц емкостные эффекты, отражения, электромагнитные помехи и т.д. почти не отражаются в тесте TDR.Инженеры,быстро проектирующие печатных плат, должны по-прежнему уделять внимание разводке, дизайну питания/земли, дизайну проводов. Отверстия и другие аспекты. Конечно, хотя влияние проводки под прямым углом не очень серьезно, это не значит, что мы можем использовать прямые линии.Обостренное внимание к деталям - это базовая квалификация, которой должен обладать каждый тонкий инженер.Более того,с быстрым развитием цифровых схем, PCB Частота сигнала, обрабатываемого инженерами, будет продолжать расти. в области радиочастотного дизайна более 10 гигагерц, эти небольшие прямые углы могут стать фокусом высокоскоростных проблем.

2.Дифференциальная маршрутизация

Дифференциальный сигнал все шире используется при проектировании высокоскоростных схем. Наиболее важные сигналы в схеме обычно проектируются с использованием разностной структуры. Что делает ее такой популярной? Как обеспечить их хорошую производительность на рынке проектирования печатных плат? На эти два вопроса мы и продолжим наше обсуждение в следующей части.

Что такое разностный сигнал? Говоря другими словами, передача двух одинаковых и противоположных сигналов на приводной стороне, а приемная сторона судит о логическом состоянии «0» или «1», сравнивая разницу между двумя напряжениями.Канал записи с разностным сигналом называется разностной записью.

По сравнению с обычными односторонними сигнальными трассами, дифференциальные сигналы имеют наиболее очевидные преимущества в следующих трех аспектах:

a.Сильная антипомеховая способность, потому что связь между двумя дифференциальными линиями очень хорошая.Когда есть шумовые помехи извне, они соединяются почти одновременно на двух линиях, и принимающая сторона заботится только о разнице между двумя сигналами.Поэтому внешний общий шум может быть полностью отменен.

b.Он может эффективно подавлять EMI.По тем же причинам, противоположной полярности двух сигналов, электромагнитные поля, излучаемые ими может отменить друг друга из.Усиление связи, тем меньше электромагнитной энергии выделяется во внешний мир.

c.Точность синхронизации.Потому что переключатель изменения дифференциального сигнала находится на пересечении двух сигналов, отличается от простых однополюсных сигналов, которые зависят от высокого и низкого пороговых напряжений для определения, меньше зависит от технологии и температуры, что может уменьшить ошибку в синхронизации. но и лучше подходит для низкоамплитудных дифференциальных технологий сигнализации.

Инженеры печатных плат больше всего озабочены тем, как обеспечить полное использование этих преимуществ дифференциальной проводки в реальной проводке.Вероятно, любой, кто сталкивался с разводкой, понимает общие требования дифференциальной проводки, т.е. «изометрию».Равная длина должна гарантировать, что два дифференциальных сигнала сохраняют противоположные полярности в любое время и уменьшают компонент общей моды; равное расстояние в основном обеспечивает согласование дифференциальных импедансов и уменьшение отражений. Но все эти правила не используются для механического применения, многие инженеры до сих пор не понимают сути высокоскоростной передачи дифференциальных сигналов. Ниже рассматривается несколько распространенных заблуждений при проектировании дифференциальных сигналов на печатных плат.

Заблуждение 1: считалось, что разностный сигнал не должен соединять слои в качестве обратного пути друг для друга, или что дифференциальные трассы обеспечивают обратный путь друг для друга.Причина этого заблуждения в том, что они были озадачены поверхностными явлениями, или механизм высокоскоростной передачи сигнала не достаточно глубок.Структура приемной части на рис.1 - 8 - 15, видно, что эмиттерные токи транзисторов Q3 и Q4 равны и противоположны, а их токи на земле в точности гасят друг друга (I1=0), поэтому дифференциальная цепь аналогична отскокам и другие шумовые сигналы, которые могут существовать на плоскостях питания и земли, нечувствительны.Частичная отмена возврата на плоскость земли не означает, что дифференциальная схема не использует плоскость земли в качестве пути возврата сигнала. На самом деле, при анализе обратного сигнала, механизм дифференциальной проводки и обычной односторонней проводки одинаков, то есть высокочастотные сигналы всегда отражаются по контуру с наименьшей индуктивностью, самое большое отличие, помимо связи с землей, дифференциальная линия также имеет взаимную связь, которая и становится основным путем возврата.Рис.1 - 8 - 16 - схема распределения магнитного поля с односторонним и разностным сигналами.

При проектировании печатных плат связь между дифференциальными трассами обычно очень мала, часто составляя лишь от 10 до 20% от степени связи, более важной является связь с землей, поэтому основной путь возврата дифференциальной трассы по-прежнему существует на плоскости земли. Местный разрыв, связь между дифференциальными трассами обеспечит основной путь возврата в области без опорной плоскости, как показано на схеме 1 - 8 - 17. Хотя разрыв опорной плоскости влияет на дифференциальную линию трассы, чем обычная однополюсная линия, это все равно снизит качество дифференциального сигнала и увеличит EMI, это необходимо, как можно.Некоторые дизайнеры считают, что опорная плоскость под дифференциальной трассой может быть удалена для подавления некоторых сигналов общей моды в дифференциальной передаче.Однако такой подход нежелателен в теории.Как контролировать импеданс? Если не обеспечить контур импеданса земли для сигнала общей моды, это неизбежно приведет к излучению ЭМИ. Такой подход приносит больше вреда, чем пользы.

Заблуждение 2: Считается, что соблюдение равного расстояния между линиями важнее, чем соответствие длины линий. В реальной разводке печатной платы часто невозможно одновременно удовлетворить требования дифференциального дизайна. Потому что что распределение пинов существует, виасы, коммутационное пространство, цель согласования длины линии должна быть достигнута путем правильной намотки,Но неизбежно, что некоторые области дифференциации не могут быть параллельными. 

