Tecnologia PCB - In che modo PCB considera l'intera larghezza di banda del segnale nella corrispondenza della lunghezza della linea

La relazione tra la corrispondenza della lunghezza di routing della scheda PCB e la frequenza delle coppie di differenza

La corretta corrispondenza tra lunghezza e frequenza della traccia dovrebbe tenere conto dell'intera larghezza di banda del segnale che si propaga lungo la traccia. Questo è stato oggetto di ricerche sui protocolli seriali differenziali negli ultimi anni, con standard come USB4 che pongono requisiti specifici sugli indicatori di integrità del segnale a banda larga. Alcuni indicatori di integrità del segnale a banda larga di esempio sono:

Conversazione differenziale integrata

Perdita di inserimento della differenza integrale

Perdita di rendimento differenziale integrale

Deviazione di impedenza della differenza integrale

Con "integrazione" intendiamo che aspetti specifici dell'integrità del segnale si applicano all'intera gamma di frequenze pertinente. In altre parole, se prendiamo il crosstalk differenziale per esempio, vogliamo ridurre il crosstalk differenziale tra due coppie di differenze al di sotto di un certo limite, come specificato nello standard di segnalazione. Vedremo perché questo è importante per monitorare le partite di lunghezza in un attimo.

sparpagliati

Nel dominio del tempo, ci interessa solo la transizione a metà strada tra le due estremità della coppia di differenza che attraversa gli stati HI e LOW (supponiamo binario) allo stesso tempo. Ovviamente, il jitter pone un problema qui, in quanto limita la lunghezza della linea a una certa tolleranza, in modo da non ottenere mai la fine di un paio di linee per passare perfettamente allo stesso tempo. Nel campo della frequenza, dobbiamo considerare la dispersione dalle seguenti fonti:

Dispersione geometrica: Ciò è causato dalle condizioni al contorno e dalla geometria delle interconnessioni, che determinano poi come l'impedenza delle interconnessioni varia con la geometria.

Diffusione dielettrica: Ciò avviene nel substrato PCB ed è indipendente dalla geometria dell'interconnessione sul PCB. Include la dispersione e la perdita di Dk.

Dispersione di rugosità: Questa ulteriore fonte di dispersione si verifica a causa della causalità del modello di rugosità del rame e dell'effetto cutaneo ad alte frequenze.

Dispersione della treccia della fibra: La treccia della fibra nei laminati PCB produce cambiamenti periodici di dispersione in tutta l'interconnessione.

Poiché queste sorgenti di dispersione sono sempre presenti nel cablaggio, causano l'impedenza, la velocità,

e tutti gli altri indicatori di integrità del segnale del cablaggio PCB effettivo per essere funzioni di frequenza. Un esempio che mostra come la dispersione nella parte reale del Dk influisce sull'impedenza del cablaggio microstrip è mostrato di seguito.

Il segnale di velocità

Se avete familiarità con la teoria della linea di trasmissione, allora sapete che l'impedenza è strettamente correlata alla velocità del segnale. Prendiamo ad esempio la velocità del segnale del cablaggio PCB. La figura seguente mostra le velocità di gruppo e fase delle bande simulate con rugosità e dispersione.

Velocità di gruppo e velocità di fase di un segnale di linea del nastro campione con rugosità del rame e dispersione dielettrica.

Qui possiamo vedere che la velocità di fase varia notevolmente su un ampio intervallo di frequenza, fino ad un fattore di 2 da 1MHz a 20GHz. Il cambiamento nella velocità di fase è un parametro importante qui perché questa è la velocità con cui i diversi componenti di frequenza si propagano lungo l'interconnessione. Attraverso questo cambiamento, possiamo vedere quanto difficile la corrispondenza della lunghezza della traccia PCB e la corrispondenza della frequenza diventino per interconnessioni pratiche. Abbiamo bisogno di un modo per tenere conto di tutte le frequenze, non solo di singole frequenze arbitrariamente selezionate.

Corrispondenza della lunghezza e della frequenza della banda larga

Per sviluppare una misura della corrispondenza di lunghezza, dobbiamo considerare la deviazione di lunghezza consentita per un dato standard di segnalazione. Noi chiamiamo questa deviazione temporale TLIM. Possiamo scrivere le seguenti equazioni per tolleranze di lunghezza e disallineamenti temporali consentiti:

Un cambiamento di lunghezza in base alla variazione temporale consentita.

Qui, la funzione K è semplicemente la costante di propagazione del segnale sull'interconnessione, che è anche una funzione della frequenza dovuta alla dispersione. Possiamo usare metodi statistici per affrontare disallineamenti di lunghezza consentiti utilizzando qualcosa chiamato "norma Lp". Senza approfondire troppo la matematica coinvolta, basta sapere che questa misura equivale a calcolare la differenza RMS tra una funzione e una media che differisce solo di una costante. Pertanto, questo lo rende uno strumento matematico ideale per affrontare le variazioni tra determinati valori di progettazione target e misure di integrità del segnale (impedenza, attenuazione/ritardo della risposta d'impulso, intensità crosstalk, ecc.).

Utilizzando la norma Lp, possiamo riscrivere i disallineamenti di lunghezza consentiti in base ad alcuni limiti superiori definiti da tLIM per disallineamenti di temporizzazione:

Un cambiamento di lunghezza in base alla variazione temporale consentita.

Quando si progetta un PCB utilizzando metriche di integrità del segnale a banda larga, l'equazione di cui sopra può essere considerata un vincolo: quando si determina la dimensione di una linea di trasmissione, ciò può influire sulla deviazione totale ammissibile di lunghezza tra due linee all'interno o tra le estremità di una coppia di differenze. Protocollo parallelo ad alta velocità. L'integrale è facile da calcolare purché si conosca la costante di propagazione della linea di trasmissione. Questo valore può quindi essere calcolato utilizzando un risolutore di campo e manualmente da un modello di analisi con geometria standard della linea di trasmissione.

Solo per fornire alcuni numeri per il calcolo, se uso la velocità di fase della striscia analogica mostrata sopra, scopriamo che la disallineazione di lunghezza consentita tra tracce parallele monoterminali completamente isolate è di 2,07mm e la disallineazione di temporizzazione è di 10ps se il valore ammissibile è consentito. Si noti che per 10ps, questa è una grande parte della velocità di bordo di molti segnali digitali ad alta velocità. Per la linea del nastro che ho simulato sopra, questo equivale a 1,3041 mm di disallineamento di lunghezza ammissibile