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Tre tecniche speciali di routing nella progettazione e cablaggio di schede PCB
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Tre tecniche speciali di routing nella progettazione e cablaggio di schede PCB

Tre tecniche speciali di routing nella progettazione e cablaggio di schede PCB

2022-01-20
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Author:pcb

La qualità di Scheda PCB progettazione La maggior parte delle teorie di progettazione ad alta velocità saranno realizzate e verificate attraverso Layout. Si può vedere che il cablaggio è molto importante nella progettazione PCB ad alta velocità. Di seguito analizzeremo la razionalità di alcune situazioni che possono essere incontrate nel cablaggio effettivo, and give some optimized routing strategies. Si spiega principalmente da tre aspetti:, differential routing, e rotta serpentina.

Scheda PCB

1. Right angle trace
Right-angle wiring is generally a situation that needs to be avoided as much as possible in PCB wiring, and it has almost become one of the standards for measuring the quality of wiring. Quindi quanto impatto ha il cablaggio ad angolo retto sulla trasmissione del segnale? In principle, Le tracce ad angolo retto cambieranno la larghezza della linea di trasmissione, resulting in discontinuities in impedance. Infatti, not only right-angle traces, ma anche tracce di angolo acuto possono causare cambiamenti di impedenza.
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 reflection;
(3) EMI 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 the above formula, C refers to the equivalent capacitance of the corner (unit: pF), W refers to the width of the trace (unit: inch), εr refers to the dielectric constant of the medium ,2* C*Z0 is the characteristic impedance of the transmission line. Per esempio, for a 4Mils 50 ohm transmission line (εr is 4.3), the capacitance brought by a right angle is about 0.0101pF, and the resulting rise time change can be estimated: T10-90%=2.2* C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps. It can be seen from the calculation that the capacitive effect caused by the right-angle trace is extremely small. As the line width of the right-angle trace increases, l'impedenza diminuirà, so a certain signal reflection phenomenon will occur. Possiamo calcolare l'impedenza equivalente dopo che la larghezza della linea è aumentata secondo la formula di calcolo dell'impedenza menzionata nel capitolo della linea di trasmissione, and then Calculate the reflection coefficient according to the empirical formula: ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0). Generalmente, il cambiamento di impedenza causato dal cablaggio ad angolo retto è compreso tra il 7% e il 20%, so the reflection coefficient is about 0.1. Moreover, come si può vedere dalla figura sottostante, the impedance of the transmission line changes to 100% during the W/2 linee, and then returns to the normal impedance after the W/2 volte. L'intero cambiamento di impedenza avviene in un tempo molto breve, often within 10ps. , un cambiamento così veloce e piccolo è quasi trascurabile per la trasmissione generale del segnale. Many people have such an understanding of right-angle wiring, pensare che è facile emettere o ricevere onde elettromagnetiche e generare EMI, which is also one of the reasons why many people think that right-angle wiring is not possible. Tuttavia, the results of many practical tests show that right-angle traces do not produce significant EMI than straight lines. Forse le prestazioni attuali dello strumento e il livello di prova limitano la testabilità, but at least it shows a problem, la radiazione delle tracce ad angolo retto è già inferiore all'errore di misura dello strumento stesso. In general, Il percorso ad angolo retto non è così spaventoso come si potrebbe immaginare. At least in applications below GHz, effetti quali la capacità, reflection, EMI, etc. prodotti da esso sono difficilmente riflessi nelle prove TDR. The focus of high-speed Scheda PCB Gli ingegneri di progettazione dovrebbero ancora essere sul layout, power/progettazione del suolo, and trace design. , e altri aspetti. Of course, anche se l'impatto del cablaggio ad angolo retto non è molto grave, it does not mean that we can all walk right-angle lines in the future. L'attenzione ai dettagli è una qualità fondamentale che ogni ingegnere deve avere. Moreover, con il rapido sviluppo dei circuiti digitali, Scheda PCBs La frequenza dei segnali che gli ingegneri affrontano continuerà ad aumentare, and in the field of RF design above 10GHz, Questi piccoli angoli retti possono diventare il fulcro di problemi ad alta velocità.

