Odstępy między parami różnicowymi a przeploty w projektowaniu PCB

Przesłuch jest fundamentalnym aspektem integralności sygnału, zarówno w ścieżkach jednostronnych, jak i różnicowych. Odległość między liniami sygnałowymi w każdej konfiguracji trasowania jest definiowana przy użyciu typowych reguł, które można łatwo zdefiniować jako zasady projektowania w oprogramowaniu do projektowania PCB. Jedną z reguł dla definiowania odstępu między parami różnicowymi jest reguła "5S", czasami nazywana regułą "5W" w notatkach aplikacyjnych i innych wytycznych projektowania PCB.

Reguła 5S stanowi, że odstęp między parami różnicowymi powinien być 5 razy większy niż szerokość każdej ścieżki w parze. Gdy wymagane jest gęste trasowanie dla wielu par różnicowych, przesłuch między parami różnicowymi staje się ważną kwestią i potrzebujemy sposobu na analizę odstępu między wieloma parami. Okazuje się, że jest to funkcja wysokości par względem najbliższej płaszczyzny masy. Przyjrzyjmy się temu bliżej i zobaczmy, jak możemy określić odpowiedni odstęp między parami różnicowymi, aby zapobiec przesłuchowi różnicowemu.

Co to jest przesłuch różnicowy?

Jak sama nazwa wskazuje, różnicowe przeploty to analog różnicowy przeplotów jednostronnych, odnoszący się do form przeplotów między parami różnicowymi, lub do przeplotów generowanych na ścieżce jednostronnej przez parę różnicową. Dwa typy przeplotów występujących między parami jednostronnymi (NEXT i FEXT) również występują między parami różnicowymi. Silne różnicowe przeploty mogą być indukowane pojemnościowo i indukcyjnie, w zależności od częstotliwości i geometrii struktury.

Całkowite pole widoczne w pewnej odległości bocznej od pary jest sumą pól z dwóch par. Ponieważ dwa końce pary różnicowej mają pewne odstępy między sobą, całkowite pole widoczne w pewnej odległości bocznej od pary różnicowej nie jest równe zero. Co więcej, siła pola elektromagnetycznego z dala od dwóch ścieżek jest większa, gdy dwie pary różnicowe mają większe odstępy.

To motywuje do sformułowania pewnej reguły, która jest używana do definiowania odstępu między parami różnicowymi. Z powyższej dyskusji, i po prostu wiedząc, że siła pola maleje w miarę oddalania się od pary, naturalnie sformułowałoby się następujące wymagania dotyczące układu par różnicowych:

• Odstęp między dwiema parami różnicowymi powinien być proporcjonalny do odstępu między każdą ścieżką w parze.
• Odstępy między dwoma parami różnicowymi powinny być w pewien sposób proporcjonalne do odległości między każdą parą a jej płaszczyzną odniesienia (jeśli taka istnieje).

Spójrzmy na poniższą geometrię dla dwóch par różnicowych i określmy crosstalk w trybie różnicowym między nimi. Prawdopodobnie myślisz, że cały sens par różnicowych to tłumienie szumów; chociaż jest to prawda dla szumów wspólnych, różnica w natężeniu pola między dwoma ścieżkami w parze ofiarnej wyprodukuje różne poziomy szumów w każdej parze, pojawiając się jako szumy w trybie różnicowym na odbiorniku.

Korzystając z parametrów odstępu par różnicowych pokazanych powyżej, można użyć dwóch podejść do ilościowego określenia crosstalku różnicowego:

• Model oparty na natężeniu pola

Obliczanie siły crosstalku różnicowego w modelu pierwszego rzędu

W powyższej dyskusji nie uwzględniono jednego aspektu: wysokości ścieżki nad jej płaszczyzną odniesienia oraz dokładnego rozmieszczenia ścieżek w parze. Podobne rozważania można by przeprowadzić dla par różnicowych w technologii stripline. Tutaj chcielibyśmy określić siłę przeplotu różnicowego jako funkcję geometrii. Podejście przedstawione tutaj ściśle podąża za podejściem przedstawionym przez Douga Brooksa. Zazwyczaj robi się to, definiując współczynnik przeplotu z modelu obwodu. Problem z tymi modelami polega na tym, że nie uwzględniają one siły pola przy ścieżce ofiary jako funkcji odległości między agresorem a ofiarą.

