Ajuste de Comprimento para Sinais de Alta Velocidade: Afinação Trombone, Acordeão e Serrilhado

Era uma vez, as diretrizes de correspondência de comprimento para sinais de alta velocidade exigiam um projetista com habilidade suficiente para permanecer produtivo ao aplicar manualmente diferentes esquemas de ajuste de comprimento de traços. Com os recursos avançados de roteamento interativo presentes nas modernas ferramentas de design de PCBs de hoje, os projetistas não precisam mais desenhar manualmente estruturas de ajuste de comprimento em um layout de PCB. A escolha restante para um projetista é decidir qual esquema de correspondência de comprimento usar: trombone, acordeão ou roteamento em dente de serra.

Então, qual dessas diferentes opções é melhor para o seu design de alta velocidade? Com traços suficientemente largos (ou seja, não no regime HDI) e sinais limitados em banda próximos a GHz, você não terá que se preocupar com os complexos problemas de ressonância que encontrará ao trabalhar com sinais analógicos nos regimes de mmWave e sub-mmWave. No entanto, você ainda precisa considerar alguns pontos importantes sobre o comportamento das linhas de transmissão e integridade do sinal quando se trata de correspondência de comprimento no design de PCBs de alta velocidade.

Opções de Correspondência de Comprimento para Sinais de Alta Velocidade

Seja trabalhando com um barramento paralelo que requer ajuste de comprimento entre múltiplos sinais, ou apenas precisando igualar o comprimento das duas extremidades de um par diferencial, você precisará usar algum método para ajuste de comprimento. Em baixas velocidades, a diferença entre os diferentes estilos de ajuste de comprimento é superficial devido ao maior tempo de subida desses sinais. As diferenças entre eles tornam-se mais óbvias em taxas de transição mais rápidas, onde a impedância de entrada olhando para a estrutura de ajuste de comprimento torna-se notável e começa a criar diferentes níveis de conversão de modo nas várias estruturas em altas frequências.

Ao selecionar uma opção de ajuste de comprimento, temos que considerar dois pontos importantes:

• O barramento é unifilar ou paralelo?
• A impedância do barramento é controlada?
• Quanto desajuste pode ser tolerado?

Estruturas de ajuste de comprimento sempre criarão três problemas: desajuste de impedância em modo ímpar, NEXT e conversão de modo em pares diferenciais. Abaixo, apresentei três opções comuns de ajuste de comprimento encontradas em layouts de PCB de alta velocidade.

Ajuste em Dente de Serra

O exemplo mais popular de ajuste de comprimento é o ajuste em dente de serra, às vezes também chamado de ajuste serpentino. As diretrizes incluídas aqui são um reflexo da intenção original desta estrutura de ajuste de comprimento, que é limitar a conversão de modo e a aparência de diafonia entre as seções estendidas.

No exemplo de ajuste em dente de serra abaixo, não há curvas suaves ao longo do traço. O traço deve ser precisamente espaçado, conforme mostrado abaixo. Primeiro, existe uma regra “S-2S” que foi usada abaixo; isso foi originalmente destinado a garantir que curvas de 45 graus sejam usadas ao longo do comprimento do traço ajustado por comprimento. A regra “3W” (não confundir com a regra de prevenção de diafonia de mesmo nome!) é realmente um limite superior; o comprimento da porção estendida do dente de serra poderia variar de W a 3W, embora algumas diretrizes difiram sobre esta regra. Estas dimensões são usadas para minimizar quaisquer descontinuidades de impedância ao longo do comprimento do traço.

Correspondência de comprimento em dente de serra para sinais de alta velocidade: a regra “3W”.

Ajuste Acordeão

A afinação de acordeão também é frequentemente referida como afinação de comprimento serpentina. Em vez de usar a extensão diagonal mostrada acima, uma extensão ortogonal é usada para que o comprimento adicional de afinação possa ser encaixado em uma distância menor ao longo do traço reto.

