Co to jest opóźnienie propagacji w projektowaniu szybkich PCB?

Każdy sygnał elektromagnetyczny, niezależnie od tego, czy jest to sygnał cyfrowy przemieszczający się w PCB, czy fala propagująca się przez powietrze między antenami, będzie miał skończoną prędkość. Ta skończona prędkość to opóźnienie propagacji sygnału. Jest to ważna wielkość z kilku powodów, które znajdują się przede wszystkim w projektowaniu PCB wysokiej prędkości oraz w projektowaniu systemów RF. Różnicowe interfejsy cyfrowe i projekty RF wrażliwe na fazę to najważniejsze obszary, gdzie opóźnienie propagacji jest ważne i staje się ważnym parametrem w układzie PCB.

W tym artykule wyjaśnię dokładnie, gdzie opóźnienie propagacji jest używane w niektórych podstawowych obliczeniach dla projektowania PCB. Wkrótce zobaczymy, że ważne zastosowania opóźnienia propagacji pojawiają się, gdy musimy zapewnić spójną odpowiedź fazową w wielu połączeniach w PCB.

Co to jest opóźnienie propagacji?

Opóźnienie propagacji odnosi się do odwrotności prędkości podróżującego sygnału elektromagnetycznego. Jest to termin używany głównie w przemyśle PCB do określenia prędkości sygnału, podczas gdy projektanci układów scalonych używają tego samego terminu do określenia czasu potrzebnego na zmianę stanu logicznego z wejścia na wyjście. W PCB opóźnienie propagacji sygnału wyrażane jest w jednostkach czasu na odległość (odwrotność prędkości). Innymi słowy, jeśli znasz prędkość światła dla sygnału w PCB, odwróć wartość, a otrzymasz opóźnienie propagacji.

Kiedy projektant PCB planuje projekt linii transmisyjnej dla interfejsu z kontrolowaną impedancją, może potrzebować obliczyć opóźnienie propagacji dla sygnału na tej linii. Czynniki, które określają opóźnienie propagacji sygnału, obejmują:

• Stałą dielektryczną podłoża
• Wartość impedancji (naprawdę geometrię linii transmisyjnej)
• Odległość do płaszczyzny (płaszczyzn) odniesienia linii transmisyjnej
• Dla pary różnicowej, odległość do drugiego śladu w parze
• Wpływ splotu włókien w materiałach dielektrycznych PCB

Definicja dla Striplines i Microstrips

Najprostsza definicja wynika z rozpatrzenia prędkości światła w próżni; korzystając z wartości Dk materiału PCB, można określić prędkość sygnału:

Odwracając tę wartość, otrzymujemy opóźnienie propagacji w jednostkach czasu na odległość. Typowa wartość dla mikropaska 50 Ohm to około 150 ps/cal, a dla linii paskowych typowa wartość to około 171 ps/cal; oba przypadki zakładają dielektryki Dk = 4. Dlaczego mikropasek powinien mieć inne opóźnienie propagacji w porównaniu z linią paskową? Wynika to z zależności geometrii połączenia. W przypadku linii paskowej, trasowanie odbywa się na warstwie powierzchniowej i część linii pola elektrycznego przechodzi przez powietrze, więc prędkość sygnału jest określana przy użyciu "efektywnej" wartości Dk:

Następnie potrzebujemy wzoru na efektywną wartość Dk dla linii mikropaskowych. Ta wartość zależy od geometrii linii transmisyjnej i może być obliczona z równań Maxwella. Korzystając z teorii quasi-TEM dla linii transmisyjnych, wykazano, że opóźnienie propagacji sygnału na mikropasku przedstawia się następująco:

Tutaj, w oraz h to odpowiednio szerokość ścieżki mikropaska i odległość do płaszczyzny masy. Ta formuła może być używana ręcznie i jest znana z dokładności w zakresie docelowych wartości impedancji w granicach quasi-TEM.

