Dopasowywanie długości dla sygnałów wysokiej prędkości: strojenie typu trombon, akordeon i piła.

Kiedyś, wytyczne dotyczące dopasowania długości dla sygnałów wysokiej prędkości wymagały od projektanta wystarczających umiejętności, aby pozostać produktywnym podczas ręcznego stosowania różnych schematów dostosowywania długości ścieżek. Dzięki dzisiejszym zaawansowanym funkcjom interaktywnego trasowania w nowoczesnych narzędziach do projektowania PCB, projektanci nie muszą już ręcznie rysować struktur do dostosowywania długości w układzie PCB. Pozostaje jedynie wybór dla projektanta, który schemat dopasowania długości użyć: trasowanie typu trombon, akordeon, czy piłozębne.

Więc która z tych różnych opcji jest najlepsza dla twojego projektu wysokiej prędkości? Przy wystarczająco szerokich ścieżkach (tj. nie w reżimie HDI) i sygnałach ograniczonych pasmem bliskim GHz, nie musisz martwić się o skomplikowane problemy z rezonansem, które znajdziesz podczas pracy z sygnałami analogowymi w reżimach mmWave i sub-mmWave. Jednak nadal musisz rozważyć kilka ważnych punktów dotyczących zachowań linii transmisyjnych i integralności sygnału, jeśli chodzi o dopasowanie długości w projektowaniu PCB wysokiej prędkości.

Opcje dopasowania długości dla sygnałów wysokiej prędkości

Czy pracujesz z magistralą równoległą, która wymaga dostrojenia długości w wielu sygnałach, czy po prostu musisz dopasować długość dwóch końcówek pary różnicowej, będziesz musiał użyć jakiejś metody do dostrojenia długości. Przy niskich prędkościach różnica między różnymi stylami dopasowywania długości jest powierzchowna ze względu na dłuższy czas narastania tych sygnałów. Różnice te stają się bardziej oczywiste przy szybszych prędkościach narastania, gdzie impedancja wejściowa patrząca w strukturę dostrojenia długości staje się zauważalna i zaczyna tworzyć różne poziomy konwersji trybu w różnych strukturach przy wysokich częstotliwościach.

Wybierając opcję dostrojenia długości, musimy rozważyć dwa ważne punkty:

• Czy magistrala jest jednokierunkowa czy równoległa?
• Czy impedancja magistrali jest kontrolowana?
• Ile niedopasowania można tolerować?

Struktury dostrojenia długości zawsze będą tworzyć trzy problemy: niedopasowanie impedancji w trybie nieparzystym, NEXT i konwersję trybu w parach różnicowych. Poniżej przedstawiłem trzy powszechne opcje dostrojenia długości znajdowane w układach PCB wysokiej prędkości.

Dostrojenie w kształcie zęba piły

Najpopularniejszym przykładem strojenia długości jest strojenie piłozębne, czasami nazywane również strojeniem serpentynowym. Wytyczne zawarte tutaj są odzwierciedleniem pierwotnego zamiaru tej struktury strojenia długości, którym jest ograniczenie konwersji trybów i pojawienia się przeplotu między przedłużonymi sekcjami.

W przykładzie strojenia piłozębnego poniżej nie ma gładkich zakrętów wzdłuż ścieżki. Ścieżka powinna być precyzyjnie rozmieszczona, jak pokazano poniżej. Po pierwsze, istnieje reguła „S-2S”, która została użyta poniżej; pierwotnie miała ona na celu zapewnienie, że zakręty o 45 stopni są stosowane wzdłuż długości ścieżki strojonej długościowo. Reguła „3W” (nie należy jej mylić z regułą zapobiegania przeplotowi o tej samej nazwie!) jest naprawdę górnym limitem; długość przedłużonej części piłozębu mogłaby wynosić od W do 3W, chociaż niektóre wytyczne różnią się co do tej reguły. Te wymiary są używane do zminimalizowania wszelkich nieciągłości impedancji wzdłuż długości ścieżki.

Strojenie długości piłozębne dla sygnałów wysokiej prędkości: reguła „3W”.

Strojenie akordeonowe

Strojenie akordeonowe jest również często określane jako strojenie o długości serpentynowej. Zamiast korzystać z pokazanego powyżej rozszerzenia po przekątnej, używa się rozszerzenia ortogonalnego, tak aby dodatkową długość strojenia można było zmieścić na mniejszej odległości wzdłuż prostej ścieżki.

