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Drei spezielle Routing-Techniken im Leiterplattendesign und Verdrahtung
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Drei spezielle Routing-Techniken im Leiterplattendesign und Verdrahtung

2022-01-20
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Author:pcb

Die Qualität der LeiterplatteDesign und Verdrahtung wirkt sich direkt auf die Leistung des gesamten Systems aus, und höchste Geschwindigkeit Design Dieorien werden schließlich realisiert und verifiziert durch Layout. Es kann gesehen werden, dass die Verdrahtung in Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten sehr wichtig ist Design. Im Folgenden wird die Rationalität einiger Situationen analysiert, die in der tatsächlichen Verdrahtung auftreten können, und einige optimierte Routing-Strategien geben. Es wird hauptsächlich aus drei Aspekten erklärt: rechtwinklige Fräsung, Differential Routing, und Serpentinenführung.

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1. Right angle trace
Right-angle wiring is generally a situation that needs to be avoided as much as possible in PCB wiring, und es ist fast zu einem der Standards für die Messung der Qualität der Verkabelung geworden. Wie viel Einfluss hat die rechtwinklige Verdrahtung auf die Signalübertragung?? Grundsätzlich, Rechtwinklige Leiterbahnen verändern die Linienbreite der Übertragungsleitung, was zu Unterbrechungen der Impedanz führt. In der Tat, nicht nur rechtwinklige Spuren, aber auch scharfe Winkelspuren können Impedanzänderungen verursachen.
The impact of the right-angle trace on the signal is mainly reflected in three aspects:
(1) The corner can be equivalent to a capacitive load on the transmission line to slow down the rise time;
(2) Impedance discontinuity will cause signal Reflexion;
(3) EWI generated at right angles.
The parasitic capacitance caused by the right angle of the transmission line can be calculated by the following empirical formula:
C=61W(Er)1/2/Z0, in der obigen Fürmel, C refers to the equivalent capacitance of the corner (unit: pF), W refers to the width of the trace (unit: inch), εr bezieht sich auf die dielektrische Konstante des Mediums,2* C*Z0 ist die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung. Zum Beispiel, for a 4Mils 50 ohm transmission line (εr is 4.3), die Kapazität, die durch einen rechten Winkel gebracht wird, beträgt etwa 0.0101pF, und die daraus resultierende Anstiegszeit kann abgeschätzt werden: T10-90%=2.2* C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps. Aus der Berechnung ist ersichtlich, dass der kapazitive Effekt durch die rechtwinklige Spur extrem gering ist. Mit zunehmender Linienbreite der rechtwinkligen Spur, die Impedanz dort sinkt, so wird ein bestimmtes Signalreflexionsphänomen auftreten. Wir können die äquivalente Impedanz berechnen, nachdem die Leitungsbreite entsprechend der Impedanzberechnungsformel erhöht wurde, die im Kapitel Übertragungsleitung erwähnt wird, and then Calculate the reflection coefficient according to the empirical formula: ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0). Allgemein, Die Impedanzänderung durch rechtwinklige Verdrahtung liegt zwischen 7% und 20%, so ist der Reflexionskoeffizient etwa 0.1. Darüber hinaus, wie aus der Abbildung unten ersichtlich ist, Die Impedanz der Übertragungsleitung ändert sich auf 100% während der W/2-Zeile, und kehrt dann nach dem W auf die normale Impedanz zurück/2-mal. Die gesamte Impedanzänderung erfolgt in sehr kurzer Zeit, oft innerhalb von 10ps., Eine solche schnelle und kleine Änderung ist für die allgemeine Signalübertragung fast vernachlässigbar. Viele Menschen haben ein solches Verständnis von rechtwinkliger Verkabelung, Denken, dass es einfach ist, elektromagnetische Wellen auszustrahlen oder zu empfangen und EMI zu erzeugen, was auch einer der Gründe ist, warum viele Leute denken, dass eine rechtwinklige Verkabelung nicht möglich ist. Allerdings, Die Ergebnisse vieler praktischer Tests zeigen, dass rechtwinklige Leiterbahnen keine signifikanten EMI erzeugen als gerade Linien. Möglicherweise schränken die aktuelle Geräteleistung und das Testniveau die Prüfbarkeit ein, aber zumindest zeigt es ein Problem, Die Strahlung rechtwinkliger Leiterbahnen ist bereits kleiner als der Messfehler des Gerätes selbst. Allgemein, Rechtwinkliges Routing ist nicht so beängstigend, wie Sie sich vorstellen könnten. Zumindest bei Anwendungen unter GHz, Auswirkungen wie Kapazität, reflection, EMI, etc. Die von ihm produzierten Produkte spiegeln sich kaum in TDR-Tests wider. Der Fokus der Hochgeschwindigkeits- Leiterplatte Design Ingenieure sollten noch im Layout sein, Leistung/Boden Design, und verfolgen Design., Vias und andere Aspekte. Natürlich, obwohl die Auswirkungen der rechtwinkligen Verkabelung nicht sehr ernst ist, Es bedeutet nicht, dass wir alle in Zukunft rechtwinklige Linien laufen können. Liebe zum Detail ist eine Grundqualität, die jeder Ingenieur haben muss. Darüber hinaus, mit der rasanten Entwicklung digitaler Schaltungen, Leiterplattes Die Frequenz der Signale, mit denen Ingenieure zu tun haben, wird weiter zunehmen, und im Bereich RF Design über 10GHz, Diese kleinen rechten Winkel können zum Fokus von Hochgeschwindigkeitsproblemen werden.