O layout mostrado abaixo utiliza múltiplas extensões de traço de diferentes distâncias. Este método é frequentemente encontrado em aplicações envolvendo um barramento paralelo de muitos sinais de extremidade única; o exemplo típico é DDR. Esses sinais precisam de sincronização no tempo, mas esses traços não fazem parte de um barramento diferencial, então não há um requisito de fase precisa entre pares de traços. Portanto, não importa onde colocamos as seções de afinação de comprimento, pois o componente receptor não distingue entre ruído de modo diferencial e de modo comum. É por isso que o roteamento típico para uma interface DDR parecerá algo como o roteamento abaixo.

Afinação de comprimento de acordeão para sinais de alta velocidade.

Afinação de Trombone

Se você está trabalhando com sinais de velocidade ou frequência mais baixas, pode se dar ao luxo de usar a afinação tipo trombone em barramentos paralelos com NEXT mínimo. Esta técnica não deve ser usada para ajustar o comprimento de pares diferenciais. Esta é outra opção frequentemente encontrada em barramentos paralelos, mas criará muito mais NEXT do que a afinação de comprimento em acordeão ou serra. A razão para isso tem a ver com as múltiplas curvas de 90 e 180 graus nesta configuração de trilha.

Se isso fosse usado em um par diferencial, deveria ser óbvio que a parte do trombone alterna o acoplamento de modo diferencial e modo comum entre cada lado do par à medida que o sinal em uma extremidade se move para frente e para trás através do trombone. Os sinais essencialmente alternam entre a condução em modo comum e modo diferencial à medida que se propagam; esta é a própria definição de conversão de modo. Assim como com os outros dois métodos comuns de correspondência de comprimento, se você precisar usar a afinação tipo trombone, então você só deve colocá-la no final do par diferencial onde surge o descompasso.

Ajuste de comprimento tipo trombone para sinais de alta velocidade.

Pares Diferenciais vs. Terminação Única

Em todos os três métodos acima, você deve ter cuidado para não colocar cada seção de uma seção de correspondência de comprimento serpentina muito próxima uma da outra. A extensão para longe do traço reto e a distância entre as seções determinam dois possíveis efeitos na integridade do sinal:

• Barramentos paralelos e pares diferenciais: NEXT ao longo do comprimento da estrutura
• Barramentos paralelos e pares diferenciais: Reflexão do sinal entrando na estrutura de ajuste de comprimento
• Para pares diferenciais: Conversão de modo (alternância entre ruído de modo comum e ruído de modo diferencial)

O efeito de diafonia (NEXT) e as reflexões entrando em uma seção de ajuste de comprimento distorcerão os sinais à medida que eles viajam ao longo da seção de correspondência de comprimento. O efeito de conversão de modo faz com que o ruído de modo comum recebido antes da seção de ajuste de comprimento apareça como ruído de modo diferencial no receptor. Howard Johnson fornece uma explicação interessante para o efeito de diafonia neste artigo.

A tabela abaixo destaca quando cada um dos métodos de ajuste de comprimento discutidos acima é mais apropriado para usar.

A Verificação Leva a Simulações

As diretrizes apresentadas aqui são apenas isso: diretrizes. Independentemente da velocidade do sinal ou do estilo de ajuste de comprimento com o qual você trabalha, geralmente é recomendado que cada lado de um par diferencial seja roteado de forma tão simétrica quanto possível; é compreensível que isso não seja tão simples para barramentos paralelos largos. Não importa como você escolha rotear seus pares diferenciais, você deve sempre verificar o comportamento de cada sinal em um par diferencial usando algumas ferramentas de simulação e, em última análise, usando medições.

Também é difícil generalizar exatamente qual dessas opções é objetivamente "melhor" para o ajuste de comprimento. Qualquer um que tenha visto regras práticas falharem em certas situações sabe que você deve sempre verificar seu layout, incluindo o ajuste de comprimento para sinais de alta velocidade, usando ferramentas de simulação pós-layout. Isso ajuda você a examinar problemas importantes de integridade de sinal como diafonia, reflexão excessiva de sinal em curvas e desvio em sinais diferenciais ou em várias trilhas que requerem sincronização precisa.

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