Abbinamento della lunghezza per segnali ad alta velocità: accordatura a trombone, fisarmonica e sega dentata

C'era una volta, le linee guida per l'abbinamento delle lunghezze dei segnali ad alta velocità richiedevano un progettista con abbastanza competenze per rimanere produttivo quando applicava manualmente diversi schemi di regolazione della lunghezza delle tracce. Con le funzionalità avanzate di routing interattivo presenti negli strumenti moderni di progettazione PCB, i progettisti non hanno più bisogno di disegnare manualmente le strutture di sintonizzazione della lunghezza in un layout PCB. La scelta rimanente per un progettista è decidere quale schema di abbinamento delle lunghezze utilizzare: trombone, fisarmonica o routing a dente di sega.

Quindi, quale di queste diverse opzioni è la migliore per il tuo design ad alta velocità? Con tracce sufficientemente larghe (cioè, non nel regime HDI) e segnali limitati in banda vicino ai GHz, non dovrai preoccuparti delle complesse questioni di risonanza che troverai quando lavori con segnali analogici nei regimi mmWave e sub-mmWave. Tuttavia, devi ancora considerare alcuni punti importanti riguardo ai comportamenti della linea di trasmissione e dell'integrità del segnale quando si tratta di abbinamento delle lunghezze nel design PCB ad alta velocità.

Opzioni per l'Abbinamento delle Lunghezze per Segnali ad Alta Velocità

Sia che stiate lavorando con un bus parallelo che richiede l'adeguamento della lunghezza su più segnali, sia che abbiate bisogno semplicemente di abbinare la lunghezza tra due estremità di una coppia differenziale, dovrete utilizzare qualche metodo per l'adeguamento della lunghezza. A basse velocità, la differenza tra i vari stili di abbinamento della lunghezza è superficiale a causa del tempo di salita più lungo di tali segnali. Le differenze tra questi diventano più evidenti a velocità di commutazione più elevate, dove l'impedenza in ingresso guardando nella struttura di adeguamento della lunghezza diventa notevole e inizia a creare diversi livelli di conversione di modo nelle varie strutture ad alte frequenze.

Quando si seleziona un'opzione di adeguamento della lunghezza, dobbiamo considerare due punti importanti:

• Il bus è single-ended o parallelo?
• L'impedenza del bus è controllata?
• Quanto disallineamento può essere tollerato?

Le strutture di adeguamento della lunghezza creeranno sempre tre problemi: disallineamento dell'impedenza in modo dispari, NEXT e conversione di modo nelle coppie differenziali. Di seguito ho presentato tre opzioni comuni di adeguamento della lunghezza trovate nei layout di PCB ad alta velocità.

Sawtooth Tuning

L'esempio più popolare di regolazione della lunghezza è il tuning a dente di sega, talvolta chiamato anche tuning serpentinato. Le linee guida incluse qui riflettono l'intento originale di questa struttura di regolazione della lunghezza, che è quello di limitare la conversione di modo e l'apparizione di diafonia tra le sezioni estese.

Nell'esempio di tuning a dente di sega qui sotto, non ci sono curve morbide lungo la traccia. La traccia dovrebbe essere spaziata con precisione, come mostrato di seguito. Prima di tutto, c'è una regola “S-2S” che è stata utilizzata qui sotto; questa era originariamente intesa per assicurare che pieghe a 45 gradi siano utilizzate lungo la lunghezza della traccia regolata in lunghezza. La regola “3W” (da non confondere con la regola di prevenzione della diafonia con lo stesso nome!) è davvero un limite superiore; la lunghezza della parte estesa del dente di sega potrebbe variare da W a 3W, anche se alcune linee guida differiscono su questa regola. Queste dimensioni sono utilizzate per minimizzare qualsiasi discontinuità di impedenza lungo la lunghezza della traccia.

Abbinamento della lunghezza a dente di sega per segnali ad alta velocità: la regola “3W”.

Accordatura ad Accordion

La taratura dell'accordion è spesso denominata anche taratura della lunghezza a serpentina. Piuttosto che utilizzare l'estensione diagonale mostrata sopra, si utilizza un'estensione ortogonale in modo che la lunghezza di taratura aggiuntiva possa essere inserita in una distanza minore lungo il tracciato rettilineo.

