Qual è l'impedenza delle strutture di regolazione della lunghezza?

Di recente, ho ricevuto un'ottima domanda da un utente su YouTube che chiedeva informazioni sulle strutture di routing per coppie differenziali e regolazione della lunghezza. La domanda (parafrasata) è la seguente:

Le strutture di regolazione della lunghezza creano una discontinuità di impedenza?

La risposta è un "sì" inequivocabile, ma ciò potrebbe non influire sulla tua progettazione, a seconda di diversi fattori. L'impedenza single-ended di una traccia in una coppia differenziale dipenderà dalla distanza dall'altra traccia e l'applicazione di una struttura di regolazione della lunghezza equivale alla modifica della distanza fra le tracce durante l'inserimento di meandri. Pertanto, si avrà un cambiamento nell'impedenza in modalità dispari di una singola traccia.

La domanda diventa quindi: questa deviazione dell'impedenza della traccia in una struttura di regolazione della lunghezza è importante? Influirà sul comportamento di propagazione del segnale e sull'integrità del segnale? Certamente, e in qualità di progettista di PCB ad alta velocità, è tuo compito determinare in che misura basarti sulla regolazione della lunghezza per compensare la distorsione/il jitter nelle tue coppie differenziali.

Le strutture di regolazione della lunghezza possono creare discontinuità di impedenza

Come accennato in precedenza, l'applicazione di strutture di regolazione della lunghezza su un lato di una coppia differenziale creerà discontinuità di impedenza. Questi si verificano a causa dei seguenti fattori:

1. L'impedenza single-ended (modalità dispari) e l'impedenza differenziale vengono impostate selezionando la larghezza della traccia E la distanza fra le tracce
2. L'applicazione di una struttura di regolazione della lunghezza crea una variazione nella distanza fra le tracce della coppia, pertanto vi sarà una modifica dell'impedenza su una traccia
3. Questa variazione di impedenza provoca riflessioni dal lato di input della coppia differenziale
4. La velocità del segnale su un'estremità della coppia sarà diversa nella struttura di regolazione della lunghezza rispetto alla regione con le tracce che corrono in parallelo

Come risultato del punto n. 2, si verificherà una certa riflessione quando il segnale entra nella sezione di sintonizzazione della lunghezza. La sezione di regolazione della lunghezza può anche creare una conversione di modalità che non viene presa in considerazione nel processo di ritardo di sincronizzazione.

L'immagine seguente riassume il comportamento del segnale osservato in una coppia differenziale a causa della presenza di una struttura di equalizzazione delle lunghezze. L'immagine seguente mostra una situazione in cui stiamo instradando due diverse coppie differenziali su un laminato con Dk = 4,1 e spessore del substrato di 3,8 mil. La larghezza, la spaziatura e le impedenze di ciascuna traccia vengono visualizzate lungo la lunghezza dei due percorsi.

Prima della sezione di sincronizzazione della lunghezza, l'impedenza in modalità dispari delle tracce in ciascuna coppia è di 50 Ohm, pertanto l'impedenza differenziale di ciascuna coppia è di 100 Ohm. All'interno della sezione di sincronizzazione della lunghezza, abbiamo qualcosa di diverso. Nella coppia con una spaziatura maggiore (10 mil), una sezione di sincronizzazione della lunghezza di 21 mil ha piccole serie di tracce con impedenza in modalità dispari di 53 Ohm. Nella coppia con una spaziatura più piccola (5 mil), le piccole tracce nella nostra sezione di sincronizzazione della lunghezza 21 mil hanno un'impedenza in modalità dispari di 58,5 Ohm.

È una grande differenza! Diminuendo la distanza tra le coppie di soli 5 mil, la deviazione dell'impedenza passa dal 6% al 17%.

Il risultato è semplice: per una sezione di sincronizzazione della lunghezza con una data ampiezza (21 mil in questo caso), la deviazione dell'impedenza dovuta alla sincronizzazione della lunghezza è minore quando le coppie partono da una distanza maggiore. Questo è un altro motivo per non "accoppiare strettamente" le coppie differenziali con una spaziatura molto piccola, poiché essa è effettivamente vantaggiosa per l'integrità del segnale.

