Согласование длины цепей для высокоскоростных сигналов: подстройка тромбоном, аккордеоном и пилой

Согласование длины цепей для высокоскоростных сигналов – это вопрос синхронизации

Когда-то согласование длины цепей для высокоскоростных сигналов требовало от конструктора достаточно навыков, чтобы сохранять скорость работы при ручном использовании различных схем подстройки длины трасс. На сегодняшний день, когда в современных средствах проектирования плат доступны эффективные инструменты интерактивной трассировки, конструкторам больше нет необходимости подстраивать каждую трассу вручную. За конструктором остается лишь выбор схемы подстройки длины: тромбон, аккордеон или пила.

Какой из этих вариантов наилучшим образом подойдет для ваших быстродействующих конструкций? С трассами достаточной ширины (т.е. не в режиме HDI) и с сигналами около гигагерцового диапазона не нужно беспокоиться о сложных проблемах резонанса, которые могут возникнуть при работе с аналоговыми сигналами в миллиметровом и субмиллимитрового диапазона. Тем не менее, всё ещё необходимо учитывать некоторые важные моменты, касающиеся линий передач и целостности сигналов.

Варианты согласования длины высокоскоростных цепей

При работе со множеством сигнальных цепей, где необходима подстройка множества сигналов, либо когда нужно выровнять длину цепей в дифференциальной паре, вам понадобятся различные методы подстройки длины. На низких скоростях (как правило, маломощные устройства TTL или более медленные), разница между стилями подстройки длины незначительна. Различия между ними становятся ощутимыми на более высоких скоростях.

Независимо от того, с какой скоростью вы имеете дело, рекомендуется трассировать дифференциальную пару максимально симметрично. Основной идеей является поддержание связности между цепями в паре. Тем не менее, я помню старую статью от Бена Джордана, где было сказано, как добиться связности в дифференциальной паре без идеальной симметрии. Это также применимо к случаю, когда цепи пары трассируются на разных слоях. Не важно, как вы будете трассировать дифференциальные пары – всегда необходимо проверять поведение каждого сигнала в паре с помощью каких-либо средств анализа, например, с помощью измерительных приборов.

Стили согласования длины цепей, которые показаны ниже, созданы для того, чтобы обеспечить минимальную неоднородность импеданса вдоль всей длины трассы. Эта проблема является достаточно важной, поскольку вдоль соединения будут накапливаться многократные отражения, что уменьшит интенсивность сигнала на приемнике. Это также приводит к ступенчатому подъему напряжения на приемнике. Это всегда будет происходить вдоль согласованной по длине трассы, но это поведение будет незаметным при достаточно большом запасе по помехоустойчивости и при использовании наименьшего количества изломов.

Подстройка тромбоном

Если вы работаете с сигналами низкой скорости или низкой частоты, вы можете использовать подстройку длины трасс с помощью тромбона. Можно заметить, что в конфигурации трассы присутствует множество поворотов под углом 90 и 180 градусов. Для изгибов здесь предпочтительнее использовать кривые, а не прямые углы, поскольку так вы добьетесь меньшей неоднородности импеданса. Это подходит для низкоскоростных асимметричных сигналов, проходящих через группу параллельных трасс, а также для предотвращения фазового сдвига тактовых импульсов в функциональном блоке, но этот вариант может быть не лучшим для согласования длины цепей дифференциальной пары.

Очевидно, что область тромбона чередует дифференциальную и синфазную связь между каждой цепью пары, когда сигнал в одной цепи движется через тромбон туда и обратно. По сути, сигналы переключаются между основным и дифференциальным режимом по мере своего распространения. Если необходимо использовать подстройку тромбоном, то его необходимо разместить в той цепи пары, где возникает рассогласование. Это обычно осуществляется возле источника для обеспечения дифференциальной передачи сигнала к приемнику и устойчивости к синфазным помехам.

Подстройка длины трасс высокоскоростных сигналов с помощью тромбона

Подстройка аккордеоном

Подстройка аккордеоном и подстройка тромбоном схожи между собой, поскольку оба стиля используют меандры. Тем не менее, подстройка аккордеоном не смещает этот меандр в сторону от трассы. Вместо этого, его можно провести вдоль нужной трассы. Этот вариант подходит лучшим образом, чем тромбон, для согласования высокоскоростных сигналов в дифференциальных парах, поскольку можно сохранить связность вдоль длины трасс.

Топология, показанная ниже, подойдет для большинства конструкций, но это не лучшее решение, когда вы переходите в область крайне высоких скоростей сигналов (например, ECL или TTL(G)). На очень высоких скоростях необходимо разместить согласующий участок в область сильного расхождения, т.е. возле источника или приемника. Это особенно важно для дифференциальных пар, поскольку необходимо поддержать связность вдоль максимально возможной области соединения.

Подстройка длины трасс высокоскоростных сигналов с помощью аккордеона

Подстройка пилой

Пример подстройки пилой показан ниже. Здесь мы не используем гладкие изгибы вдоль трассы. Необходимо точно выдержать зазоры, как показано ниже. Прежде всего, правило “s-2s” используется для обеспечения изгибов под углом 45 градусов вдоль согласованной по длине трассы. Правило “3w” (не путать с одноименным правилом для перекрестных помех!) является верхним ограничением. Длина широкой части пилы должна находиться в диапазоне от w до 3w, хотя некоторые рекомендации приводят другие значения. Эти размеры используются для минимизации неоднородности импеданса вдоль длины трассы.

Подстройка длины трасс высокоскоростных сигналов с помощью пилы – правило “3w”

Во всех трех методах, приведенные выше, нужно быть осторожным и не размещать подстроечные области слишком близко друг к другу. В противном случае, эти области будут влиять друг на друга через индуктивные наводки. Это приведет к искажению сигналов при их распространении в этих подстроечных областях. Говард Джонсон (Howard Johnson) приводит интересное объяснение этого эффекта в свое статье.

Для верификации необходима имитация

Приведенные здесь рекомендации являются лишь рекомендациями. Каждый, кто столкнулся с тем, что какие-то эмпирические правила не работают, знает, что всегда необходимо проверять свои конструкции, в том числе согласование длин высокоскоростных цепей, с помощью посттопологических средств анализа. Эти средства позволяют выявить важные проблемы целостности сигналов, такие как перекрестные помехи, избыточное отражение сигналов на сгибах и фазовый сдвиг сигналов в дифференциальной паре или во множестве трасс, которые требуют точной синхронизации.

Мощные средства интерактивной трассировки и посттопологического анализа в Altium Designer^® созданы на основе унифицированного ядра проектирования, ориентированного на правила, и они позволяют осуществить согласование длин цепей и проверку целостности сигналов. Также вы получите полный набор средств для создания схем, проработки конструкции и формирования комплекта документации для производства.

Вы можете загрузить бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах конструирования, анализа и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.