2. Differential trace
Differential signals are more and more widely used in Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte Design. Die Schlüsselsignale in der Schaltung sind oft Designd mit Differentialstruktur. Warum ist es so beliebt? Wie seine gute Leistung in Leiterplatte Design? Mit diesen beiden Fragen, wir gehen zum nächsten Teil der Diskussion über. Was ist Differenzsignalisierung? In Laien-Begriffen, Das Antriebsende sendet zwei Signale von gleichem Wert und entgegengesetzter Phase, und das empfangende Ende beurteilt den logischen Zustand "0" oder "1" durch Vergleich der Differenz zwischen den beiden Spannungen. Das Paar von Leitern, die das Differenzsignal tragen, wird als Differenzspur bezeichnet.

Im Vergleich zu herkömmlichen Single-Ended Signalspuren, differential signals have obvious advantages in the following three aspects:
a. Starke Störfestigkeit, weil die Kopplung zwischen den beiden Differentialspuren sehr gut ist. Bei Störgeräuschen in der Außenwelt, Sie sind fast an die beiden Drähte gleichzeitig gekoppelt, und das Empfangsende kümmert sich nur um den Unterschied zwischen den beiden Signalen. Also kann das externe Gleichtaktrauschen vollständig abgebrochen werden.
b. Sie kann das EWI wirksam unterdrücken. Auf die gleiche Weise, weil die Polaritäten der beiden Signale gegensätzlich sind, die von ihnen ausgestrahlten elektromagnetischen Felder können sich gegenseitig aufheben. Je enger die Kupplung, je weniger elektromagnetische Energie an die Außenwelt abgegeben wird.
c. Positionierung des Zeitplans, weil die Schaltänderung des Differenzsignals am Schnittpunkt der beiden Signale liegt, Im Gegensatz zu gewöhnlichen Single-End-Signalen, die auf zwei Schwellenspannungen basieren, hoch und niedrig, so wird es weniger durch Prozess und Temperatur beeinflusst, und kann Zeitfehler reduzieren. Es ist auch besser geeignet für Schaltungen mit niedrigen Amplitudensignalen. Der aktuelle populäre LVDS bezieht sich auf diese differentielle Signaltechnik mit geringer Amplitude. For Leiterplatte Ingenieure, Die Frage ist, wie sichergestellt werden kann, dass diese Vorteile des Differentialgroutings in der tatsächlichen Routing voll genutzt werden können. Vielleicht versteht jeder, der mit Stackup in Kontakt war, die allgemeine Anforderung an Differentialspuren, die "gleiche Länge" ist, gleicher Abstand". Gleiche Länge soll sicherstellen, dass die beiden Differenzsignale jederzeit entgegengesetzte Polaritäten beibehalten und Gleichtaktkomponenten reduzieren; Gleicher Abstand ist hauptsächlich sicherzustellen, dass die Differenzimpedanz der beiden konsistent ist und Reflexion reduziert. Das "so nahe wie möglich Prinzip" ist manchmal eine der Anforderungen an die Differentialführung. Aber all diese Regeln sollen nicht rhetorisch sein, und viele Ingenieure scheinen die Natur der Hochgeschwindigkeits-Differenzsignalisierung nicht zu verstehen. Das Folgende konzentriert sich auf einige häufige Missverständnisse im PCB Differentialsignal Design.

