Was ist die Signallaufzeit bei Hochgeschwindigkeits-PCB-Design?

Jedes elektromagnetische Signal, egal ob es sich um ein digitales Signal handelt, das auf einer PCB reist, oder um eine Welle, die sich durch die Luft zwischen Antennen ausbreitet, wird eine endliche Geschwindigkeit haben. Diese endliche Geschwindigkeit ist die Ausbreitungsverzögerung für ein Signal. Sie ist aus mehreren Gründen eine wichtige Größe, die hauptsächlich im Design von Hochgeschwindigkeits-PCBs und in der RF-Systemkonstruktion zu finden ist. Differentielle digitale Schnittstellen und phasenempfindliche RF-Designs sind die wichtigsten Bereiche, in denen die Ausbreitungsverzögerung wichtig ist und zu einem wichtigen Parameter im PCB-Layout wird.

In diesem Artikel werde ich genau erklären, wo die Ausbreitungsverzögerung in einigen grundlegenden Berechnungen für das PCB-Design verwendet wird. Wir werden bald sehen, dass die wichtigen Anwendungen der Ausbreitungsverzögerung auftreten, wenn wir sicherstellen müssen, dass die Phasenantwort über mehrere Verbindungen in einer PCB konsistent ist.

Was ist Ausbreitungsverzögerung?

Die Ausbreitungsverzögerung bezieht sich auf das Inverse der Geschwindigkeit eines sich ausbreitenden elektromagnetischen Signals. Sie wird hauptsächlich in der PCB-Industrie verwendet, um auf die Signalgeschwindigkeit zu verweisen, während integrierte Schaltungsentwickler denselben Begriff verwenden, um die Zeit zu beschreiben, die benötigt wird, damit ein Logikzustand von einem Eingang zu einem Ausgang wechselt. Auf einer PCB wird die Ausbreitungsverzögerung, die ein Signal erfährt, in Zeiteinheiten pro Entfernung ausgedrückt (Inverse der Geschwindigkeit). Mit anderen Worten, solange Sie die Lichtgeschwindigkeit für ein Signal auf einer PCB kennen, invertieren Sie den Wert und Sie haben die Ausbreitungsverzögerung.

Wenn ein PCB-Designer das Design einer Übertragungsleitung für eine impedanzkontrollierte Schnittstelle plant, muss er möglicherweise die Ausbreitungsverzögerung für ein Signal auf dieser Leitung berechnen. Die Faktoren, die die Ausbreitungsverzögerung eines Signals bestimmen, umfassen:

• Dielektrizitätskonstante des Substrats
• Der Impedanzwert (tatsächlich die Geometrie der Übertragungsleitung)
• Die Entfernung zur Referenzebene(n) der Übertragungsleitung
• Für ein differentielles Paar, der Abstand zur anderen Leiterbahn im Paar
• Faserwebungseffekte im PCB-Dielektrikum

Definition für Streifenleitungen und Mikrostreifen

Die einfachste Definition ergibt sich aus der Betrachtung der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum; indem Sie den Dk-Wert Ihres PCB-Materials verwenden, können Sie die Signalgeschwindigkeit bestimmen:

Wenn Sie diesen Wert umkehren, erhalten Sie die Ausbreitungsverzögerung in Einheiten von Zeit pro Distanz. Ein typischer Wert für eine 50 Ohm Mikrostreifenleitung liegt bei ~150 ps/Zoll, und für Streifenleitungen liegt ein typischer Wert bei ~171 ps/Zoll; beide setzen Dk = 4 Dielektrika voraus. Warum sollte eine Mikrostreifenleitung eine andere Ausbreitungsverzögerung im Vergleich zu einer Streifenleitung haben? Dies liegt an der Abhängigkeit von der Geometrie der Verbindung. Bei einer Streifenleitung erfolgt die Verlegung auf der Oberflächenschicht und einige der elektrischen Feldlinien werden durch die Luft verlaufen, daher wird die Signalgeschwindigkeit unter Verwendung eines "effektiven" Dk-Wertes definiert:

Als Nächstes benötigen wir eine Formel für den effektiven Dk-Wert für Mikrostreifenleitungen. Dieser Wert hängt von der Geometrie der Übertragungsleitung ab und kann aus den Maxwell-Gleichungen berechnet werden. Unter Verwendung der quasi-TEM-Theorie für Übertragungsleitungen wurde gezeigt, dass die Ausbreitungsverzögerung für ein Signal auf einer Mikrostreifenleitung wie folgt ist:

Hier sind w und h die Breite der Mikrostreifenleitung und der Abstand zur Masseebene, jeweils. Diese Formel kann von Hand verwendet werden und ist bekannt dafür, über einen Bereich von Zielimpedanzwerten innerhalb des quasi-TEM-Limits genau zu sein.

