Confronto tra routing switchback e routing delle tracce a serpentina per la massima densità

Hai mai guidato attraverso un passo di montagna tortuoso? Quando ero studente, c'era una strada secondaria che si snodava avanti e indietro mentre si saliva su una piccola montagna. Questo tipo di fondo stradale viene utilizzato anche per instradare le tracce nei PCB. Questo stile di instradamento, chiamato routing switchback, può essere utilizzato per l'abbinamento lunghezza/ritardo in sostituzione di o insieme a altre modalità di regolazione della lunghezza.

Con tutti i diversi stili di ottimizzazione della lunghezza e del routing disponibili negli strumenti di progettazione PCB, potrebbe non essere ovvio quando il routing switchback è una scelta migliore rispetto ad altre modalità di regolazione della lunghezza. In effetti, alcuni produttori di componenti consigliano esplicitamente di utilizzare il routing switchback o trombone con i rispettivi componenti. Diamo un'occhiata al routing switchback, agli stili di layout e ad alcuni dei vantaggi che offrono.

Che cos'è il routing switchback?

Il routing switchback è uno stile di layout e di regolazione della lunghezza della traccia del PCB che incorpora una serie di inversioni a U nella traccia mentre viene instradata verso la sua destinazione. Il routing switchback è talvolta chiamato a fisarmonica o a trombone. A volte viene utilizzato anche alternandolo con il routing a serpentina. Se si guardano alcuni stili di routing switchback, si noteranno alcuni interessanti schemi di tracce in entrambe le direzioni che non assomigliano ai tipici stili a trombone e a serpentina.

Il sostituto più vicino al routing switchback è il tipico stile a serpentina, in cui le tracce sono serpeggianti trasversalmente (perpendicolari) alla direzione della traccia. Nel routing switchback, le inversioni a U successive vengono utilizzate per percorrere la lunghezza della traccia in direzione longitudinale, anziché in direzione trasversale, come nel caso della serpentina. Gli strumenti CAD di alta qualità consentono di utilizzare entrambi gli stili di routing per aumentare la densità di traccia o per il ritardo di sincronizzazione/la regolazione della lunghezza dei collegamenti di segnale in parallelo.

Ogni stile di routing offre alcuni particolari vantaggi in termini di accoppiamento, densità della traccia e integrità del segnale. Nei casi di schede molto complesse non è raro trovare un mix di stili di routing di tipo a serpentina, trombone e switchback, nel tentativo di racchiudere le tracce nel minor spazio possibile. L'immagine seguente mostra proprio un mix di questi diversi stili di routing per un'interfaccia di memoria LPDDR3.

Quando utilizzare il routing switchback rispetto al routing a serpentina

Se si esaminano alcune note applicative per componenti diversi o alcune regole di progettazione, è possibile trovare alcune linee guida per il dimensionamento di un modello di routing switchback. Alcune di queste note applicative indicheranno esplicitamente che è necessario utilizzare il routing switchback (piuttosto che qualche altro stile di regolazione della lunghezza) per garantire la corrispondenza della lunghezza e la corrispondenza del ritardo sul ricevitore per coppie differenziali o attraverso un'interfaccia in parallelo.

Vantaggi del routing switchback

Uno dei vantaggi principali del routing switchback rispetto a quello a serpentina è che consente di compensare lo skew con una corrispondenza di lunghezza più breve. L'immagine di esempio seguente mostra i modelli di routing switchback e a serpentina corrispondenti alla lunghezza. Questi due schemi sono progettati per compensare la stessa quantità di skew, garantendo al contempo la massima densità di instradamento grazie allo sfalsamento dei segmenti di corrispondenza della lunghezza. Il modello switchback richiede una lunghezza totale inferiore rispetto al modello a serpentina per un dato livello di requisito di compensazione dell'inclinazione.

Per i bus paralleli con corrispondenza della lunghezza, di solito si usa una combinazione dei due approcci per mantenere l'area di instradamento complessiva del bus ragionevolmente piccola, come nel caso dell'instradamento dell'interfaccia in parallelo mostrato sopra.

Svantaggi del routing switchback nelle coppie differenziali

Si noti che il routing switchback non è sempre la scelta migliore per le coppie differenziali, specialmente quando le coppie sono ravvicinate e il riferimento di massa è più lontano in un dielettrico più spesso. Sebbene sia possibile mantenere la lunghezza totale del percorso più breve, ogni sezione utilizzata per l'abbinamento di lunghezza applica un'interruzione dell'impedenza e la magnitudine della discontinuità dipende dalla spaziatura tra le sezioni rette della coppia differenziale. All'interno della sezione regolata in base alla lunghezza, l' impedenza di modo dispari in quella sezione sarà leggermente più alta rispetto alle sezioni strettamente distanziate.

