Dati PCB - Tre tecniche speciali di routing nella progettazione e cablaggio di schede 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.

1.

Traccia angolo retto

Il cablaggio ad angolo retto è generalmente una situazione che deve essere evitata il più possibile nel cablaggio PCB ed è quasi diventato uno degli standard per misurare la qualità del cablaggio. Quindi quanto impatto ha il cablaggio ad angolo retto sulla trasmissione del segnale? In linea di principio, Le tracce ad angolo retto cambiano la larghezza della linea di trasmissione, con conseguente discontinuità in impedenza. Infatti, non solo tracce ad angolo retto, ma anche tracce di angolo acuto possono causare cambi di impedenza.

L'impatto della traccia ad angolo retto sul segnale si riflette principalmente in tre aspetti:

(1) l'angolo può essere equivalente a un carico capacitivo sulla linea di trasmissione per rallentare il tempo di salita;

(2) discontinuità di impedenza causerà la riflessione del segnale;

(3) IME generato ad angolo retto.

La capacità parassitaria causata dall'angolo retto della linea di trasmissione può essere calcolata con la seguente formula empirica:

C=61W(Er)1/2/Z0, nella formula di cui sopra, C si riferisce alla capacità equivalente dell'angolo (unità: pF), W si riferisce alla larghezza della traccia (unità: pollici), εr si riferisce alla costante dielettrica del mezzo ,2* C*Z0 è l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione. Per esempio, per una linea di trasmissione 4Mils 50 ohm (εr è 4,3), la capacità portata da un angolo retto è di circa 0,0101pF, e il cambiamento risultante del tempo di salita può essere stimato: T10-90%=2,2* C*Z0/2 = 2,2*0,0101*50/2 = 0,556ps. Si può vedere dal calcolo che l'effetto capacitivo causato dalla traccia ad angolo retto è estremamente piccolo. Man mano che la larghezza della linea della traccia ad angolo retto aumenta, l'impedenza diminuisce, così si verificherà un certo fenomeno di riflessione del segnale. 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, e quindi calcolare il coefficiente di riflessione secondo la formula empirica: ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0). Generalmente, il cambiamento di impedenza causato dal cablaggio ad angolo retto è compreso tra il 7% e il 20%, quindi il coefficiente di riflessione è di circa 0,1. Inoltre, come si può vedere dalla figura sottostante, l'impedenza della linea di trasmissione cambia al 100% durante la linea W/2, per poi tornare alla normale impedenza dopo la W/2 volt. L'intero cambiamento di impedenza svolta in un tempo molto breve, spesso entro 10ps. , un cambiamento così veloce e piccolo è quasi trasparente per la trasmissione generale del segnale. Molte persone hanno una tale comprensione del cablaggio ad angolo retto, pensare che è facile modificare o ricevere onde elettriche e generali EMI, che è anche uno dei motivi per cui molte persone pensano che il cablaggio ad angolo retto non sia possibile. Tuttavia, i risultati di molti test pratici dimostrano che le tracce ad angolo retto non producono EMI significative rispetto alle linee rette. Se le prestazioni attuali dello strumento e il livello di prova limitano la testabilità, ma almeno mostra un problema, la radiazione delle tracce ad angolo retto è già inferiore all'errore di misura dello strumento stesso. In generale, Il percorso ad angolo retto non è così avventuroso come si potrebbe immaginare. Almeno in applicazioni sotto GHz, effetti quali la capacità, reflection, EMI, etc. prodotti da esso sono difficili da individuare nelle prove TDR. The focus of high-speed Scheda PCB Gli ingegneri di progettazione devono ancora essere sul layout, power/progettazione del suo, e disegno di traccia. , 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.Traccia differenziale

I segnali differenziali sono sempre più ampiamente utilizzati nella progettazione del circuito ad alta velocità. I segnali chiave nel circuito sono spesso progettati con struttura differenziale. Perché è così popolare? Come garantire le sue buone prestazioni nella progettazione PCB Scheda? Con queste due domande passiamo alla prossima parte della discussione. Cos'è il segnale differenziale? In termini profani, il drive end invia due segnali di uguale valore e fase opposta, e l'estremità ricevuta lo stato logico "0" o "1" confrontando la differenza tra le due tensioni. La coppia di tracce che portano il segnale differenziale è chiamata traccia differenziale.

