Technologie PCB - Résumé de l'expérience: compétences en câblage PCB

La mise en page est l'une des compétences de travail les plus essentielles d'un ingénieur en conception de PCB. La qualité du câblage aura un impact direct sur les performances de l'ensemble du système. La plupart des théories de conception à grande vitesse doivent être finalement mises en œuvre et validées par la mise en page. Par conséquent, le câblage est très important dans la conception de PCB à grande vitesse. La plausibilité de certaines situations qui peuvent être rencontrées dans le câblage réel sera analysée ci - dessous et quelques stratégies de câblage plus optimisées seront données. Élaboré principalement à partir des trois aspects du câblage à angle droit, des lignes de distribution différentielle et du câblage serpentin.

1. Câblage à angle droit

Le câblage à angle droit est souvent une situation à éviter autant que possible dans le câblage PCB, et il est presque devenu l'un des critères de mesure de la qualité du câblage. Alors, quel est l'impact du câblage à angle droit sur la transmission du signal? En principe, le câblage à angle droit modifie la largeur de ligne de la ligne de transmission, ce qui entraîne une discontinuité d'impédance. En fait, non seulement le câblage à angle droit, mais aussi les coins, le câblage à angle aigu peuvent provoquer des variations d'impédance. L'effet du câblage à angle droit sur le signal se manifeste principalement dans trois aspects: l'un est que l'angle de braquage peut être équivalent à une charge Capacitive sur la ligne de transmission, ralentissant le temps de montée; L'autre est que la discontinuité d'impédance provoque une réflexion du signal; Trois est la création d'une pointe à angle droit. Perturbations électromagnétiques.

La capacité parasite induite par l'angle droit de la ligne de transmission peut être calculée par la formule empirique suivante: C = 61w (ER) 1 / 2 / Z0 dans la formule ci - dessus, c est la capacité équivalente de l'angle (en PF) et W est la largeur de la ligne de marche (en pouces), Z0 est l'impédance caractéristique de la ligne de transmission. Par exemple, pour une ligne de transmission 4mils 50 ohms (< islaµr = 4,3), la capacité apportée à angle droit est d'environ 00101pf, et la variation du temps de montée qui en résulte peut alors être estimée: T10 - 90% = 2,2 * c * Z0 / 2 = 2,2 * 00101 * 50 / 2 = 0556 PS

On voit par calcul que l'effet capacitif apporté par le câblage à angle droit est très faible. Au fur et à mesure que la largeur de ligne de la trace à angle droit augmente, l'impédance y diminue et, par conséquent, un certain phénomène de réflexion du signal se produit. Nous pouvons calculer l'impédance équivalente après augmentation de la largeur de ligne selon la formule de calcul d'impédance mentionnée dans le chapitre sur les lignes de transmission, puis calculer le coefficient de réflexion selon la formule empirique: Í = (ZS - Z0) / (ZS + Z0). Typiquement, la variation d'impédance induite par le câblage à angle droit est comprise entre 7% et 20%, de sorte que le coefficient de réflexion maximal est d'environ 0,1. De plus, on voit que l'impédance de la ligne de transmission varie au minimum pendant la durée de W / 2 lignes, puis revient à l'impédance normale après W / 2 lignes. L'ensemble du temps de variation d'impédance est extrêmement court, typiquement à moins de 10 ps. Les changements rapides et mineurs sont presque négligeables pour la transmission du signal en général.

Beaucoup de gens ont une telle compréhension du câblage à angle droit que les pointes émettent ou reçoivent facilement des ondes électromagnétiques et génèrent des EMI. C'est également devenu l'une des raisons pour lesquelles beaucoup pensaient que le câblage à angle droit ne pouvait pas être câblé. Cependant, de nombreux résultats d'essais réels montrent que les traces à angle droit ne produisent pas d'EMI plus prononcé que les lignes droites. Peut - être que les performances actuelles de l'instrument et le niveau d'essai limitent la précision de l'essai, mais illustrent au moins un problème. Le rayonnement du câblage à angle droit est déjà inférieur à l'erreur de mesure de l'instrument lui - même.

Dans l'ensemble, le câblage à angle droit n'est pas aussi effrayant qu'on pourrait le penser. Au moins dans les applications inférieures au GHz, les effets tels que la capacité, la réflexion, l'EMI, etc. sont difficiles à refléter dans les tests TDR. L'accent des ingénieurs de conception de PCB à grande vitesse devrait toujours être mis sur la mise en page, la conception de l'alimentation / mise à la terre et la conception du câblage. Porosités et autres aspects. Bien sûr, bien que l'impact du câblage à angle droit ne soit pas très grave, cela ne signifie pas que nous pouvons tous utiliser le câblage à angle droit à l'avenir. L'attention aux détails est une qualité essentielle que tout bon Ingénieur doit posséder. En outre, avec le développement rapide des circuits numériques, la fréquence des signaux traités par les ingénieurs PCB ne cessera d'augmenter, et dans le domaine de la conception RF au - dessus de 10 GHz, ces petits angles droits pourraient devenir le point focal des problèmes de vitesse élevée.

