Längenanpassung für Hochgeschwindigkeitssignale: Trombone-, Akkordeon- und Sägezahnabstimmung

Es war einmal, da erforderten Längenanpassungsrichtlinien für Hochgeschwindigkeitssignale einen Designer mit genügend Geschick, um produktiv zu bleiben, wenn er manuell verschiedene Spuren-Längenanpassungsschemata anwendete. Mit den heutigen fortschrittlichen interaktiven Routing-Funktionen in modernen PCB-Designwerkzeugen müssen Designer nicht mehr manuell Längenanpassungsstrukturen in einem PCB-Layout zeichnen. Die verbleibende Wahl für einen Designer ist die Entscheidung, welches Längenanpassungsschema zu verwenden ist: Trombone, Akkordeon oder Sägezahn-Routing.

Welche dieser verschiedenen Optionen ist also am besten für Ihr Hochgeschwindigkeitsdesign geeignet? Mit ausreichend breiten Leiterbahnen (d.h., nicht im HDI-Bereich) und nahezu GHz-bandbegrenzten Signalen müssen Sie sich keine Sorgen über die komplexen Resonanzprobleme machen, die Sie bei der Arbeit mit analogen Signalen in den mmWave- und Sub-mmWave-Bereichen finden werden. Dennoch müssen Sie einige wichtige Punkte bezüglich des Verhaltens von Übertragungsleitungen und Signalintegrität berücksichtigen, wenn es um Längenanpassung im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design geht.

Längenanpassungsoptionen für Hochgeschwindigkeitssignale

Egal, ob Sie mit einem parallelen Bus arbeiten, der eine Längenabstimmung über mehrere Signale erfordert, oder ob Sie einfach nur die beiden Enden eines Differentialpaares aufeinander abstimmen müssen, Sie werden irgendeine Methode zur Längenabstimmung verwenden müssen. Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist der Unterschied zwischen den verschiedenen Längenabstimmungsstilen aufgrund der längeren Anstiegszeit dieser Signale oberflächlich. Die Unterschiede zwischen diesen werden bei schnelleren Flankenraten offensichtlicher, wo die Eingangsimpedanz, die in die Längenabstimmungsstruktur blickt, bemerkbar wird und beginnt, bei hohen Frequenzen unterschiedliche Grade der Modenumwandlung in den verschiedenen Strukturen zu erzeugen.

Bei der Auswahl einer Längenabstimmungsoption müssen wir zwei wichtige Punkte berücksichtigen:

• Ist der Bus einseitig oder parallel?
• Ist die Busimpedanz kontrolliert?
• Wie viel Abweichung kann toleriert werden?

Längenabstimmungsstrukturen werden immer drei Probleme verursachen: EingangsUnsymmetrie-Impedanzfehlanpassung, NEXT und Modenumwandlung in Differentialpaaren. Unten habe ich drei gängige Längenabstimmungsoptionen vorgestellt, die in Hochgeschwindigkeits-PCB-Layouts zu finden sind.

Sägezahnabstimmung

Das bekannteste Beispiel für Längenanpassung ist die Sägezahnabstimmung, die manchmal auch als Serpentinenabstimmung bezeichnet wird. Die hier enthaltenen Richtlinien spiegeln die ursprüngliche Absicht dieser Längenabstimmungsstruktur wider, die darin besteht, die Modenumwandlung zu begrenzen und das Auftreten von Übersprechen zwischen den erweiterten Abschnitten zu verhindern.

Im Beispiel der Sägezahnabstimmung unten gibt es keine sanften Biegungen entlang der Leiterbahn. Die Leiterbahn sollte präzise abgestanden sein, wie unten gezeigt. Zuerst gibt es eine „S-2S“-Regel, die unten verwendet wurde; diese war ursprünglich dazu gedacht, sicherzustellen, dass 45-Grad-Biegungen entlang der Länge der längenabgestimmten Leiterbahn verwendet werden. Die „3W“-Regel (nicht zu verwechseln mit der gleichnamigen Regel zur Vermeidung von Übersprechen!) ist wirklich eine obere Grenze; die Länge des erweiterten Teils des Sägezahns könnte von W bis 3W reichen, obwohl einige Richtlinien bei dieser Regel abweichen. Diese Maße werden verwendet, um jegliche Impedanzdiskontinuitäten entlang der Länge der Leiterbahn zu minimieren.

Sägezahnlängenanpassung für Hochgeschwindigkeitssignale: die „3W“-Regel.

Akkordeonabstimmung

Die Abstimmung von Akkordeons wird auch oft als Schlangenlängenabstimmung bezeichnet. Anstatt die oben gezeigte diagonale Verlängerung zu verwenden, wird eine orthogonale Verlängerung verwendet, sodass die zusätzliche Abstimmungslänge auf eine kleinere Entfernung entlang der geraden Spur passen kann.

