Новости PCB - 3 неправильное расположение проводов в конфигурации PCB

компоновка является одним из основных рабочих навыков проектирование PCB инженер. The quality of the wiring will directly affect the performance of the entire system. большая часть теории быстрого проектирования должна быть реализована и проверена в конечном счете через компоновку. видно, что проводка очень важна в сети высокоскоростное проектирование PCB. The following will analyze the rationality of some situations that may be encountered in actual wiring, и дали несколько более оптимизированных маршрутов. в основном по трем направлениям: прямоугольная проводка, дифференциальный провод, and serpentine wiring.

1. Right-angle routing

в PCB проводки, расположенные в прямом углу, как правило, являются тем обстоятельством, которого необходимо избегать, и они почти стали одним из критериев оценки качества проводов. Итак, насколько сильно прямые провода влияют на передачу сигналов? в принципе, прямоугольная проводка изменяет ширину линии передачи и приводит к разрыву сопротивлений. На самом деле, не только прямая проводка, угловая и острая проводка может привести к изменению импедансов. влияние прямоугольной проводки на сигнал проявляется главным образом в трех аспектах: во - первых, угол поворота может быть эквивалентом емкостной нагрузки линии передачи, что снижает время подъема; Во - вторых, нарушение непрерывности импеданса вызывает отражение сигнала; Третий вариант - это то, что прямые кончики производят EMI.

паразитная емкость, возникающая при прямом угле линии передачи, может рассчитываться по следующим эмпирическим формулам:

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

В приведенной выше формуле C обозначает эквивалентную емкость за углом (единица измерения: pf), W - ширину линии следа (единица измерения: дюйм), а в блоке - диэлектрическая постоянная диэлектрика, Z0 - характеристическое сопротивление линии передачи. например, в случае линии передачи 4Mils 50 ohm (4,3 для отключения МККМ) емкость, возникающая при прямом углу, составляет около 0 0101pF, после чего можно оценить изменение времени нарастания в результате:

T10 - 90% = 2,2 * C * Z0 / 2 = 2,2 * 0,01 * 50 / 2 = 0,556 ps

расчеты показывают, что ёмкостный эффект от прямоугольной траектории весьма невелик.

с увеличением ширины прямой линии, там сопротивление будет снижаться, и появится определенное отражение сигнала. Мы можем вычислить эквивалентное сопротивление после увеличения ширины линии по формуле полного сопротивления, упомянутой в разделе линии передачи, а затем по эмпирической формуле вычислить коэффициент отражения: Transcript = (Zs - Z0) / (Zs + Z0). как правило, сопротивление, вызываемое прямоугольной проводкой, изменяется в пределах 7 - 20%, поэтому максимальный коэффициент отражения составляет около 0,1. Кроме того, из приведенной ниже диаграммы видно, что импеданс линии передачи изменяется в пределах длины W / 2 до минимального значения, а затем возвращается к нормальному сопротивлению по истечении W / 2 времени. полное сопротивление изменяется очень быстро, как правило, в пределах 10 ps. внутри, для передачи сигналов в целом такие быстрые и незначительные изменения практически ничтожны.

У многих людей такое понимание прямой проводки. Они думают, что острие легко излучать или принимать электромагнитные волны и производить EMI. Это стало одной из причин, по которым многие считают, что нельзя пользоваться прямой линией связи. Однако многие практические результаты показали, что прямоугольная траектория не является более очевидной, чем линейная EMI. Возможно, нынешние характеристики и уровень тестирования ограничивают точность тестирования, но по крайней мере это объясняет проблему. прямоугольная проводка излучает меньше ошибок измерений, чем сама аппаратура.

Вообще говоря, the right-angle routing is not as terrible as imagined. По крайней мере, при использовании GHZ, any effects such as capacitance, рефлекс, EMI, сорт. are hardly reflected in TDR testing. высокоскоростное проектирование PCB Инженеры должны по - прежнему следить за раскладкой, power/наземный проект, and wiring design. сквозное отверстие и другие аспекты. Of course, Хотя влияние проводов под прямым углом не очень серьезное, it does not mean that we can all use right-angle wiring in the future. заострение внимания на деталях является основной квалификацией, которой должен обладать каждый прекрасный инженер.. Moreover, с быстрым развитием цифровых схем, PCB The frequency of the signal processed by engineers will continue to increase. область проектирования радиочастот более 10 ггц, these small right angles may become the focus of high-speed problems.

2. Differential routing

Differential signal (DifferentialSignal) is more and more widely used in high-speed circuit design. наиболее важные сигналы в цепи обычно проектируются с использованием разностной структуры. Что делает его таким популярным? How to ensure its good performance in проектирование PCB? Эти два вопроса, we proceed to the next part of the discussion. Что такое разностный сигнал? в layman's terms, передача двух одинаковых и обратных сигналов на конце привода, принимающий конец определяет логическое состояние "0" или "1" путем сравнения двух напряжений. The pair of traces carrying differential signals is called differential traces.