Le deviazioni dell'impedenza di input creano riflessioni

All'interno della sezione di sincronizzazione della lunghezza, si nota una certa deviazione dell'impedenza, quindi potrebbe esserci una mancata corrispondenza dell'impedenza di input. Proprio come nel caso di qualsiasi altra discontinuità di impedenza lungo una linea di trasmissione, la discontinuità potrebbe non avere importanza a basse frequenze, ma sarà molto importante ad alte frequenze.

Come si risolve questo problema? Ci sono tre possibilità:

1. Utilizzare una spaziatura più ampia tra le tracce nella coppia per ridurre al minimo la mancata corrispondenza
2. Provare a eseguire l'instradamento in modo che siano necessarie solo brevi sezioni di sincronizzazione della lunghezza
3. Aumentare la larghezza della traccia solo nella regione debolmente accoppiata

La prima opzione è di gran lunga la più semplice. La seconda opzione richiede semplicemente l'installazione di un jitter leggermente più grande sul ricevitore, il che potrebbe non essere possibile senza riprogettare l'instradamento. La terza opzione non è facilmente automatizzabile, ma è la più efficace per far corrispondere l'impedenza di input della sezione di sincronizzazione della lunghezza all'impedenza della sezione in parallelo.

Le deviazioni del ritardo di propagazione creano una conversione di modalità

Nell'immagine precedente, ho mostrato l'impedenza, ma non ho mostrato la variazione del ritardo di propagazione in ciascuna sezione. Poiché l'impedenza è diversa, anche il ritardo di propagazione sarà diverso. L'immagine seguente riassume il ritardo di propagazione in ciascuna regione delle due sezioni di regolazione della lunghezza mostrate sopra.

Qui vediamo che la coppia con una spaziatura più ampia è anche superiore in termini di deviazione nel ritardo di propagazione. La coppia distanziata di 10 mil presenta un aumento del ritardo di propagazione del 2,4%, mentre la coppia distanziata di 5 mil presenta un aumento del ritardo di propagazione del 4,4%. Anche in questo caso, si tratta di una differenza notevole e dovrebbe illustrare la superiorità di una spaziatura leggermente più ampia tra i due lati della coppia differenziale.

Quindi, a chi importa se il ritardo di propagazione varia di pochi ps per pollice nelle sezioni di lunghezza corrispondente? Il problema è nella sezione verticale, che avrà un ritardo di propagazione che non corrisponde a nessuno dei valori sopra indicati. Una volta applicata la sincronizzazione della lunghezza, il risultato è la conversione di modalità, ovvero la conversione del rumore di modo comune in rumore di modo differenziale. Osserva l'esempio della nostra coppia con distanza più ampia mostrato di seguito.

Il motivo è che gli strumenti di sincronizzazione della lunghezza non utilizzano il ritardo di propagazione modificato per la sincronizzazione della lunghezza basata sul tempo. Piuttosto, utilizzano il valore del ritardo di propagazione che presuppone che le due tracce siano instradate in parallelo. Nell'esempio precedente per la coppia distanziata di 10 mil, lo strumento di routing utilizza 145,34 ps/in per applicare il valore di sincronizzazione della lunghezza, ma il vero ritardo di propagazione è in un punto compreso tra 145,34 ps/in e 148,89 ps/in.

In altre parole, lo strumento di sincronizzazione della lunghezza presuppone che il segnale viaggi più velocemente lungo la sezione di sincronizzazione della lunghezza di quanto non faccia in realtà. Il risultato è una mancata corrispondenza residua nella risposta di fase per ogni traccia nella coppia. La mancata corrispondenza di fase è anche maggiore se c'è una maggiore discrepanza di sincronizzazione da compensare. La fase rimanente persiste anche se le sezioni di sincronizzazione della lunghezza hanno esattamente la stessa lunghezza, quindi è necessario applicare una sezione di sincronizzazione di lunghezza maggiore per eliminare la mancata corrispondenza di fase rimanente, e la coppia più ravvicinata richiederà una regolazione di lunghezza aggiuntiva ancora maggiore per compensare la fase. Ciò porta a un circolo vizioso di riflessione sempre maggiore.