Rispetto alle normali tracce di segnale monoterminale, i segnali differenziali presentano evidenti vantaggi nei seguenti tre aspetti:

a. Forte capacità anti-interferenza, perché l'accoppiamento tra le due tracce differenziali è molto buono. Quando c'è interferenza di rumore nel mondo esterno, sono quasi accoppiati ai due fili contemporaneamente, e l'estrema ricezione si preoccupa solo della differenza tra i due segnali. Il rumore esterno in modalità comune può essere completamente cancellato.

b. Può sopprimere efficacemente l'IME. Allo stesso modo, poiché le polarità dei due segnali sono opposte, i campi elettrici irradiati da loro possono annullarsi a vicenda. Più stretto è l'accoppiamento, meno energia elettrica viene rilasciata al mondo esterno.

c. Posizionamento temporale, perché il cambio di commutazione del segnale differenziale si trova all'intersezione dei due segnali, a differenza dei normali segnali single-end che si basano su due tensioni di soglia, alto e basso, quindi è meno influenzato da processo e temperatura, e può ridurre gli errori di temporizzazione. È anche più adatto per circuiti con segnali di bassa ampiezza. L'attuale LVDS popolare si riferisce a questa tecnologia di segnalazione diversa di piccola ampiezza. Per Scheda PCB ingegneri, la preoccupazione è come garantire che questi vantaggi del routing differenziale possano essere pienamente utilizzati nel routing effettivo. Le forze chiuse sia stato in contatto con stackup capirà il requisito generale per tracce differenziali, che è "uguale lunghezza, spaziatura uguale". La lunghezza uguale è quella di garantire che i due segnali differenziali mantengano sempre polarità opposte e riducano i componenti del modo comune; uguale distanza è principalmente per garantire che l'impedenza differenziale dei due sia coerente e ridurre la riflessione. Il principio "il più vicino possibile" è rivolto uno dei requisiti per l'impianto diverso. Ma tutte queste regole non devono essere retoriche, e molti ingegneri sembrano non capire la natura del segnale differenziale ad alta velocità. Quanto segue si concentra su diversi malintesi comuni nella progettazione del segnale differenziale PCB.

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. Questo malinteso è causato dall'essere confuso da fenomeni superficiali, o la comprensione del meccanismo di trasmissione del segnale ad alta velocità non è abbastanza profonda. Si può vedere dalla struttura dell'estremità ricevente che le correnti emettitori dei transistor Q3 e Q4 sono uguali e opposte, e le loro correnti a terra si annullano a vicenda (I1=0), quindi il circuito differenziale è adatto per rimbalzi simili e altre possibili esistenze. È insensibile ai segnali acustici sui piani di potenza e di terra. La cancellazione parziale del ritorno del piano di terra non significa che il circuito differenziale non utilizzi il piano di riferimento come percorso di ritorno del segnale. 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.
Nella progettazione di circuiti PCB, l'alloggio tra tracce differenziali è generalmente piccolo, spesso rappresentando solo il 10~20% del grado di accoppiamento, e di più è l'alloggio al suo, quindi il percorso principale di ritorno della traccia differenziale esiste ancora nel terreno. piatto. Quando il piano di terra è discontinuo, l'alloggio tra le tracce differenti nell'area senza il piano di riferimento fornirà il percorso principale di ritorno. Anche se la discontinuità del piano di riferimento non influisce sulla traccia differenziale quanto sulla traccia monoterminale ordinaria, ridurre ancora la qualità del segnale differenziale e aumentare l'EMI, che dovrebbe essere evitata il più possibile. Alcuni progetti ritengono anche che il piano di riferimento sotto la traccia differenziale può essere rimosso per secondi alcuni segnali in modalità comune nella trasmissione differente, ma questo approccio è teoricamente indesiderabile. Come controllare l'impedenza? Non fornire un loop di impedenza di terra per il segnale di modalità comune causerà inevitabilmente Radiazioni EMI, che fa più male che bene.

Myth 2: Pensare che mantenere una spaziatura uguale sia più importante che abbinare lunghezze di linea. Nell'attuale Scheda PCB layout, è spesso impossibile soddisfare i requisiti della progettazione differenziale allo stesso tempo. A causa di fattori come la distribuzione dei pin, via e spazio di routing, lo scopo della corrispondenza della lunghezza della linea deve essere raggiunto mediante un percorso adeguato, ma il risultato deve essere che alcune aree della coppia differenziale non possono essere parallele. Cosa dovremmo fare in questo momento? E i compromessi?? Before drawing conclusions, Diamo un'occhiata ai seguenti risultati di simulazione. Dai risultati della simulazione di cui sopra, Le forme d'onda dello schema 1 e dello schema 2 sono quasi coincidenti, cioè, l'impatto causato dalla distanza disuguale è minimo. In comparison, l'impatto del disallineamento della lunghezza della linea sulla tempistica è molto maggiore (opzione 3). Dall'analisi teorica, anche se l'incoerenza della spaziatura causerà il cambiamento dell'impedenza differenziale, perché l'accoppiamento tra le coppie differenziali non è significativo, anche l'intervallo di variazione dell'impedenza è molto piccolo, solitamente entro il 10%, che equivale a un solo passaggio. riflessi causati da fori, che non influiscono significativamente sulla trasmissione del segnale. Una volta che la lunghezza della linea non corrisponde, oltre alla compensazione temporale,un componente di modalità comune è introdotto nel segnale differenziale, che riduce la qualità del segnale e aumenta l'EMI. Si può dire che la regola importante nella progettazione di tracce differenziali sul PCB è quella di abbinare la lunghezza delle linee, 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.