по сравнению с обычным однополюсным сигналом, differential signals have the most obvious advantages in the following three aspects:

А, помехоустойчивость сильна, потому что связь между двумя треками дифференциальной записи очень хорошо. когда есть помехи от внешних шумов, они почти одновременно связаны между двумя линиями, а приемный конец заботится только о разнице между двумя сигналами. Таким образом, можно полностью устранить внешние симулятивные шумы.

Он может эффективно подавлять Эми. по той же причине, в силу противоположности полярности двух сигналов, электромагнитное поле, излучающее их излучение, может нейтрализоваться. Чем теснее связь, тем меньше электромагнитной энергии высвобождается во внешний мир.

C точная локация во времени. Поскольку переключатель разностных сигналов расположен на перекрестке двух сигналов, в отличие от обычных однополюсных сигналов, обычный односторонний сигнал определяется высоким пороговым напряжением и низким пороговым напряжением, и он меньше зависит от процессов и температуры, что позволяет уменьшить погрешность в часах. и лучше подходит для низкоамплитудных сигналов. В настоящее время популярным является LVDS (сигнал с низким разрывом напряжения) для этой малой амплитудной дифференциации сигналов.

инженер PCB, the most concern is how to ensure that these advantages of differential wiring can be fully utilized in actual wiring. Возможно, любой контакт с раскладкой поймет общие требования дифференциальной проводки, То есть, « изометрия». эквивалентность предназначена для обеспечения того, чтобы два разностных сигнала оставались противоположными полярности и уменьшали ковариантный компонент; эквидистантное расстояние предназначено, главным образом, для обеспечения того, чтобы дифференциальные импеданцы были одинаковы, и для уменьшения отражения. "As close as possible" is sometimes one of the requirements of differential wiring. но все эти правила не применяются механически, and many engineers seem to still not understand the essence of high-speed differential signal transmission. Ниже приводится ряд общих недоразумений панель PCB differential signal design.

недоразумение 1: считалось, что разностный сигнал не должен соединять пласты как путь возвращения, or that the differential traces provide a return path for each other. причина этого недопонимания заключается в том, что они были озадачены поверхностными явлениями, или механизм передачи сигналов большой скорости недостаточно развит. It can be seen from the structure of the receiving end of Figure 1-8-15 that the emitter currents of transistors Q3 and Q4 are equal and opposite, and their currents at the ground exactly cancel each other (I1=0), so the differential circuit is Similar bounces and other noise signals that may exist on the power and ground planes are insensitive. частичное гашение возврата в плоскость Земли не означает, что разностная схема не использует базовую плоскость в качестве пути возвращения сигнала. In fact, при анализе сигнала возврата, the mechanism of differential wiring and ordinary single-ended wiring is the same, that is, высокочастотный сигнал всегда возвращается по минимальному индуктивному контуру. большая разница, кроме связи с землей, дифференциал также связан. Which kind of coupling is strong will become the main return path. 1 - 8 - 16 схема распределения магнитного поля с односторонними и разностными сигналами.

In проектирование цепей PCB, связь между дорожками дифференциальной записи обычно очень мала, often only accounting for 10 to 20% of the coupling degree, важнее связь с землей, so the main return path of the differential trace still exists on the ground plane . местный разрыв, the coupling between the differential traces will provide the main return path in the area without a reference plane, Как показано на диаграмме 1 - 8 - 17. Although the influence of the discontinuity of the reference plane on the differential trace is not as serious as that of the ordinary single-ended trace, Она все еще снижает качество разностных сигналов и увеличивает EMI, which should be avoided as much as possible. Некоторые конструкторы считают, что при разностной передаче можно удалить опорную поверхность под линией разности, чтобы подавить некоторые сопутствующие сигналы. Однако, this approach is not desirable in theory. как управлять сопротивлением? Not providing a ground impedance loop for the common-mode signal will inevitably cause EMI radiation. такой подход приносит больше вреда, чем пользы.

Misunderstanding 2: It is believed that keeping equal spacing is more important than matching line length. в реальной конфигурации PCB, it is often not possible to meet the requirements of differential design at the same time. Потому что pin распределение существует, vias, коммутационное пространство, the purpose of line length matching must be achieved through proper winding, Но неизбежно, что некоторые области дифференциации не могут быть параллельными. Что же нам теперь делать?? Which choice? до заключения, let's take a look at the following simulation results.

из приведенных выше имитационных результатов видно, что формы программ 1 и 2 почти одинаковы, т.е. В отличие от этого, ширина линии, не сочетаемой между собой, значительно влияет на время. (Программа 3). теоретический анализ показывает, что, хотя несогласованное расстояние может привести к изменению дифференциального импеданса, поскольку связь между разностными парами сама по себе не является значительной, диапазон изменения импеданса также является небольшим, как правило, не более 10%, что равнозначно одноразовому прохождению. отражение от отверстий не оказывает заметного влияния на передачу сигнала. В случае несоответствия длины линии, помимо временного отклонения, в разностный сигнал вводится общая составляющая модуля, что снижает качество сигнала и увеличивает EMI.