W powyższym modelu możemy zdefiniować współczynnik przeplotu C jako funkcję odstępu między ścieżkami S oraz wysokości nad płaszczyzną odniesienia H. Wygodnie jest zdefiniować współczynnik przeplotu jako funkcję stosunku (S/H). W takim przypadku współczynnik przeplotu jednokierunkowego między dwoma ścieżkami oddzielonymi odległością S o przeciwnych polaryzacjach wynosi:

Tutaj, k jest stałą proporcjonalności, która jest związana z czasem narastania sygnału na linii agresora, funkcją przejścia linii ofiary oraz stałą dielektryczną podłoża. Osoba, która uczęszczała na zajęcia z elektromagnetyzmu, będzie wiedziała, że ten model opiera się na sile pola elektrycznego wokół przewodu nad przewodzącą płaszczyzną. Jak wkrótce zobaczymy, wartość C może być użyta do zdefiniowania stosunku szumów wspólnych do różnicowych generowanych na śladzie ofiary dla danego stosunku (S/H). Odbiornik różnicowy wyeliminuje szumy wspólne, więc chcielibyśmy zminimalizować szumy różnicowe.

Różnicowe sprzężenie zwrotne definiuje się, obliczając sumy i różnice w współczynnikach sprzężeń zwrotnych. Dla pokazanego układu, sprzężenie zwrotne między jedną parą różnicową a jednym śladem w parze ofiary to po prostu suma ich współczynników. Należy zauważyć, że dla dowolnej wartości odstępu między parami różnicowymi, wystarczy zastosować transformację skali S → S(1+x). Różnicowe sprzężenie zwrotne to po prostu różnica w współczynnikach sprzężeń zwrotnych dla śladów ofiary:

Jeśli przedstawimy to jako funkcję x dla różnych wartości (S/H), zauważymy, że odległość między dwoma parami może być zmniejszona, gdy ścieżki są bliżej płaszczyzny masy. Poniższy obrazek pokazuje taki wykres dla k = 1; zwiększenie k po prostu przesuwa te krzywe w górę osi y. Jest to robione, aby spełnić określone wymagania dotyczące różnicowego przeplotu. Na przykład, załóżmy, że wymagasz współczynnika różnicowego przeplotu na poziomie 0,002; jeśli ścieżki są dalej od najbliższej płaszczyzny masy, wtedy wymagane jest większe rozstawienie, aby zapewnić osiągnięcie tego celu projektowego.

Przyjrzyj się również, co się dzieje, gdy (S/H) = 0,5; maksymalny współczynnik przeplotu nie zawsze występuje, gdy x = 0. W zależności od Twojego celu projektowego, możesz umieścić ścieżki bliżej siebie i zobaczyć ten sam poziom różnicowego przeplotu, co w przypadku, gdy ścieżki są dalej od siebie.

Możesz się zastanawiać: co z szerokością ścieżki? Szerokość ścieżki jest ważna, ponieważ określa impedancję jednostronną i różnicową, pojemność oraz indukcyjność. Dla danej specyfikacji impedancji różnicowej, zmiana odległości między parami różnicowymi i grubości podłoża wymusza zmianę szerokości ścieżki, aby utrzymać tę samą wartość impedancji w trybie nieparzystym.

Ostatecznie należy zauważyć, że brakuje ważnego parametru w powyższym modelu: stałej dielektrycznej. Pokazałem w innych symulacjach i filmach, że wartość stałej dielektrycznej ma również znaczenie dla wpływu na przeplot różnicowy, i to jest jeden z powodów, dla których projekty o wyższej prędkości wybierają niższe wartości Dk w niektórych warstwach. Aby zobaczyć efekty wartości Dk na przeplot różnicowy, można spróbować wprowadzić wartość Dk z powrotem do powyższego modelu współczynnika przeplotu, lub należałoby spojrzeć na parametry S dla połączenia międzyelementowego, obliczone za pomocą rozwiązania pola elektromagnetycznego.

Parametry S z wieloma portami dla przeplotu różnicowego

Gdy używasz solvera pola do obliczania różnicowego przeplotu, będziesz korzystać z wyników w dziedzinie czasu (pokazujących impulsy wprowadzone do poszkodowanego połączenia międzywęzłowego) oraz parametrów S, aby ilościowo określić szerokopasmowy różnicowy przeplot. Pierwsze z nich to standardowe podejście symulacyjne, które jest implementowane w Altium Designer dla ścieżek jednostronnych, ale nie dla ścieżek różnicowych. Drugie jest możliwe do obliczenia tylko za pomocą solvera pola elektromagnetycznego.

W poniższych wynikach symulacji pokazuję zestaw krzywych parametrów S wyekstrahowanych za pomocą Simbeor dla dwóch komercyjnych laminatów (Megtron 7 i Megtron 8) na cienkich warstwach. Odległość między parami w obrębie pary została ustawiona równa szerokości ścieżek w parze (S = W). Odległość krawędź do krawędzi między parami była zmienna z 1W, 2W i 3W. Zmieniano również grubość dielektryka między 1,5 mil a 3 mil.