2. Differential trace
Differential signals are more and more widely used in high-speed circuit board design. The key signals in the circuit are often designed with differential structure. Perché è così popolare? How to ensure its good performance in Scheda PCB design? With these two questions, Passiamo alla prossima parte della discussione. What is differential signaling? In termini profani, the driving end sends two signals of equal value and opposite phase, e l'estremità ricevente giudica lo stato logico "0" o "1" confrontando la differenza tra le due tensioni. The pair of traces that carry the differential signal is called a differential trace.

Rispetto alle normali tracce di segnale monoterminale, differential signals have obvious advantages in the following three aspects:
a. Forte capacità anti-interferenza, because the coupling between the two differential traces is very good. Quando c'è interferenza di rumore nel mondo esterno, they are almost coupled to the two wires at the same time, e l'estremità ricevente si preoccupa solo della differenza tra i due segnali. Quindi the external common mode noise can be completely canceled.
b. It can effectively suppress EMI. Allo stesso modo, because the polarities of the two signals are opposite, i campi elettromagnetici irradiati da loro possono annullarsi a vicenda. The tighter the coupling, meno energia elettromagnetica viene rilasciata al mondo esterno.
c. Timing positioning, perché il cambio di commutazione del segnale differenziale si trova all'intersezione dei due segnali, unlike ordinary single-ended signals that rely on two threshold voltages, alto e basso, so it is less affected by process and temperature, e può ridurre gli errori di temporizzazione. It is also more suitable for circuits with low amplitude signals. L'attuale LVDS popolare si riferisce a questa tecnologia di segnalazione differenziale di piccola ampiezza. For Scheda PCB ingegneri, the concern is how to ensure that these advantages of differential routing can be fully utilized in actual routing. Forse chiunque sia stato in contatto con stackup capirà il requisito generale per tracce differenziali, which is "equal length, spaziatura uguale". Equal length is to ensure that the two differential signals maintain opposite polarities at all times and reduce common mode components; equal distance is mainly to ensure that the differential impedance of the two is consistent and reduce reflection. Il principio "il più vicino possibile" è talvolta uno dei requisiti per l'instradamento differenziale. But all of these rules are not meant to be rhetorical, e molti ingegneri sembrano non capire la natura del segnale differenziale ad alta velocità. The following focuses on several common misunderstandings in PCB differential signal design.

Miscomprensione 1: Pensate che il segnale differenziale non abbia bisogno di un piano di terra come percorso di ritorno, o pensare che le tracce differenziali forniscano un percorso di ritorno l'uno per l'altro. This misunderstanding is caused by being confused by superficial phenomena, o la comprensione del meccanismo di trasmissione del segnale ad alta velocità non è abbastanza profonda. It can be seen from the structure of the receiving end that the emitter currents of the transistors Q3 and Q4 are equal and opposite, and their currents at the ground just cancel each other (I1=0), so the differential circuit is suitable for similar bounces and other possible existences. È insensibile ai segnali acustici sui piani di potenza e di terra. The partial return cancellation of the ground plane does not mean that the differential circuit does not use the reference plane as the signal return path. Infatti, in the analysis of signal return, il meccanismo di routing differenziale e routing ordinario monoterminale è lo stesso, that is, La differenza tra il flusso di ritorno lungo il ciclo dell'induttore è che oltre all'accoppiamento al suolo, the differential line also has mutual coupling. Qualunque accoppiamento sia forte diventerà il percorso principale di ritorno.
In PCB circuit design, l'accoppiamento tra tracce differenziali è generalmente piccolo, often only accounting for 10~20% of the coupling degree, e di più è l'accoppiamento al suolo, so the main return path of the differential trace still exists in the ground. piatto. When the ground plane is discontinuous, l'accoppiamento tra le tracce differenziali nell'area senza il piano di riferimento fornirà il percorso principale di ritorno. Although the discontinuity of the reference plane does not affect the differential trace as seriously as the ordinary single-ended trace, ridurrà ancora la qualità del segnale differenziale e aumenterà l'EMI, which should be avoided as much as possible. Alcuni progettisti ritengono anche che il piano di riferimento sotto la traccia differenziale possa essere rimosso per sopprimere alcuni segnali in modalità comune nella trasmissione differenziale, but this approach is theoretically undesirable. Come controllare l'impedenza? Not providing a ground impedance loop for the common mode signal will inevitably cause EMI radiation, che fa più male che bene.