Definicja z teorii linii transmisyjnych

Ogólnie rzecz biorąc, istnieje definicja opóźnienia propagacji, którą można znaleźć bezpośrednio z teorii linii transmisyjnych. Ta formuła dla opóźnienia propagacji wymaga, abyś znał rozłożone wartości elementów obwodu dla twojej konkretnej linii transmisyjnej:

Ponownie, odwracając to równanie, otrzymujesz opóźnienie propagacji.

To równanie jest uniwersalnie prawdziwe jako model quasi-TEM, ale nie jest tak łatwe do użycia w projektowaniu. Zamiast tego, jest zazwyczaj używane jako część modelu regresji, gdzie rozłożone wartości elementów w formule są określane przez proces ekstrakcji z pomiarów parametrów sieci w eksperymencie lub symulacji. Procesy i algorytmy używane do ekstrakcji modelu obwodu to tematy na inny artykuł.

Gdzie używa się opóźnienia propagacji

Ogólnie rzecz biorąc, nie musisz znać ani obliczać opóźnienia propagacji dla każdego pojedynczego sygnału lub połączenia ścieżki na twojej PCB.

Temporyzacja w projektowaniu PCB wysokiej prędkości

Sygnały o wysokiej prędkości, niezależnie od tego, czy znajdują się na interfejsach synchronicznych ze źródłem, na magistralach równoległych, czy na parach różnicowych szeregowych, muszą dotrzeć do odbiornika w pewnym marginesie czasowym. Ogólnie rzecz biorąc, gdy czas narastania sygnałów jest szybszy, margines czasowy będzie mniejszy. Oznacza to, że stała propagacji musi być znana, aby zastosować dopasowanie długości, co zapewnia, że sygnały dotrą w wymaganym marginesie czasowym.

Głównym ograniczeniem czasowym, które decyduje o tym, czy interfejs wysokiej prędkości będzie działał, jest niedopasowanie czasowe między dwoma sygnałami, które nazwiemy Δt. Zależność między dozwolonym niedopasowaniem długości a dozwolonym niedopasowaniem czasowym jest dana przez:

To niedopasowanie długości/niedopasowanie czasowe pojawia się w trzech ważnych przypadkach:

• Między sygnałami w równoległej magistrali (takiej jak DDR)
• Między dwoma ścieżkami w parze różnicowej
• Między wieloma parami różnicowymi

Jako przykład zastosowania strojenia długości w rzeczywistej sytuacji, chciałbym pokazać poniższy obraz interfejsu CSI-2 na FPGA z jego trasowaniem ucieczkowym. Poniższy obraz pokazuje pięć par różnicowych (4 ścieżki sygnałowe i ścieżka zegarowa), które tworzą interfejs CSI-2, który zwykle byłby prowadzony do złącza kamery. Możemy zobaczyć jedną sekcję strojenia długości zastosowaną w różnicowej sieci AWR_3_CSI2_TX0, co zapewnia, że niedopasowanie czasowe między tymi dwoma ścieżkami jest zminimalizowane. Ponieważ oprogramowanie do projektowania zna dozwolone niedopasowanie czasowe (jest wybrane przez projektanta) oraz opóźnienie propagacji (jest ustawione w zasadach projektowania), narzędzie do układania PCB może sprawdzić niedopasowanie długości, automatycznie stosując powyższy wzór.

Najlepsze oprogramowanie do projektowania PCB automatycznie przeliczy dopuszczalne rozbieżności czasowe na rzeczywiste różnice długości między dwoma sygnałami, ale tylko pod warunkiem, że jedno z tych ograniczeń jest zdefiniowane w zasadach projektowania i znany jest czas propagacji. Jeśli twoje oprogramowanie do projektowania może wykonać obliczenie impedancji dla twoich niezgodnych sieci, wtedy może również określić opóźnienie propagacji dla tej konkretnej geometrii linii transmisyjnej, i nie będziesz musiał tego obliczać ręcznie.

