Adaptation de longueur pour les signaux à haute vitesse : Réglage en trombone, accordéon et scie sauteuse

Il était une fois, les directives de correspondance de longueur pour les signaux à haute vitesse nécessitaient un concepteur suffisamment compétent pour rester productif lors de l'application manuelle de différents schémas de réglage de longueur de trace. Avec les fonctionnalités de routage interactif avancées des outils de conception de PCB modernes, les concepteurs n'ont plus besoin de dessiner manuellement des structures de réglage de longueur dans une disposition de PCB. Le choix restant pour un concepteur est de décider quel schéma de correspondance de longueur utiliser : trombone, accordéon ou routage en dents de scie.

Alors, laquelle de ces différentes options est la meilleure pour votre conception à haute vitesse ? Avec des traces suffisamment larges (c'est-à-dire, pas dans le régime HDI) et des signaux limités en bande proche du GHz, vous n'aurez pas à vous soucier des problèmes de résonance complexes que vous trouverez lors du travail avec des signaux analogiques dans les régimes mmWave et sub-mmWave. Cependant, vous devez encore considérer certains points importants concernant les comportements de ligne de transmission et d'intégrité du signal lorsqu'il s'agit de correspondance de longueur dans la conception de PCB à haute vitesse.

Options de Correspondance de Longueur pour les Signaux à Haute Vitesse

Que vous travailliez avec un bus parallèle nécessitant un ajustement de longueur sur plusieurs signaux, ou que vous ayez simplement besoin d'ajuster la longueur entre les deux extrémités d'une paire différentielle, vous devrez utiliser une méthode d'ajustement de longueur. À basse vitesse, la différence entre les différents styles d'ajustement de longueur est superficielle en raison du temps de montée plus long de ces signaux. Les différences entre ceux-ci deviennent plus évidentes à des vitesses de transition plus rapides, où l'impédance d'entrée regardant dans la structure d'ajustement de longueur devient notable et commence à créer différents niveaux de conversion de mode dans les diverses structures à haute fréquence.

Lors de la sélection d'une option d'ajustement de longueur, nous devons considérer deux points importants :

• Le bus est-il à terminaison unique ou parallèle ?
• L'impédance du bus est-elle contrôlée ?
• Quel niveau de désaccord peut être toléré ?

Les structures d'ajustement de longueur créeront toujours trois problèmes : un désaccord d'impédance en mode impair, le NEXT, et la conversion de mode dans les paires différentielles. Ci-dessous, j'ai présenté trois options courantes d'ajustement de longueur trouvées dans les agencements de PCB à haute vitesse.

Ajustement en dents de scie

L'exemple le plus populaire de l'ajustement de longueur est l'ajustement en dents de scie, parfois également appelé ajustement serpentin. Les directives incluses ici reflètent l'intention originale de cette structure d'ajustement de longueur, qui est de limiter la conversion de mode et l'apparition de diaphonie entre les sections étendues.

Dans l'exemple d'ajustement en dents de scie ci-dessous, il n'y a pas de courbes douces le long de la trace. La trace doit être espacée avec précision, comme montré ci-dessous. Tout d'abord, il y a une règle “S-2S” qui a été utilisée ci-dessous ; cette règle était à l'origine destinée à garantir que les courbes à 45 degrés sont utilisées le long de la trace ajustée en longueur. La règle “3W” (à ne pas confondre avec la règle de prévention de la diaphonie portant le même nom !) est vraiment une limite supérieure ; la longueur de la portion étendue de la dent de scie pourrait varier de W à 3W, bien que certaines directives diffèrent sur cette règle. Ces dimensions sont utilisées pour minimiser toute discontinuité d'impédance le long de la trace.

Ajustement de longueur en dents de scie pour les signaux à haute vitesse : la règle “3W”.

Ajustement Accordéon

L'accordéonage est également souvent désigné sous le terme de réglage de longueur en serpentin. Plutôt que d'utiliser l'extension diagonale montrée ci-dessus, une extension orthogonale est utilisée afin que la longueur supplémentaire de réglage puisse être intégrée dans une plus petite distance le long de la trace droite.