Missverständnis 1: Denken Sie daran, dass das Differenzsignal keine Erdungsebene als Rückweg benötigt, oder denken, dass die Differentialspuren einen Rückweg füreinander bieten. Dieses Missverständnis wird durch Verwirrung durch oberflächliche Phänomene verursacht, oder das Verständnis des Mechanismus der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung ist nicht tief genug. Aus der Struktur des Empfangsenden ist ersichtlich, dass die Emitterströme der Transistoren Q3 und Q4 gleich und entgegengesetzt sind., and their currents at the ground just cancel each other (I1=0), So ist die Differenzialschaltung für ähnliche Bounces und andere mögliche Existenzen geeignet. Es ist unempfindlich gegenüber Rauschsignalen auf der Leistungs- und Bodenebene. Die partielle Rücklaufaufhebung der Masseebene bedeutet nicht, dass der Differenzkreis die Referenzebene nicht als Signalrücklaufweg verwendet. In der Tat, bei der Analyse der Signalrückgabe, Der Mechanismus der Differentialgrouting und der gewöhnlichen single-ended routing ist der gleiche, das ist, Der Unterschied zwischen dem Rückstrom entlang der Schleife der Induktivität besteht darin, dass zusätzlich zur Kopplung an die Erde, hat die Differenzlinie auch gegenseitige Kopplung. Welche Kupplung auch immer stark ist, wird der Hauptrückweg.
In PCB-Schaltung Design, Die Kopplung zwischen Differenzspuren ist im Allgemeinen gering, oft nur 10~20% des Kopplungsgrades, und mehr ist die Kupplung zum Boden, So existiert der Hauptrücklauf der Differentialspur noch im Boden. flach. Wenn die Bodenebene diskontinuierlich ist, Die Kopplung zwischen den Differentialspuren im Bereich ohne Bezugsebene liefert den Hauptrücklauf. Obwohl die Diskontinuität der Bezugsebene die Differentialspur nicht so stark beeinträchtigt wie die gewöhnliche einseitige Spur, Es wird immer noch die Qualität des Differenzsignals verringern und das EMI erhöhen, die möglichst vermieden werden sollten. Einige DesignEr glauben auch, dass die Bezugsebene unter der Differentialspur entfernt werden kann, um einige Gleichtaktsignale in der Differentialstrecke zu unterdrücken, aber dieser Ansatz ist theoretisch unerwünscht. Wie man die Impedanz steuert? Das Fehlen einer Erdimpedanzschleife für das Gleichtaktsignal verursacht zwangsläufig EMI-Strahlung, das mehr schadet als nützt.