Myth 2: Thinking that maintaining equal spacing is more important than matching line lengths. Nell'attuale Scheda PCB layout, è spesso impossibile soddisfare i requisiti della progettazione differenziale allo stesso tempo. Due to factors such as pin distribution, via, and routing space, lo scopo della corrispondenza della lunghezza della linea deve essere raggiunto mediante un percorso adeguato, but the result must be that some areas of the differential pair cannot be parallel. Cosa dovremmo fare in questo momento? E i compromessi?? Before drawing conclusions, Diamo un'occhiata ai seguenti risultati di simulazione. From the above simulation results, Le forme d'onda dello schema 1 e dello schema 2 sono quasi coincidenti, that is to say, l'impatto causato dalla distanza disuguale è minimo. In comparison, the impact of line length mismatch on the timing is much greater (Option 3). From the theoretical analysis, anche se l'incoerenza della spaziatura causerà il cambiamento dell'impedenza differenziale, because the coupling between the differential pairs itself is not significant, anche l'intervallo di variazione dell'impedenza è molto piccolo, usually within 10%, che equivale a un solo passaggio. reflections caused by holes, che non influiscono significativamente sulla trasmissione del segnale. Once the line length does not match, oltre alla compensazione temporale, a common mode component is introduced into the differential signal, che riduce la qualità del segnale e aumenta l'EMI. It can be said that the important rule in the design of differential traces on the PCB is to match the length of the lines, e altre regole possono essere gestite in modo flessibile in base ai requisiti di progettazione e alle applicazioni pratiche.

Misunderstanding 3: Pensare che le tracce differenziali devono essere molto vicine. Mantenere le tracce differenziali vicino non è altro che migliorare il loro alloggio, che non solo può migliorare l'immunità al rumore, ma anche fare pieno uso della polarità opposta del campo magnetico per compensare le interferenze elettriche al mondo esterno. Anche se questo approccio è molto vantaggioso nella maggior parte dei casi, non è. Se riusciamo a garantire che siano completamente schermati da interferenze esterne, allora non abbiamo bisogno di ottenere anti-interferenza e anti-interferenza attraverso forte accomodamento tra loro. lo scopo di superare l'IME. Come possiamo garantire che le tracce differenziali abbiano un buon isolamento e schermatura? Aumentare la distanza con altre tracce di segnale è uno dei modi di base. L'energia del campo elettromagnetico diminuisce con la relazione quadrata della distanza. Generalmente, quando la distanza tra le linee supera 4 volte la larghezza della linea, l'interferenza tra di loro è estremamente debole, che è fondamentalmente OK. negligenza. Inoltre, L'isolamento del piano di terra può anche svolgere un buon ruolo schermante. Questa struttura è spesso utilizzata nella progettazione di PCB Scheda ad alta frequenza (sopra 10G) IC pacchetto. È chiamata la struttura CPW, che può garantire un rigoroso controllo differenziale di impedenza (2Z0). Le tracce differenziali possono essere eseguite anche in diversi livelli di segnale, ma questo metodo non è generalmente raccomandato, perché le differenze di impedenza e vias generate da diversi strati distruggeranno l'effetto della trasmissione in modalità differenziale e introdurranno rumore in modalità comune. Inoltre, se i due strati adiacenti non sono strettamente accoppiati, Ridurrà la capacità della traccia differente di resistere al rumore, ma se è possibile mantenere la giusta spaziatura dalle tracce circostanti, crosstalk non è un problema. Alle frequenze generali (sotto GHz), L'IME non è un problema serio. Gli esperimenti dimostrano che l'attenuazione energetica irradiata ad una distanza di 3 metri ha raggiunto i 60dB per tracce differenziali separate da 500Mils, che è sufficiente per soddisfare gli standard di radiazione elettrica della FCC, quindi il progettista non deve preoccuparsi troppo dell'incompatibilità elettromagnetica causata dall'insufficiente accoppiamento differenziale.