можно сказать, что наиболее важным правилом при проектировании дифференциальной линии PCB является длина линии, на которой должны быть установлены линии. другие правила могут применяться гибко в соответствии с требованиями конструкции и практического применения.

недоразумение 3: люди считают, что дифференциальная проводка должна быть очень плотной. поддержание разностной траектории близко не только для укрепления их связи, which can not only improve immunity to noise, можно также в полной мере использовать противоположные полярности магнитного поля для нейтрализации внешних электромагнитных помех. Хотя в большинстве случаев такой подход весьма полезен, it is not absolute. если мы сможем обеспечить их полную защиту от внешнего вмешательства, then we do not need to use strong coupling to achieve anti-interference. Цель подавления электромагнитных помех. How can we ensure good isolation and shielding of differential traces? Увеличение разрыва с другими сигналами является одним из важнейших способов. The electromagnetic field energy decreases with the square of the distance. В общем, when the line spacing exceeds 4 times the line width, между ними очень слабые помехи. Can be ignored. Кроме того, isolation by the ground plane can also play a good shielding role. This structure is often used in high-frequency (above 10G) IC package проектирование PCB. It is called a CPW structure, обеспечивать строгое дифференциальное сопротивление. Control (2Z0), as shown in Figure 1-8-19.

дорожка дифференциальной записи также может работать в разных сигнальных слоях, but this method is generally not recommended, Потому что различия в сопротивлении и отверстии, создаваемые различными слоями, разрушают эффект разностной передачи и вводят шумы общего типа. Кроме того, if the adjacent two layers are not tightly coupled, Это снижает помехоустойчивость дифференциальной траектории, but if you can maintain a proper distance from the surrounding traces, звук не проблема. At general frequencies (below GHz), EMI will not be a serious problem. эксперимент показал, что уменьшение лучистой энергии на дистанции 500 миллиметров регистрирует разницу в дальности до 60 децибел на 3 м., Это достаточно для того, чтобы соответствовать стандарту электромагнитного излучения FCC, so The designer does not have to worry too much about the electromagnetic incompatibility caused by insufficient differential line coupling.

змеевик

"Змеиный шнур" - метод проводки, обычно используемый в компоновке. его главная цель заключается в том, чтобы скорректировать задержки, с тем чтобы удовлетворить требования системного планировщика времени. Во - первых, конструкторы должны понимать, что змеевик разрушает качество сигнала, изменяет задержку передачи и старается избегать ее использования при проводке. Однако на практике, для того чтобы сигнал сохранялся достаточно долго или чтобы уменьшить временное смещение между одними и теми же сигналами, обычно требуется преднамеренное наматывание проводов. А как же змеевик влияет на передачу сигналов? на что обратить внимание при подключении? Двумя наиболее важными параметрами являются длина параллельной связи (ЛП) и расстояние связи (с), как показано на рис. 1 - 8 - 21. Очевидно, что параллельные отрезки будут связаны в режиме разности при загрузке сигнала по змейкой траектории. Чем меньше S, тем больше ЛП, тем больше связи. Это может привести к уменьшению задержки передачи и к значительному снижению качества сигнала из - за помех. Этот механизм можно было бы использовать в главе III, где содержится анализ сопутствующей и разностной интерференции. Ниже приводится ряд рекомендаций инженера - планировщика при обработке змеевиков:

максимальное расстояние между параллельными отрезками (S), не менее 3H, т.е. Говоря словами извне, это большой поворот. до тех пор, пока S достаточно велик, эффект взаимодействия можно почти полностью избежать.

2. Уменьшение длины связи ЛП, когда задержка двойной ЛП приближается или превышает время нарастания сигнала, возникает последовательное возмущение до насыщения.

задержка передачи сигналов, обусловленная диафрагмой в полосе или утопленной микрополосе, меньше, чем задержка передачи сигналов в микрополосе. Теоретически, полоса не влияет на скорость передачи из - за неоднородности мод.

4. для высокоскоростных линий сигнализации и часовых линий, требующих строгого режима сигнализации, старайтесь не использовать змеевики, особенно в малых масштабах.

змеевиковая траектория траэтория, как правило, может использоваться в любом углу, например в виде структуры с на рис. 1 - 8 - 20, что позволяет эффективно сокращать взаимную связь.

6. In высокоскоростное проектирование PCB, зигзагообразная линия не имеет так называемых фильтров или помехоустойчивости, and can only reduce the signal quality, Таким образом, он используется только для совпадений во времени и не имеет других целей.

7. иногда можно подумать об использовании спирали при навивке проводов. Simulation shows that its effect is better than normal serpentine routing.