Mythos 2: Denken, dass die Aufrechterhaltung gleicher Abstände wichtiger ist als das Anpassen von Linienlängen. In der Leiterplatte Layout, Es ist oft unmöglich, die Anforderungen von Differential- Design zur gleichen Zeit. Aufgrund von Faktoren wie Pinverteilung, Durchkontaktierungen, und Routing Space, Der Zweck der Anpassung der Linienlänge muss durch geeignete Routing erreicht werden, Aber das Ergebnis muss sein, dass einige Bereiche des Differentialpaars nicht parallel sein können. Was sollen wir jetzt tun?? Was ist mit Kompromissen?? Bevor Schlussfolgerungen gezogen werden, Werfen wir einen Blick auf die folgenden Simulationsergebnisse. Aus den oben genannten Simulationsergebnissen, Die Wellenformen von Schema 1 und Schema 2 sind fast identisch, das heißt,, die Auswirkungen durch den ungleichen Abstand minimal sind. Im Vergleich, the impact of line length mismatch on the timing is much greater (Option 3). Aus der theoretischen Analyse, Obwohl die Inkonsistenz des Abstandes dazu führt, dass sich die Differenzimpedanz ändert, weil die Kopplung zwischen den Differentialpaaren selbst nicht signifikant ist, der Impedanzschwankbereich ist auch sehr klein, normalerweise innerhalb von 10%, die nur einem einzigen Pass entspricht. Reflexionen durch Löcher, die die Signalübertragung nicht wesentlich beeinträchtigen. Sobald die Linienlänge nicht übereinstimmt, zusätzlich zum Zeitversatz, Eine Gleichtaktkomponente wird in das Differenzsignal eingebracht, die Qualität des Signals reduziert und die EMI erhöht. Es kann gesagt werden, dass die wichtige Regel in der Design Differentialspuren auf der Leiterplatte entsprechen der Länge der Linien, und andere Regeln können flexibel entsprechend der Design Anforderungen und praktische Anwendungen.

Missverständnis 3: Denken, dass die differentiellen Spuren sehr nah sein müssen. Die Differentialspuren nahe zu halten ist nichts anderes als ihre Kopplung zu verbessern, die nicht nur die Störfestigkeit verbessern kann, aber auch die entgegengesetzte Polarität des Magnetfeldes nutzen, um elektromagnetische Störungen nach außen auszugleichen. Obwohl dieser Ansatz in den meisten Fällen sehr vorteilhaft ist, es wird nicht. Wenn wir sicherstellen können, dass sie vollständig vor äußeren Störungen abgeschirmt sind, dann müssen wir Antiinterferenz und Antiinterferenz nicht durch starke Kopplung miteinander erreichen. Zweck der Unterdrückung des EWI. Wie können wir sicherstellen, dass die Differentialspuren eine gute Isolierung und Abschirmung haben? Die Erhöhung des Abstandes mit anderen Signalspuren ist eine der grundlegenden Möglichkeiten. Die Energie des elektromagnetischen Feldes nimmt mit der quadratischen Beziehung der Entfernung ab. Allgemein, wenn der Abstand zwischen den Linien das Vierfache der Linienbreite übersteigt, die Interferenz zwischen ihnen ist extrem schwach, was im Grunde OK ist. Vernachlässigung. Darüber hinaus, Die Isolation der Bodenebene kann auch eine gute Abschirmrolle spielen. Diese Struktur wird häufig in der Design of high-frequency (above 10G) IC package Leiterplattes. Es wird die CPW-Struktur genannt, which can ensure strict differential Impedance Control (2Z0). Differentialspuren können auch in verschiedenen Signalschichten ausgeführt werden, aber diese Methode wird im Allgemeinen nicht empfohlen, weil die Unterschiede in Impedanz und Durchkontaktierungen, die durch verschiedene Schichten erzeugt werden, den Effekt der Differentialmodusübertragung zerstören und Gleichtaktrauschen einführen. Darüber hinaus, wenn die beiden benachbarten Schichten nicht fest miteinander verbunden sind, Es verringert die Fähigkeit der Differenzspur, Rauschen zu widerstehen, aber wenn der richtige Abstand zu den umliegenden Spuren beibehalten werden kann, Übersprechen ist kein Problem. At general frequencies (below GHz), Das EWI ist kein ernstes Problem. Experimente zeigen, dass die abgestrahlte Energiedämpfung in einem Abstand von 3 Metern 60dB für Differenzspuren erreicht hat, die durch 500Mils getrennt sind, die ausreicht, um die elektromagnetischen Strahlungsstandards der FCC zu erfüllen, so die DesignEr muss sich nicht allzu sehr um die elektromagnetische Inkompatibilität kümmern, die durch unzureichende Differenzleitungskopplung verursacht wird.