3. serpentine

La linea serpentina è un tipo di metodo di routing spesso utilizzato in Layout. Il suo scopo principale è quello di regolare il ritardo per soddisfare i requisiti di progettazione di temporizzazione del sistema. Il progetto deve prima avere questa comprensione: la linea serpentina distribuirà la qualità del segnale, change the transmission delay, e cercare di evitare di usare durante il cablaggio. Tuttavia, nella progettazione efficace, al fine di garantire che il segnale abbia un tempo di attesa sufficiente, o per ridurre l'intervallo di tempo tra i segnali dello stesso gruppo, è spesso necessario eseguire deliberatamente cablaggi. Allora, che effetto ha il filo serpentino sulla trasmissione del segnale? A cosa devo prestare attenzione durante il routing? I due parametri chiave sono la lunghezza di accoppiamento parallelo e la distanza di accoppiamento. Ovviamente, quando il segnale viene trasmesso sulla traccia serpentina, l'accoppiamento avverrà tra i segmenti di linea parallela, sotto forma di modalità differenziale, più piccola è la S, maggiore è il grado di accoppiamento. Può portare alla riduzione del ritardo di trasmissione e ridurre notevolmente la qualità del segnale dovuto al crosstalk. Per il meccanismo, si rimanda all'analisi della modalità comune e differenziale crosstalk nel Capitolo 3.

Alcuni consigli quando si tratta di linee serpentine:

(1) Prova ad aumentare la distanza dei segmenti di linea parallela, almeno maggiore di 3H, dove H si riferisce alla distanza dalla traccia del segnale al piano di riferimento. In termini profani, è per percorrere una grande curva. Finché S è abbastanza grande, l'effetto di alloggio reciproco può essere quasi completamente evitato.

(2) Diminuire la lunghezza dell'accoppiamento Lp. Quando il doppio ritardo Lp si avvia o supera il tempo di aumento del segnale, il crosstalk generato raggiungerà la saturazione.

(3) Il ritardo di trasmissione del segnale causato dalla linea serpentina della linea di striscia o dalla linea di microstrip sepolta è più piccolo di quello della linea di microstrip. Teoricamente, la stripline non influenzerà la velocità di trasmissione a causa della modalità differenziale crosstalk.

(4) Per le linee ad alta velocità e di segnale con severi requisiti di temporizzazione, cercare di non prendere linee serpentine, soprattutto non meandro in una piccola area.

(5) Le tracce della serpentina con qualsiasi angolo possono spesso essere usate, che possono efficacemente ridurre l'accoppiamento reciproco.

(6) Nella progettazione del PCB Scheda ad alta velocità, la linea serpentina non ha la cosiddetta capacità di filtraggio o anti-interferenza, che può solo ridurre la qualità del segnale, quindi è utilizzata solo per la corrispondenza temporale e nessun altro scopo.

(7) A volte il metodo di routing a spirale può essere considerato per l'avvolgimento. La simulazione mostra che l'effetto è migliore del normale Scheda PCB progettazione del percorso serpentino.