Wyniki dla Megtron 7

Wyniki dla Megtron 8

Wyniki powinny być bardzo interesujące, ponieważ pokazują, że samo przybliżenie masy do par różnicowych i utrzymanie tej samej odległości krawędzi 1W między parami różnicowymi nie redukuje automatycznie przeplotu. Wynika to z faktu, że utrzymanie 1W znacząco zmniejsza odstęp między parami. Jednak przejście z grubości 1W/3 mil do 2W/1,5 mil nadal redukuje przeplot i nadal tworzy trasowanie o wyższej gęstości. To jest dokładnie to, czego chcielibyśmy, gdybyśmy rozwijali płytę HDI z wieloma szybkimi interfejsami wychodzącymi z głównego procesora. 

Możemy to zobaczyć na podstawie prostego obliczenia z szerokością/odstępem ścieżki w parze i wartościami odstępu między parami dla laminatów 3 mil i 1,5 mil.

• 3 mil Meg7 przy odstępie 1W, S/H = 0,75, i S = 2,249 mil
  • Początkowo Xtalk = 10,84%
• 1,5 mil Meg7 przy odstępie 2W, S/H = 0,51, i S = 0,765 mil
  • Początkowo Xtalk = 6,82%

To oznacza, że gęstość nadal wzrosła o 63%, nawet gdy odstęp między parami różnicowymi zwiększono do 2W. Gdybyśmy zwiększyli odstęp między parami do 3W, nadal mielibyśmy duży wzrost gęstości trasowania.

Istnieje jeszcze jeden bardzo ważny efekt, na który zwróciłem uwagę w powyższych danych: ograniczenie pasma. Ograniczenie pasma zdefiniowane powyżej jest widoczne na wykresie strat zwrotnych dla połączeń; gdy strata zwrotna osiąga -10 dB, jest to definiowane jako limit pasma dla kanału. Możemy zobaczyć, że we wszystkich powyższych przypadkach, efekt ograniczenia pasma w kanałach jest zmniejszony przez przejście na niższą wartość Dk. Powód tego jest prosty: zmusza to do użycia szerszej szerokości ścieżki, co redukuje wkład indukcyjny do impedancji i zmniejsza reaktywną część impedancji linii transmisyjnej.

Pełne parametry S trybu mieszane dla dwóch par różnicowych

W niektórych przypadkach chcesz znać poziom wspólnego szumu modowego, który powstaje w parze różnicowej z powodu sygnału różnicowego na parze agresywnej. Można to obliczyć, używając mieszanych parametrów S dla naszej sieci 4-portowej wymienionej powyżej. Rozszerza to liczbę portów w macierzy parametrów S do sieci 8-portowej, chociaż tylko 4 z tych portów to fizyczne wejścia i wyjścia. Ten typ zestawu parametrów S w kanałach różnicowych nazywa się mieszane parametry S i opisuje konwersję modu w pojedynczej parze różnicowej i między dwoma parami różnicowymi.

Pełna macierz parametrów S dla pary różnicowej, która uwzględnia sygnały wspólnego i różnicowego modu, to macierz 8x8 o formie pokazanej poniżej:

To dużo elementów do obliczenia w symulacji! Dzisiejsze solwery polowe w narzędziach EDA mogą to obliczyć, badając sygnał indukowany w parze różnicowej ofiary, obliczając wkłady z każdego z pojedynczych śladów w parze różnicowej agresora. Macierz powyżej opisuje zarówno FEXT, jak i NEXT wraz z konwersją modu (na przykład FEXT widziany jako mod wspólny, gdy jest pobudzany przez sygnał różnicowy). 

Morał tej historii jest taki:

• Różnicowe przeploty tworzą szumy różnicowe i szumy wspólne na linii ofiary
• W niektórych przypadkach minimalizacja szumów wspólnych może być ważniejsza dla celów EMC
  • Zwiększenie odstępu między parami różnicowymi na linii ofiary jest najskuteczniejsze, aby zapewnić, że przeploty są dominujące w trybie różnicowym
• W niektórych przypadkach minimalizacja szumów w trybie różnicowym może być ważniejsza dla celów ISI
  • Zmniejszenie odstępu między parami różnicowymi na linii ofiary jest najskuteczniejsze, aby zapewnić, że przeploty są dominujące w trybie wspólnym

Możesz zdefiniować dowolne wymagania dotyczące odstępów ścieżek, które wywodzisz jako zasady projektowe, kiedy pracujesz z Altium Designer®. Pomoże Ci to zoptymalizować trasowanie pod kątem niskich szumów wspólnych i różnicowych na całej płytce. Menedżer układu warstw pozwala również projektować układ warstw z wykorzystaniem standardowych materiałów, co pomaga zapewnić integralność sygnału i integralność zasilania.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.

Odtwarzacz wideo YouTube