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.