Układ pokazany poniżej wykorzystuje wiele rozszerzeń ścieżek o różnych odległościach. Ta metoda jest często stosowana w aplikacjach związanych z równoległą magistralą wielu sygnałów jednostronnych; typowym przykładem jest DDR. Te sygnały wymagają synchronizacji w czasie, ale te ścieżki nie są częścią różnicowej magistrali, więc nie ma precyzyjnego wymogu fazy między parami ścieżek. Dlatego nie ma znaczenia, gdzie umieścimy sekcje strojenia długości, ponieważ komponent odbierający nie rozróżnia między szumem różnicowym a szumem wspólnym. Dlatego typowe trasowanie dla interfejsu DDR będzie wyglądało mniej więcej jak trasowanie poniżej.

Strojenie długości akordeonowe dla sygnałów wysokiej prędkości.

Strojenie Puzonowe

Jeśli pracujesz z sygnałami o niższej prędkości lub niższej częstotliwości, możesz pozwolić sobie na strojenie trombonem na równoległych magistralach z minimalnym NEXT. Ta technika nie powinna być używana do strojenia długości par różnicowych. Jest to kolejna opcja, która często znajduje zastosowanie w magistralach równoległych, ale spowoduje znacznie większe NEXT niż strojenie długości metodą akordeonu lub piłowania. Powodem tego jest wiele zakrętów o 90 i 180 stopni w tej konfiguracji ścieżek.

Jeśli byłoby to użyte w parze różnicowej, powinno być oczywiste, że część trombonowa zmienia sprzęganie różnicowe i wspólne między każdą stroną pary, gdy sygnał na jednym końcu porusza się tam i z powrotem przez trombon. Sygnały w zasadzie przełączają się między trybem wspólnym a różnicowym w miarę propagacji; to jest właśnie definicja konwersji trybu. Tak jak w przypadku dwóch innych powszechnych metod dopasowywania długości, jeśli musisz użyć strojenia trombonem, powinieneś umieścić je tylko na końcu pary różnicowej, gdzie pojawia się niedopasowanie.

Strojenie długości trombonem dla sygnałów wysokiej prędkości.

Pary różnicowe a jednostronne

We wszystkich trzech powyższych metodach należy uważać, aby nie umieszczać każdej sekcji odcinka serpentyny zbyt blisko siebie. Odległość od prostej ścieżki oraz odległość między sekcjami określa dwa możliwe efekty integralności sygnału:

• Magistrale równoległe i pary różnicowe: NEXT wzdłuż długości struktury
• Magistrale równoległe i pary różnicowe: Odbicie sygnału wchodzącego do struktury dostrojenia długości
• Dla par różnicowych: Konwersja trybu (przełączanie między szumem wspólnym a różnicowym)

Efekt przeplotu (NEXT) oraz odbicia wchodzące do sekcji dostrojenia długości będą zniekształcać sygnały, gdy będą podróżować wzdłuż sekcji dopasowania długości. Efekt konwersji trybu powoduje, że szum wspólny odbierany przed sekcją dostrojenia długości pojawia się jako szum różnicowy w odbiorniku. Howard Johnson dostarcza interesujące wyjaśnienie efektu przeplotu w tym artykule.

Poniższa tabela przedstawia, kiedy każda z omawianych metod dostrojenia długości jest najbardziej odpowiednia do użycia.

Weryfikacja wymaga symulacji

Przedstawione tutaj wytyczne to tylko wytyczne. Niezależnie od prędkości sygnału czy stylu dostrojenia długości, z którym pracujesz, zaleca się, aby każda strona pary różnicowej była trasowana jak najbardziej symetrycznie; rozumie się, że nie jest to takie proste w przypadku szerokich równoległych magistrali. Niezależnie od sposobu trasowania par różnicowych, zawsze powinieneś weryfikować zachowanie każdego sygnału w parze różnicowej za pomocą narzędzi symulacyjnych, a ostatecznie przy użyciu pomiarów.

Trudno jest również uogólnić, która z tych opcji jest obiektywnie "najlepsza" dla dostrojenia długości. Każdy, kto widział, jak reguły empiryczne zawodzą w niektórych sytuacjach, wie, że zawsze powinieneś sprawdzać swoje układy, w tym dopasowanie długości dla sygnałów wysokiej prędkości, za pomocą narzędzi do symulacji po układzie (post-layout simulation tools). Pomaga to zbadać ważne problemy z integralnością sygnału, takie jak przeplot, nadmierne odbicie sygnału na zakrętach i skos w sygnałach różnicowych lub między wieloma ścieżkami wymagającymi precyzyjnej synchronizacji.

Potężne narzędzia do interaktywnego trasowania i analizy po układzie w Altium Designer^® są zbudowane na bazie zintegrowanego silnika projektowania zasadami, co pozwala na implementację dopasowania długości dla sygnałów wysokiej prędkości oraz kontrole integralności sygnału. Będziesz miał również kompletny zestaw narzędzi do budowania schematów, układu oraz przygotowywania materiałów dla twojego producenta.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do układu, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z kimś z Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej o dopasowaniu długości w projektowaniu PCB.