Definition aus der Theorie der Übertragungsleitungen

Allgemeiner gibt es eine Definition für die Ausbreitungsverzögerung, die direkt aus der Theorie der Übertragungsleitungen abgeleitet werden kann. Diese Formel für die Ausbreitungsverzögerung erfordert, dass Sie die verteilten Schaltungselementwerte für Ihre spezielle Übertragungsleitung kennen:

Wenn Sie diese Gleichung umkehren, erhalten Sie die Ausbreitungsverzögerung.

Diese Gleichung ist universell wahr als ein quasi-TEM-Modell, aber sie ist nicht so einfach für das Design zu verwenden. Stattdessen wird sie normalerweise als Teil eines Regressionsmodells verwendet, bei dem die verteilten Elementwerte in der Formel durch einen Extraktionsprozess aus Netzwerkparametermessungen in einem Experiment oder einer Simulation bestimmt werden. Die Prozesse und Algorithmen, die für die Extraktion von Schaltungsmodellen verwendet werden, sind Themen für einen anderen Artikel.

Wo die Ausbreitungsverzögerung verwendet wird

Im Allgemeinen müssen Sie die Ausbreitungsverzögerung nicht für jedes einzelne Signal oder jede Leitungsverbindung auf Ihrer PCB kennen oder berechnen.

Timing im High-Speed-PCB-Design

Hochgeschwindigkeitssignale, egal ob sie auf quellsynchronen Schnittstellen, auf parallelen Bussen oder auf seriellen differentiellen Paaren sind, müssen innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens bei einem Empfänger ankommen. Allgemein gilt, dass, wenn die Anstiegszeit der Signale schneller ist, die Zeitmarge kleiner sein wird. Das bedeutet, dass die Ausbreitungskonstante bekannt sein muss, um Längenanpassung anzuwenden, welche sicherstellt, dass Signale innerhalb der erforderlichen Zeitmarge ankommen.

Die Hauptzeitbeschränkung, die bestimmt, ob eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle funktioniert, ist die Zeitabweichung zwischen zwei Signalen, die wir Δt nennen werden. Die Beziehung zwischen der erlaubten Längenabweichung und der erlaubten Zeitabweichung wird durch folgendes gegeben:

Diese Längenabweichung/Zeitabweichung tritt in drei wichtigen Fällen auf:

• Zwischen Signalen in einem parallelen Bus (wie DDR)
• Zwischen zwei Leiterbahnen in einem differentiellen Paar
• Zwischen mehreren differentiellen Paaren

Als Beispiel für die Anwendung von Längenanpassung in einer realen Situation möchte ich das untenstehende Bild einer CSI-2-Schnittstelle auf einem FPGA mit seiner Escape-Routing zeigen. Das Bild unten zeigt fünf differentielle Paare (4 Signalleitungen und eine Taktleitung), die eine CSI-2-Schnittstelle bilden, die normalerweise in einen Kamerastecker geroutet würde. Wir können einen Abschnitt der Längenanpassung im differentiellen Netz AWR_3_CSI2_TX0 sehen, der sicherstellt, dass die Zeitabweichung zwischen diesen beiden Leiterbahnen minimiert wird. Da die Designsoftware die erlaubte Zeitabweichung kennt (sie wird vom Designer ausgewählt) und die Ausbreitungsverzögerung (sie wird in den Designregeln festgelegt), kann das PCB-Layout-Tool eine Längenabweichung überprüfen, indem es automatisch die oben genannte Formel anwendet.

Die beste PCB-Design-Software wird automatisch zwischen dem erlaubten Zeitversatz und dem tatsächlichen Längenunterschied zwischen zwei Signalen konvertieren, aber nur solange eine dieser Einschränkungen in Ihren Designregeln definiert ist und die Ausbreitungsverzögerung bekannt ist. Wenn Ihre Designsoftware eine Impedanzberechnung für Ihre nicht übereinstimmenden Netze durchführen kann, dann kann sie auch die Ausbreitungsverzögerung für diese spezifische Übertragungsleitungsgeometrie bestimmen, und Sie müssen dies nicht von Hand berechnen.