La disposition ci-dessous utilise plusieurs extensions de trace de différentes distances. Cette méthode est souvent trouvée dans les applications impliquant un bus parallèle de nombreux signaux unifilaires ; l'exemple typique est la DDR. Ces signaux nécessitent une synchronisation dans le temps, mais ces traces ne font pas partie d'un bus différentiel, il n'y a donc pas d'exigence de phase précise entre les paires de traces. Par conséquent, l'emplacement des sections de réglage de longueur n'a pas d'importance puisque le composant récepteur ne fait pas la distinction entre le bruit en mode différentiel et le bruit en mode commun. C'est pourquoi le routage typique pour une interface DDR ressemblera à quelque chose comme le routage ci-dessous.

Accordéonage pour l'adaptation de longueur des signaux à haute vitesse.

Réglage en Trombone

Si vous travaillez avec des signaux de vitesse ou de fréquence plus faibles, vous pouvez vous contenter d'un ajustement de longueur en trombone sur des bus parallèles avec un NEXT minimal. Cette technique ne devrait pas être utilisée pour ajuster la longueur des paires différentielles. C'est une autre option souvent trouvée dans les bus parallèles, mais elle créera beaucoup plus de NEXT que l'ajustement de longueur en accordéon ou en dents de scie. La raison en est liée aux multiples virages à 90 et 180 degrés dans cette configuration de trace.

Si cela était utilisé dans une paire différentielle, il devrait être évident que la partie trombone alterne le couplage en mode différentiel et en mode commun entre chaque côté de la paire alors que le signal à une extrémité se déplace en avant et en arrière à travers le trombone. Les signaux passent essentiellement d'un mode de conduite en mode commun à un mode différentiel au fur et à mesure de leur propagation ; c'est la définition même de la conversion de mode. Tout comme avec les deux autres méthodes courantes d'ajustement de longueur, si vous devez utiliser l'ajustement en trombone, alors vous devriez seulement le mettre à l'extrémité de la paire différentielle où le désaccord apparaît.

Ajustement de longueur en trombone pour les signaux à haute vitesse.

Paires Différentielles vs. Simple Extrémité

Dans les trois méthodes mentionnées ci-dessus, vous devez faire attention à ne pas placer chaque section d'une section d'ajustement de longueur en serpentin trop près l'une de l'autre. L'extension à partir de la trace droite, et la distance entre les sections, détermine deux effets possibles sur l'intégrité du signal :

• Bus parallèles et paires différentielles : NEXT le long de la longueur de la structure
• Bus parallèles et paires différentielles : Réflexion du signal entrant dans la structure d'ajustement de longueur
• Pour les paires différentielles : Conversion de mode (passage entre le bruit en mode commun et le bruit en mode différentiel)

L'effet de diaphonie (NEXT) et les réflexions entrant dans une section d'ajustement de longueur vont distordre les signaux lorsqu'ils se déplacent le long de la section d'ajustement de longueur. L'effet de conversion de mode fait que le bruit en mode commun reçu avant la section d'ajustement de longueur apparaît comme du bruit en mode différentiel au niveau du récepteur. Howard Johnson fournit une explication intéressante de l'effet de diaphonie dans cet article.

Le tableau ci-dessous indique quand chaque méthode d'ajustement de longueur discutée ci-dessus est la plus appropriée à utiliser.

La vérification nécessite des simulations

Les directives présentées ici ne sont que cela : des directives. Peu importe la vitesse du signal ou le style d'ajustement de longueur avec lequel vous travaillez, il est généralement recommandé que chaque côté d'une paire différentielle soit routé de manière aussi symétrique que possible ; on comprend que cela n'est pas si simple pour les bus parallèles larges. Peu importe comment vous choisissez de router vos paires différentielles, vous devriez toujours vérifier le comportement de chaque signal dans une paire différentielle en utilisant des outils de simulation et, en fin de compte, en utilisant des mesures.

Il est également difficile de généraliser exactement laquelle de ces options est objectivement la "meilleure" pour l'ajustement de longueur. Quiconque a vu des règles empiriques échouer dans certaines situations sait que vous devriez toujours vérifier votre agencement, y compris l'appariement de longueur pour les signaux à haute vitesse, en utilisant des outils de simulation post-conception. Cela vous aide à examiner des problèmes importants d'intégrité de signal comme le diaphonie, la réflexion excessive du signal aux courbures, et le décalage dans les signaux différentiels ou à travers plusieurs pistes qui nécessitent une synchronisation précise.

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