2 câblage différentiel

Le signal différentiel (Differential Signal) est de plus en plus utilisé dans la conception de circuits à grande vitesse. Les signaux les plus critiques dans un circuit sont généralement conçus pour avoir une structure différentielle. Qu’est - ce qui le rend si populaire? Comment garantir sa bonne performance dans la conception de PCB? Avec ces deux questions, nous passons à la prochaine partie de la discussion. Qu'est - ce qu'un signal différentiel? En termes profanes, le conducteur envoie deux signaux égaux et inversés et le récepteur juge l'état logique "0" ou "1" en comparant la différence entre les deux tensions. Une paire de traces portant un signal différentiel est appelée trace différentielle.

Le signal différentiel présente les avantages les plus évidents par rapport aux traces de signal simples ordinaires dans les trois domaines suivants:

A. forte capacité d'anti - brouillage, parce que le couplage entre les deux traces différentielles est très bon, quand il y a des interférences de bruit de l'extérieur, ils sont couplés presque simultanément sur les deux lignes, et l'extrémité de réception se soucie seulement de la différence entre les deux signaux. Il est ainsi possible d'éliminer complètement le bruit de mode commun externe.

B. peut inhiber efficacement EMI. Pour la même raison, les champs électromagnétiques qu'ils rayonnent peuvent s'annuler mutuellement en raison des polarités opposées des deux signaux. Plus le couplage est serré, moins l'énergie électromagnétique est libérée dans le monde extérieur.

C. positionnement temporel précis. La variation de commutation du signal différentiel étant située à l'intersection des deux signaux, elle dépend, contrairement à un signal mono - terminal ordinaire, d'une tension de seuil haute et d'une tension de seuil basse, et est donc moins influencée par le procédé et la température, ce qui permet de réduire les erreurs de synchronisation, Elle est également plus adaptée aux circuits à signaux de faible amplitude.

Le lvd (Low Voltage Differential Signaling) actuellement populaire fait référence à cette technologie de Signalisation différentielle de faible amplitude. Pour les ingénieurs PCB, la principale préoccupation est de s'assurer que ces avantages de la ligne de distribution différentielle peuvent être pleinement exploités dans le câblage réel. Peut - être que tous ceux qui ont été en contact avec Layout comprendront l'exigence générale d'une ligne de distribution différentielle, c'est - à - dire "isométrique". Des longueurs égales pour assurer que les deux signaux différentiels conservent toujours des polarités opposées et pour réduire la composante de mode commun; L'équidistance est principalement destinée à garantir la cohérence de l'impédance différentielle des deux, réduisant ainsi la réflexion. "Aussi proche que possible" est parfois l'une des exigences du câblage différentiel. Mais toutes ces règles ne sont pas appliquées mécaniquement, et de nombreux ingénieurs ne semblent toujours pas comprendre la nature de la transmission de signaux différentiels à grande vitesse. Ce qui suit met en évidence plusieurs idées fausses courantes dans la conception de signaux différentiels PCB.

Mythe 1: on pense que les signaux différentiels n'ont pas besoin du plan de masse comme chemin de retour, ou que les traces différentielles se fournissent mutuellement un chemin de retour. La raison de ce malentendu est qu'ils sont embrouillés par des phénomènes superficiels ou que les mécanismes de transmission de signaux à grande vitesse ne vont pas assez loin. Comme on peut le voir sur la structure de l'extrémité de réception, les courants d'émetteur des transistors Q3 et Q4 sont égaux et opposés et leurs courants sur la masse s'annulent exactement (I1 = 0), de sorte que le circuit différentiel est adapté à un rebond de masse similaire et à d'autres présences possibles; il est insensible aux signaux bruyants sur l'alimentation et sur le plan de la masse. L'élimination partielle de retour du plan de masse ne signifie pas que le circuit différentiel n'utilise pas le plan de référence comme chemin de retour du signal. En effet, dans l'analyse de retour de signal, le mécanisme de la ligne de distribution différentielle et du câblage simple d'extrémité ordinaire est le même, c'est - à - dire que le signal haute fréquence est toujours renvoyé le long de la boucle où l'inductance est minimale, la grande différence étant que les lignes différentielles ont un couplage mutuel en plus de leur couplage à la masse. Quel couplage est fort et quel couplage devient le chemin de retour principal.