Il layout mostrato di seguito utilizza molteplici estensioni del tracciato di diverse distanze. Questo metodo si trova spesso in applicazioni che coinvolgono un bus parallelo di molti segnali single-ended; l'esempio tipico è DDR. Questi segnali necessitano di sincronizzazione nel tempo, ma questi tracciati non fanno parte di un bus differenziale, quindi non c'è un requisito di fase preciso tra coppie di tracciati. Pertanto, non importa dove posizioniamo le sezioni di taratura della lunghezza poiché il componente ricevente non distingue tra rumore in modo differenziale e rumore in modo comune. Questo è il motivo per cui il routing tipico per un'interfaccia DDR assomiglierà a qualcosa come il routing qui sotto.

Abbinamento della lunghezza dell'accordion per segnali ad alta velocità.

Taratura del Trombone

Se stai lavorando con segnali a bassa velocità o bassa frequenza, puoi utilizzare l'accordatura a trombone su bus paralleli con un minimo di NEXT. Questa tecnica non dovrebbe essere utilizzata per l'accordatura della lunghezza delle coppie differenziali. Questa è un'altra opzione che si trova spesso nei bus paralleli, ma creerà molto più NEXT rispetto all'accordatura della lunghezza a fisarmonica o a dente di sega. Il motivo di ciò è legato ai molteplici giri a 90 e 180 gradi in questa configurazione di traccia.

Se questa fosse utilizzata in una coppia differenziale, dovrebbe essere ovvio che la parte a trombone alterna l'accoppiamento in modo differenziale e in modo comune tra ciascun lato della coppia mentre il segnale su un'estremità si muove avanti e indietro attraverso il trombone. I segnali passano essenzialmente da un modo comune a un modo differenziale mentre si propagano; questa è la definizione stessa della conversione di modo. Proprio come con gli altri due metodi comuni di corrispondenza della lunghezza, se devi usare l'accordatura a trombone, allora dovresti posizionarla solo alla fine della coppia differenziale dove si verifica la discrepanza.

Accordatura della lunghezza a trombone per segnali ad alta velocità.

Coppie Differenziali vs. Single-Ended

In tutti e tre i metodi sopra menzionati, dovresti fare attenzione a non posizionare ogni sezione di una sezione di abbinamento della lunghezza serpentina troppo vicina l'una all'altra. L'estensione lontano dalla traccia rettilinea e la distanza tra le sezioni determinano due possibili effetti sull'integrità del segnale:

• Bus paralleli e coppie differenziali: NEXT lungo la lunghezza della struttura
• Bus paralleli e coppie differenziali: Riflessione del segnale che entra nella struttura di accordatura della lunghezza
• Per le coppie differenziali: Conversione di modalità (passaggio tra rumore in modalità comune e rumore in modalità differenziale)

L'effetto di diafonia (NEXT) e le riflessioni che entrano in una sezione di accordatura della lunghezza distorceranno i segnali mentre viaggiano lungo la sezione di abbinamento della lunghezza. L'effetto di conversione di modalità fa sì che il rumore in modalità comune ricevuto prima della sezione di accordatura della lunghezza appaia come rumore in modalità differenziale al ricevitore. Howard Johnson fornisce una spiegazione interessante per l'effetto di diafonia in questo articolo.

La tabella sottostante delinea quando ciascuno dei metodi di accordatura della lunghezza discussi sopra è più appropriato da utilizzare.

La verifica richiede simulazioni

Le linee guida presentate qui sono proprio questo: linee guida. Indipendentemente dalla velocità del segnale o dallo stile di accordatura della lunghezza con cui lavori, è generalmente consigliato che ciascun lato di una coppia differenziale sia instradato il più simmetricamente possibile; è comprensibile che ciò non sia così semplice per bus paralleli ampi. Non importa come scegli di instradare le tue coppie differenziali, dovresti sempre verificare il comportamento di ogni segnale in una coppia differenziale utilizzando alcuni strumenti di simulazione e, in ultima analisi, utilizzando misurazioni.

È anche difficile generalizzare esattamente quale di queste opzioni sia oggettivamente "migliore" per l'accordatura della lunghezza. Chiunque abbia visto fallire le regole empiriche in certe situazioni sa che dovresti sempre controllare il tuo layout, inclusa la corrispondenza della lunghezza per segnali ad alta velocità, utilizzando strumenti di simulazione post-layout. Questo ti aiuta ad esaminare importanti problemi di integrità del segnale come il diafonia, la riflessione eccessiva del segnale nelle curve e lo sfasamento nei segnali differenziali o tra più tracce che richiedono una sincronizzazione precisa.

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