Possiamo osservare il fenomeno se calcoliamo la risposta di fase di ciascuna coppia (fase di S21 e S43, o fase della funzione di trasferimento) dalla funzione di trasferimento di questa coppia differenziale. Il grafico seguente confronta la fase della funzione di trasferimento per la coppia distanziata di 10 mil con la sincronizzazione della lunghezza inclusa, come mostrato in precedenza.

Perché preoccuparsi di questo? Il problema non è necessariamente la distorsione residua; ottenere due tracce in una coppia differenziale esattamente della stessa lunghezza sarà sufficiente ad allineare le oscillazioni del segnale su ciascun lato della coppia, riducendo al minimo il jitter totale. Il problema con la risposta di fase è che la capacità totale di riduzione del modo comune del ricevitore potrebbe essere ridotta, a seconda della larghezza di banda del ricevitore come definita dalla frequenza di Nyquist. Se la differenza nella risposta di fase è estrema e si estende al di sotto della frequenza di Nyquist, il ricevitore non sarà in grado di sopprimere completamente il rumore di modo comune. È prevista una riduzione di circa 10 dB al di sotto della frequenza di Nyquist sulle sezioni di sincronizzazione della lunghezza più lunga.

Riepilogo e regole generali

La complessità del calcolo della deviazione dell'impedenza e la distorsione ad alta frequenza in una struttura di sincronizzazione della lunghezza fanno sì che sia difficile tenerne conto attraverso un calcolo induttivo con la formula standard dell'impedenza di input. 

Da quanto visto finora, dovrebbe risultare chiaro che l'accoppiamento stretto tra coppie differenziali è un'arma a doppio taglio. Dalla discussione precedente, possiamo identificare due regole generali adatte per lavorare con strutture di sincronizzazione della lunghezza:

1. Se è necessario applicare la sincronizzazione della lunghezza, opta per una spaziatura leggermente più ampia tra le coppie, in quanto ciò ridurrà le deviazioni di impedenza e il ritardo di propagazione.
2. Quando applichi una sincronizzazione della lunghezza, prova a mantenerla corta per ridurre al minimo le riflessioni e la conversione di modalità.

La seconda regola equivale alla linea guida: "posiziona percorsi diretti tra i componenti". Arrivare a una buona regola generale è un po' difficile, perché è necessario mettere in relazione 3 variabili (tempo di salita, spaziatura e distanza di sincronizzazione della lunghezza), ma è un argomento che mi interessa e di cui scriverò più spesso in futuro.

Se hai già stabilito che hai bisogno della doppia terminazione (accoppiamento CC o CA) e hai già pianificato il routing in modo da assicurarti di instradare direttamente al componente del ricevitore, puoi utilizzare un accoppiamento più stretto; assicurati solo che il valore dell'impedenza in modalità dispari delle tue tracce soddisfi il valore di terminazione richiesto all'ingresso del ricevitore. E, naturalmente, assicurati di testare il design del tuo canale, idealmente con una scheda di prova su uno stack-up simile!

Quando sei pronto per instradare le tue coppie differenziali e applicare rapidamente le strutture di sincronizzazione della lunghezza, utilizza il miglior set di funzionalità di instradamento e progettazione in Altium Designer®. Puoi anche ottenere calcoli di impedenza estremamente accurati con un'utility di field solver integrata nel Layer Stack Manager durante la creazione dello stack-up PCB. Quando sei pronto a condividere le tue progettazioni complete con collaboratori o produttori, puoi farlo tramite la piattaforma Altium 365™. Tutto ciò di cui hai bisogno per progettare e produrre elettronica avanzata è disponibile in un unico pacchetto software.

Questo è solo un assaggio di tutto ciò che è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Inizia oggi stesso la tua prova gratuita di Altium Designer + Altium 365.