Das unten gezeigte Layout verwendet mehrere Spurverlängerungen unterschiedlicher Entfernungen. Diese Methode findet oft Anwendung in Fällen, die einen parallelen Bus vieler einzelner Signale umfassen; das typische Beispiel ist DDR. Diese Signale benötigen eine Synchronisation in der Zeit, aber diese Spuren sind nicht Teil eines differentiellen Busses, daher gibt es keine genaue Phasenanforderung über Paare von Spuren. Deshalb spielt es keine Rolle, wo wir die Abschnitte für die Längenabstimmung platzieren, da die empfangende Komponente nicht zwischen differentiellem Modus und gemeinsamem Modus Rauschen unterscheidet. Deshalb sieht die typische Verkabelung für eine DDR-Schnittstelle so aus wie die Verkabelung unten.

Akkordeon-Längenanpassung für Hochgeschwindigkeitssignale.

Trombone Tuning

Wenn Sie mit Signalen niedrigerer Geschwindigkeit oder niedrigerer Frequenz arbeiten, können Sie sich bei parallelen Bussen mit minimalem NEXT mit der Trombone-Abstimmung behelfen. Diese Technik sollte nicht verwendet werden, um die Länge von differentiellen Paaren abzustimmen. Dies ist eine weitere Option, die oft bei parallelen Bussen zu finden ist, aber sie wird viel mehr NEXT erzeugen als die Akkordeon- oder Sägezahn-Längenabstimmung. Der Grund dafür hat mit den mehrfachen 90- und 180-Grad-Wendungen in dieser Leiterbahnenkonfiguration zu tun.

Würde dies bei einem differentiellen Paar verwendet, sollte offensichtlich sein, dass der Trombone-Teil abwechselnd differentielle und gemeinsame Moduskopplung zwischen jeder Seite des Paares verändert, da das Signal an einem Ende durch den Trombone hin und her bewegt wird. Signale wechseln im Wesentlichen zwischen gemeinsamem Modus und differentiellem Modus, während sie sich ausbreiten; dies ist die eigentliche Definition der Modusumwandlung. Wie auch bei den anderen beiden gängigen Methoden zur Längenanpassung, sollten Sie, wenn Sie die Trombone-Abstimmung verwenden müssen, diese nur am Ende des differentiellen Paares einsetzen, wo die Unstimmigkeit auftritt.

Trombone-Längenanpassung für Hochgeschwindigkeitssignale.

Differentielle Paare vs. Single-Ended

Bei allen drei oben genannten Methoden sollten Sie darauf achten, dass Sie die einzelnen Abschnitte eines Schlangenlinien-Längenabgleichs nicht zu dicht beieinander platzieren. Die Erweiterung weg von der geraden Spur und der Abstand zwischen den Abschnitten bestimmen zwei mögliche Auswirkungen auf die Signalintegrität:

• Parallele Busse und differentielle Paare: NEXT entlang der Länge der Struktur
• Parallele Busse und differentielle Paare: Reflexion des Signals, das in die Längenabstimmungsstruktur eintritt
• Für differentielle Paare: Modusumwandlung (Wechsel zwischen gemeinsamem Modus und differentiellem Modusrauschen)

Der Übersprech-Effekt (NEXT) und die Reflexionen, die in einen Längenabstimmungsabschnitt eintreten, werden Signale verzerren, während sie entlang des Längenabgleichsabschnitts reisen. Der Effekt der Modusumwandlung verursacht, dass gemeinsamer Modus-Rauschen, das vor dem Längenabstimmungsabschnitt empfangen wurde, als differentielles Modus-Rauschen beim Empfänger erscheint. Howard Johnson bietet eine interessante Erklärung für den Übersprech-Effekt in diesem Artikel.

Die untenstehende Tabelle gibt an, wann jede der oben diskutierten Längenabstimmungsmethoden am besten zu verwenden ist.

Verifikation erfordert Simulationen

Die hier vorgestellten Richtlinien sind genau das: Richtlinien. Unabhängig von der Signalgeschwindigkeit oder dem Stil der Längenanpassung, mit dem Sie arbeiten, wird im Allgemeinen empfohlen, dass jede Seite eines Differenzpaares so symmetrisch wie möglich verlegt wird; es ist verständlich, dass dies bei breiten parallelen Bussen nicht so einfach ist. Unabhängig davon, wie Sie Ihre Differenzpaare verlegen, sollten Sie immer das Verhalten jedes Signals in einem Differenzpaar mit Hilfe von Simulationstools überprüfen und letztendlich durch Messungen.

Es ist auch schwierig, genau zu verallgemeinern, welche dieser Optionen objektiv die "beste" für die Längenanpassung ist. Jeder, der gesehen hat, wie Faustregeln in bestimmten Situationen versagen, weiß, dass Sie immer Ihr Layout überprüfen sollten, einschließlich der Längenabgleichung für Hochgeschwindigkeitssignale, mit Hilfe von Post-Layout Simulationstools. Dies hilft Ihnen, wichtige Probleme der Signalintegrität wie Übersprechen, übermäßige Signalreflexionen an Biegungen und Skew in Differenzsignalen oder über mehrere Leiterbahnen, die eine präzise Synchronisation erfordern, zu untersuchen.

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