3. serpentine
Serpentine line is a type of routing method often used in Layout. Sein Hauptzweck ist es, die Verzögerung anzupassen, um die Systemzeitung zu erfüllen Design Anforderungen. The DesignEr muss zuerst dieses Verständnis haben: Die Serpentinenleitung zerstört die Signalqualität, die Übertragungsverzögerung ändern, und versuchen Sie, es zu vermeiden, wenn Sie es verdrahten. Allerdings, in tatsächlicher Design, um sicherzustellen, dass das Signal eine ausreichende Haltezeit hat, oder um den Zeitversatz zwischen den Signalen in derselben Gruppe zu reduzieren, es ist oft notwendig, die Verkabelung bewusst durchzuführen. So, Welche Wirkung hat der Serpentinendraht auf die Signalübertragung?? Worauf sollte ich beim Routing achten?? Die beiden wichtigsten Parameter sind die parallele Kupplungslänge und der Kupplungsabstand. Offensichtlich, wenn das Signal auf der Serpentinenspur übertragen wird, Kopplung zwischen den parallelen Liniensegmenten erfolgt, in Form von Differentialmodus, je kleiner die S, je größer die Lp, je größer der Kopplungsgrad. Es kann zur Verringerung der Übertragungsverzögerung führen und die Qualität des Signals aufgrund von Übersprechen erheblich verringern. Für den Mechanismus, Bitte beachten Sie die Analyse des Gleichtakt- und Differenzmodus-Übersprechens in Kapitel 3.

A few tips when dealing with serpentine lines:
(1) Try to increase the distance of parallel line segments, mindestens größer als 3H, wobei H sich auf den Abstand von der Signalspur zur Bezugsebene bezieht. In Laien-Begriffen, Es ist eine Route um eine große Kurve. Solange S groß genug ist, der gegenseitige Kopplungseffekt kann nahezu vollständig vermieden werden.
(2) Decrease the coupling length Lp. Wenn sich die doppelte Lp-Verzögerung der Signalanstiegszeit nähert oder überschreitet, das erzeugte Übersprechen wird Sättigung erreichen.
(3) The signal transmission delay caused by the serpentine line of the strip line or the buried microstrip line is smaller than that of the microstrip line. Theoretisch, Die Streifenlinie beeinflusst die Übertragungsrate aufgrund des Differenzmodus-Übersprechens nicht.
(4) For high-speed and signal lines with strict timing requirements, versuchen Sie, keine Schlangenlinien zu nehmen, vor allem nicht auf kleinem Raum mäandern.
(5) Serpentine traces with any angle can often be used, die gegenseitige Kopplung effektiv reduzieren kann.
(6) In the Design der Hochgeschwindigkeit Leiterplatte, Die Serpentinenleitung hat keine so genannte Filter- oder Anti-Interferenz-Fähigkeit, die nur die Signalqualität verringern kann, so wird es nur für Timing Matching und keine anderen Zwecke verwendet.
(7) Sometimes the spiral routing method can be considered for winding. Die Simulation zeigt, dass der Effekt besser ist als der normale LeiterplatteDesign Schlangenführung.