Ho discusso i motivi della deviazione dell'impedenza in modalità dispari in questo articolo.

C'è anche un problema di conversione della modalità, che si avrà ogni volta che si verifica un'asimmetria lungo una coppia differenziale. All'interno della regione di switchback, l'accoppiamento richiesto passa dal modo differenziale al modo comune quando il segnale attraversa quella regione. La conversione della modalità fa sì che una parte del rumore di modo comune appaia come rumore di modo differenziale al ricevitore, la quantità di conversione diventa maggiore alle frequenze più alte.

Se viene indotto del rumore nella regione di switchback, potrebbe non essere visto come un comune rumore della modalità sul ricevitore. Anche nel caso in cui le regioni di switchback non siano sfalsate, è difficile mantenere un accoppiamento stretto, a meno che le regioni di switchback non siano instradate in modo ravvicinato e si seguano reciprocamente per tutta la lunghezza della coppia. L'uso di uno schema di regolazione della lunghezza a serpentina per abbinare le tracce in una coppia differenziale è una scelta migliore della serpentina, a meno che lo spazio disponibile lungo il percorso non rappresenti un problema. Sacrificherai la densità in cambio di una maggiore soppressione del rumore in modalità comune e di una minore conversione di modalità.

In generale, mantieni al minimo la regolazione della lunghezza

Riassumendo in breve, sono due i motivi per mantenere brevi le sezioni di regolazione della lunghezza ove possibile:

1. Per mantenere un'impedenza costante su tutta la lunghezza
2. Per impedire la conversione della modalità

Entrambi questi effetti possono essere visti nel dominio del tempo utilizzando una traccia di riflettometria nel dominio del tempo (TDR) o nei risultati della simulazione. Qualsiasi risolutore di campi che lavora direttamente dai dati di layout può mostrarti questo effetto. In una traccia TDR, una discontinuità di impedenza capacitiva può essere vista sulla struttura a causa delle riflessioni. Diminuendo la distanza tra ciascuna sezione di commutazione aumenterà questa discontinuità di impedenza capacitiva. Questo punto, così come la distorsione prodotta nei switchback, dovrebbe illustrare la natura complessa di queste strutture e i vari compromessi coinvolti nel routing switchback:

• Strutture di ritardo più brevi riducono la distorsione, ma c'è una maggiore discontinuità di impedenza quando il passo tra ogni inversione a U è più piccolo.
• Una struttura di ritardo può essere allungata con una spaziatura inferiore per ridurre una discontinuità di impedenza, ma potrebbe verificarsi un certo livello di distorsione.

Ovviamente, questi fattori sono in competizione con la necessità di ridurre lo skew e garantire la corrispondenza dell'oscillazione del segnale. Potrebbe esserci uno skew aggiuntivo che si verifica tra le due tracce di una coppia differenziale, ma abbinando strettamente la lunghezza ti assicurerai che il collegamento sopravviva ancora a questo skew aggiuntivo.

Diafonia in strutture di switchback single-ended

Ovviamente, entrambi gli stili di routing, a serpentina e switchback, includono la stessa struttura di inversione a U e la regione di regolazione della lunghezza può fungere da area di accoppiamento sia per la diafonia near-end (NEXT) che per la diafonia far-end (FEXT) quando un segnale veloce entra nella struttura del ritardo. NEXT ha una regione di accoppiamento limitata in microstrisce e stripline, ma, in entrambi i casi, l'applicazione di una struttura di regolazione della lunghezza può ridurre la distanza tra i due collegamenti. Il risultato è una forte diafonia in quell'area. Se il segnale è abbastanza veloce e se la regione di accoppiamento è abbastanza lunga, l'accoppiamento potrebbe produrre la diafonia massima in quella regione.

Questo è un altro motivo per cui è meglio instradare le coppie differenziali su dielettrici più sottili con un riferimento di massa sul layer adiacente. Sebbene sia possibile instradare tecnicamente una coppia differenziale sopra una regione senza terra purché le coppie siano ravvicinate, il piano di massa fornisce un'importante funzione di riduzione dell'induttanza della traccia e quindi della porzione accoppiata induttivamente della diafonia. Questo vale per qualsiasi tipo di struttura instradata (switchback o a serpentina).

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