Dans la conception de circuits PCB, le couplage entre les traces différentielles est généralement faible, ne représentant généralement que 10 à 20% du degré de couplage, et plus un couplage à la masse, de sorte que le chemin de retour principal des traces différentielles reste présent sur le plan de masse. Lorsqu'il y a discontinuité dans le plan local, le couplage entre les traces différentielles fournira un chemin de retour principal dans une zone sans plan de référence. Bien qu'une discontinuité dans le plan de référence n'ait pas un effet aussi grave sur la trace différentielle qu'une trace simple, elle dégrade néanmoins la qualité du signal différentiel et augmente l'EMI, ce qui devrait être évité autant que possible. Certains concepteurs pensent également qu'il est possible de supprimer le plan de référence sous la trace différentielle pour supprimer une partie du signal de mode commun en transmission différentielle, mais cette approche n'est pas souhaitable en théorie. Comment contrôler l'impédance? Ne pas fournir une boucle d'impédance de masse pour le signal de mode commun, ce qui provoquerait inévitablement un rayonnement EMI, et cette pratique est plus nocive.

Mythe 2: les gens pensent qu'il est plus important de maintenir un espacement égal que de faire correspondre la longueur de la ligne. Dans la mise en page réelle de PCB, il est souvent impossible de répondre simultanément aux exigences de la conception différentielle. En raison de la présence de facteurs tels que la distribution des broches, les trous excessifs et l'espace de câblage, un enroulement approprié doit être utilisé pour atteindre le but de l'adaptation de la longueur de la ligne, mais il doit en résulter que certaines zones de la paire différentielle ne peuvent pas être parallèles. Qu'est - ce qu'on fait à cette heure? Quel choix? Avant de tirer des conclusions, examinons les résultats des simulations suivantes. Il ressort des résultats de simulation ci - dessus que les formes d'onde des schémas 1 et 2 sont presque cohérentes, c'est - à - dire qu'un espacement inégal a un impact minimal. En revanche, le désappariement de longueur de ligne a un effet beaucoup plus important sur la synchronisation. (programme 3). D'un point de vue théorique, bien qu'une incohérence de pas entraîne une variation de l'impédance différentielle, le couplage entre les paires différentielles n'étant pas significatif en soi, la plage de variation d'impédance est également faible, typiquement de l'ordre de 10%, ce qui équivaut à un seul passage, la réflexion induite par Les trous n'ayant pas d'effet significatif sur la transmission du signal. Une fois que la longueur de la ligne n'est pas adaptée, la composante de mode commun est introduite dans le signal différentiel en plus du décalage temporel, ce qui diminue la qualité du signal et augmente l'EMI. On peut dire que la règle la plus importante dans la conception de lignes de distribution différentielle de PCB est de faire correspondre la longueur de la ligne, d'autres règles peuvent être traitées de manière flexible en fonction des exigences de conception et de l'application pratique.

Mythe 3: pensez que le câblage du différentiel doit être proche. Garder les traces différentielles proches de rien n'est autre chose que d'améliorer leur couplage, ce qui permet non seulement d'améliorer l'immunité au bruit, mais aussi d'utiliser pleinement la polarité opposée du champ magnétique pour contrer les perturbations électromagnétiques sur le monde extérieur. Bien que cette méthode soit très bénéfique dans la plupart des cas, elle n’est pas absolue. Si nous pouvons nous assurer qu'ils sont complètement protégés contre les interférences extérieures, alors nous n'avons plus besoin d'atteindre l'anti - interférence par un fort couplage entre eux. Et le but de l'inhibition de l'EMI. Comment assurer une bonne isolation et un blindage des traces différentielles? Augmenter l'espacement avec d'autres traces de signal est l'une des méthodes les plus fondamentales. L'énergie du champ électromagnétique diminue avec le carré de la distance. En général, lorsque l'espacement des lignes dépasse 4 < fois la largeur des lignes, l'interférence entre elles est très faible. Il est fondamentalement possible de l'ignorer. En outre, l'isolation par le plan de masse peut également jouer un bon rôle de blindage. Cette structure est fréquemment utilisée dans la conception de circuits imprimés à haute fréquence (plus de 10 g) encapsulés IC. Il est appelé CPW structure et peut assurer une impédance différentielle stricte. Contrôle (2z0) < Span = "" >

Les traces différentielles peuvent également fonctionner dans différentes couches de signal, mais cette approche n'est généralement pas recommandée car les différences d'impédance et de porosités générées par les différentes couches perturbent les effets de la transmission en mode différentiel et introduisent un bruit de mode commun. De plus, si les deux couches adjacentes ne sont pas étroitement couplées, cela réduit la résistance des traces différentielles au bruit, mais la diaphonie n'est pas un problème si vous pouvez garder une distance appropriée des traces environnantes. Aux fréquences générales (inférieures au gigahertz), les perturbations électromagnétiques ne seront pas un problème sérieux. Les expériences ont montré qu'à 500 mètres de la trace différentielle, l'atténuation de l'énergie rayonnée à 3 mètres a atteint 60 dB, ce qui est suffisant pour répondre aux normes de rayonnement électromagnétique de la FCC, de sorte que les concepteurs n'ont pas à s'inquiéter trop de la compatibilité électromagnétique résultant d'un couplage insuffisant de La trace différentielle.