Określanie impedancji wejściowej

Kolejnym ważnym obszarem, gdzie potrzebne jest obliczenie opóźnienia propagacji, zarówno w projektowaniu RF, jak i cyfrowym, jest określenie impedancji wejściowej. Jest to używane do określenia:

• Czy sygnał odbije się na wejściu połączenia; służy to do określenia współczynnika odbicia na wejściu (wartość S11);
• czy nieciągłość impedancji jest fizycznie wystarczająco duża, aby stworzyć zauważalne odbicie w sygnałach szerokopasmowych (cyfrowych).

W pierwszym przypadku chcemy ustalić, czy sieć dopasowania impedancji (przewód współosiowy lub elementy dyskretne) wytworzy pożądaną docelową impedancję wejściową. W drugim przypadku chcemy określić, przy jakich częstotliwościach sygnał zacznie silnie odbijać się od nieciągłości impedancji. Formuła umożliwiająca określenie impedancji wejściowej między źródłem a obciążeniem połączonymi linią transmisyjną jest podana na poniższym obrazie:

Stąd możesz przewidywać dokładne częstotliwości, przy których obciążenie i źródło będą idealnie dopasowane impedancyjnie przez linię transmisyjną o długości l i charakterystycznej impedancji Z0.

Odpowiedź fazowa w projektowaniu RF

Ostatecznie, innym powszechnym przypadkiem, gdy potrzebna jest znajomość opóźnienia propagacji, jest odpowiedź fazowa obwodów RF. Niektóre projekty RF wymagają zaprojektowania odpowiedzi fazowej sygnału wprowadzonego do połączenia. Odpowiedź fazowa jest również związana z opóźnieniem propagacji, jak następuje:

Innymi słowy, gdy sygnał o znanej częstotliwości i opóźnieniu propagacji pokonuje odległość L na połączeniu, możemy obliczyć jego przesunięcie fazowe. Ta odpowiedź fazowa jest wykorzystywana w obszarach takich jak projektowanie drukowanych obwodów RF, aby uwzględnić wszelkie efekty wymagające interferencji, takie jak rezonatory i filtry. Na przykład, jeśli wymagasz pomiaru fazy sygnału przychodzącego w odniesieniu do pewnego punktu odniesienia, musisz znać przesunięcie fazy sygnału wzdłuż twojego połączenia, co wymaga znajomości opóźnienia propagacji w systemie.

Najważniejszym obszarem, w którym stosuje się dopasowanie odpowiedzi fazowej w projektowaniu PCB RF, są anteny zespolone fazowo. Te anteny są specjalnie używane w radarach skanujących o wysokiej rozdzielczości, systemach bezprzewodowych MIMO oraz unikalnych czujnikach mmWave. Te systemy wymagają dopasowania fazy między wieloma elementami anteny, a każdy element anteny będzie miał linię zasilającą łączącą się z układem transceivera. Dopasowanie fazy jest wymagane do kierowania wiązek do celów lub użytkowników urządzeń mobilnych, a poprawny sposób zapewnienia dopasowania fazy na całej tablicy polega na implementacji strojenia długości, podobnie jak robiłoby się to w dużym równoległym magistrali sygnałów jednostronnych.

Prosty przykład układu antenowego z szeregowo połączonymi antenami typu patch 4x (plus 2 anteny atrapy) przedstawiono poniżej. Nowoczesne radary samochodowe mają znacznie więcej anten, a wirtualne rozmiary tablic mogą osiągać setki anten.

W tych systemach częstotliwość pracy jest zwykle w zakresie fal milimetrowych (na poziomie WiFi lub wyższym), więc linie transmisyjne są zwykle prowadzone jako falowody koplanarne. Równania projektowe dla falowodów koplanarnych znacznie różnią się od standardowych mikropasków, więc do określenia opóźnienia propagacji tych linii może być wymagany solver pola elektromagnetycznego.

Zawsze, gdy potrzebujesz zaprojektować PCB, który uwzględnia opóźnienie propagacji, upewnij się, że używasz kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer^®. Aby w dzisiejszym środowisku interdyscyplinarnym wprowadzić współpracę, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365^™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.