Что мы должны делать в это время? Какой выбор? Прежде чем делать выводы, посмотрим результаты моделирования.

Из результатов моделирования, формы сигналов схемы 1 и схемы 2 почти совпадают, то есть влияние, вызванное неравным расстоянием, минимально.По сравнению с этим, несоответствие длины линии оказывает гораздо большее влияние на синхронизацию.Из теоретического анализа, Хотя несовпадение расстояния может привести к изменению дифференциального импеданса, поскольку связь между дифференциальной парой сама по себе не значительна, предел изменения импеданса также очень мал, обычно в пределах 10%, Это эквивалентно только одному проходу. Отражение, вызванное отверстием, не окажет существенного влияния на передачу сигнала.Если длина линии не совпадает, в дополнение к временному смещению, вносится ковалентная составляющая в разностный сигнал, что снижает качество сигнала и увеличивает EMI.

можно сказать, что наиболее важным правилом при проектировании дифференциальной линии печатной платы является длина линии наводки, а другие правила могут быть гибко обработаны в соответствии с требованиями дизайна и реальными приложениями.

Заблуждение 3: полагает, что близкое расположение дифференциальных трасс - это не что иное, как усиление их связи, что не только повышает помехоустойчивость, но и позволяет в полной мере использовать противоположную полярность магнитного поля для компенсации электромагнитных помех, поступающих во внешний мир. Хотя в большинстве случаев такой подход очень полезен, он не является абсолютным.Если мы можем гарантировать, что они полностью защищены от внешних помех, то нам не нужно использовать сильную связь для достижения антипомех.Цель подавления электромагнитных помех.Как мы можем обеспечить хорошую изоляцию и защиту дифференциальных дорожек? Увеличение расстояния между другими сигнальными дорожками является одним из самых основных способов.Энергия электромагнитного поля уменьшается с квадратом расстояния.Как правило, если расстояние между линиями в 4 раза больше ширины линий, помехи между ними чрезвычайно слабы. Эта структура часто используется в высокочастотных (свыше 10 Гбит/с) корпусах ИС при проектировании печатных плат. Она называется CPW-структурой, которая может обеспечить строгий дифференциальный импеданс.Управление (2Z0), как показано на рис. 1-8-19.

Дифференциальная трасса может также работать в разных сигнальных слоях, но этот метод обычно не рекомендуется,потому что различия в сопротивлении и апертуре, создаваемые разными слоями, разрушают эффект дифференциальной передачи и вносят шум общего типа. Кроме того, если соседние два слоя не имеют тесной связи,это снизит способность дифференциальной трассы противостоять шуму, но если вы можете держать трассы на расстоянии, EMI не является проблемой.На общих частотах (ниже ГГц), EMI не будет серьезной проблемой.Эксперимент показал,что снижение лучистой энергии на расстоянии 500 миллиметров фиксирует разницу в диапазоне до 60 децибел на 3 м,что достаточно для удовлетворения стандарта FCC электромагнитного излучения, поэтому дизайнеры не должны беспокоиться об электромагнитной несовместимости из-за недостаточной связи дифференциальных линий.

3.Серпантин

Змеевидная линия - это тип метода маршрутизации, часто используемый в Layout. Ее основная цель - регулировать задержку для удовлетворения требований к временным характеристикам системы. Прежде всего, дизайнеры должны понимать, что змеевидная линия разрушает качество сигнала. Изменяя задержку передачи, избегайте ее при подключении.Однако в настоящем проекте, чтобы обеспечить сигналу достаточное время удержания или уменьшить временной сдвиг между одинаковыми сигналами, часто необходимо намеренно наматывать провод.

Как влияет змеевидная линия на передачу сигнала?На что следует обратить внимание при подключении?Два наиболее важных параметра - длина параллельной связи (Lp) и расстояние связи (S),Как показано на диаграмме 1 - 8 - 21.Очевидно, что при подаче сигнала по змеевидному пути параллельные сегменты линии будут связаны в дифференциальном режиме.Чем меньше S,тем больше степень связи, тем больше степень связи.Это может привести к уменьшению задержки передачи,а качество сигнала значительно снижается из-за перекрестных помех.Этот механизм можно использовать для анализа синфазных и разностных помех в главе 3.

Ниже приведены некоторые рекомендации для инженеров по планировке при работе со змеевидными линиями:

1.Попробуйте увеличить расстояние (S) между параллельными участками линии, по крайней мере, больше, чем 3H, Н - расстояние от траектории сигнала до опорной плоскости. Если говорить простым языком, то это обход большого изгиба.Просто S достаточно большой, эффект взаимной связи может быть почти полностью исключен.

2.Уменьшите длину связи Lp, при приближении или превышении времени нарастания сигнала генерируемые перекрестные помехи достигнут насыщения.

3.Задержка передачи сигнала, вызванная змеевидной линией Strip-Line или встроенной микрополоской, меньше, чем у микрополоски. Теоретически, полосковая линия не влияет на скорость передачи из-за перекрестных наводок в дифференциальном режиме.

4.Для высокоскоростных сигнальных линий и линий со строгими требованиями к синхронизации Постарайтесь не использовать змеевик, особенно в небольших помещениях.

5.Вы можете часто использовать змеевики под любым углом, структура с на рис.1 - 8 - 20, можно эффективно уменьшить взаимную связь.

6.При высокой скорости проектирования печатных плат, зигзагообразная линия не имеет так называемых фильтров или помехоустойчивости, и может только снизить качество сигнала, Таким образом, он используется только для совпадений во времени и не имеет других целей.