Bestimmung der Eingangsimpedanz

Ein weiterer wichtiger Bereich, in dem eine Berechnung der Ausbreitungsverzögerung sowohl im HF-Design als auch im digitalen Design benötigt wird, ist die Bestimmung der Eingangsimpedanz. Diese wird verwendet, um zu bestimmen:

• Ob ein Signal am Eingang einer Verbindung reflektieren wird; es wird verwendet, um einen Eingangsreflexionskoeffizienten (S11-Wert) zu bestimmen;
• ob eine Impedanzdiskontinuität physisch groß genug ist, um in Breitband-(digitalen) Signalen eine merkliche Reflexion zu erzeugen.

Im ersteren Fall möchten wir feststellen, ob ein Impedanzanpassungsnetzwerk (Stichleitung oder diskrete Bauteile) die gewünschte Ziel-Eingangsimpedanz erzeugen wird. Im letzteren Fall möchten wir bestimmen, bei welchen Frequenzen ein Signal stark von einer Impedanzdiskontinuität reflektiert wird. Die Formel zur Bestimmung der Eingangsimpedanz zwischen einer Quelle und Last, die mit einer Übertragungsleitung verbunden sind, ist im Bild unten angegeben:

Von hier aus können Sie Dinge tun, wie die genauen Frequenzen vorhersagen, bei denen eine Last und Quelle durch eine Übertragungsleitung der Länge l und mit charakteristischer Impedanz Z0 perfekt impedanzangepasst sein werden.

Phasenantwort im HF-Design

Schließlich ist die andere häufige Situation, in der die Ausbreitungsverzögerung bekannt sein muss, bei der Phasenantwort von HF-Schaltungen. Einige HF-Designs erfordern das Engineering der Phasenantwort eines Signals, das in eine Verbindung eingespeist wird. Die Phasenantwort steht auch in Zusammenhang mit der Ausbreitungsverzögerung wie folgt:

Mit anderen Worten, wenn ein Signal mit bekannter Frequenz und Ausbreitungsverzögerung eine Strecke L auf einer Verbindung zurücklegt, können wir seine Phasenverschiebung berechnen. Diese Phasenantwort wird in Bereichen wie dem Druck von RF-Schaltungsdesign verwendet, um jegliche Effekte zu berücksichtigen, die eine Interferenz erfordern, wie zum Beispiel Resonatoren und Filter. Wenn Sie beispielsweise eine Phasenmessung eines eingehenden Signals im Verhältnis zu einem Referenzpunkt benötigen, müssen Sie die Phasenverschiebung des Signals entlang Ihrer Verbindung kennen, was das Wissen über die Ausbreitungsverzögerung im System voraussetzt.

Der wichtigste Bereich, in dem die Anpassung der Phasenantwort im RF-PCB-Design angewendet wird, ist bei Phased-Array-Antennen. Diese Antennen werden speziell in hochauflösenden Scanning-Radarsystemen, MIMO-Funknetzwerken und einzigartigen mmWave-Sensoren verwendet. Diese Systeme erfordern eine Phasenanpassung über mehrere Antennenelemente hinweg, und jedes Antennenelement wird über eine Zuleitung mit einem Transceiver-Chip verbunden sein. Eine Phasenanpassung ist erforderlich, um Strahlen auf Ziele oder Mobilgerätenutzer zu richten, und der korrekte Weg, eine Phasenanpassung über das gesamte Array zu gewährleisten, ist die Implementierung einer Längenabstimmung, ähnlich wie man es bei einem großen parallelen Bus von Single-Ended-Signalen tun würde.

Ein einfaches Beispiel eines 4x seriell gespeisten Patch-Antennen-Arrays (plus 2 Dummy-Antennen) wird unten gezeigt. Moderne Auto-Radare haben viele mehr Antennen, mit virtuellen Array-Größen, die Hunderte von Antennen erreichen.

In diesen Systemen liegt die Betriebsfrequenz typischerweise im mmWellen-Bereich (bei WiFi oder darüber), sodass die Übertragungsleitungen typischerweise als koplanare Wellenleiter geführt werden. Die Entwurfsgleichungen für koplanare Wellenleiter unterscheiden sich deutlich von Standard-Mikrostreifen, sodass ein elektromagnetischer Feldlöser erforderlich sein kann, um die Ausbreitungsverzögerung für diese Leitungen zu bestimmen.

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