Согласование длины для высокоскоростных сигналов: настройка "Тромбон", "Аккордеон" и "Пилообразная"

Когда-то для соблюдения рекомендаций по согласованию длин высокоскоростных сигналов требовался дизайнер, обладающий достаточными навыками, чтобы оставаться продуктивным при ручном применении различных схем коррекции длины трасс. С современными функциями интерактивной трассировки в современных инструментах проектирования печатных плат дизайнерам больше не нужно вручную рисовать структуры настройки длины на макете печатной платы. Оставшийся выбор для дизайнера заключается в решении, какую схему согласования длины использовать: тромбон, аккордеон или пилообразную трассировку.

Так какой из этих вариантов лучше всего подходит для вашего высокоскоростного проекта? При достаточно широких трассах (т.е. не в режиме HDI) и сигналах, ограниченных по полосе частот около ГГц, вам не придется беспокоиться о сложных проблемах резонанса, с которыми вы столкнетесь при работе с аналоговыми сигналами в режимах ммВолн и суб-ммВолн. Однако, вам все же нужно учитывать некоторые важные моменты, касающиеся поведения линий передачи и целостности сигнала при согласовании длин в дизайне высокоскоростных печатных плат.

Варианты согласования длины для высокоскоростных сигналов

Будь вы работаете с параллельной шиной, требующей настройки длины для множества сигналов, или вам просто нужно согласовать длину двух концов дифференциальной пары, вам потребуется использовать какой-либо метод настройки длины. На низких скоростях разница между различными стилями согласования длины является поверхностной из-за более длительного времени нарастания этих сигналов. Различия между ними становятся более очевидными на более высоких скоростях фронтов, где входное сопротивление, смотрящее в структуру настройки длины, становится заметным и начинает создавать различные уровни преобразования режимов в различных структурах на высоких частотах.

Выбирая опцию настройки длины, мы должны учитывать два важных момента:

• Является ли шина однопроводной или параллельной?
• Контролируется ли импеданс шины?
• Какое несоответствие может быть допустимо?

Структуры настройки длины всегда создают три проблемы: несоответствие импеданса нечетного режима, NEXT и преобразование режимов в дифференциальных парах. Ниже я представил три общих варианта настройки длины, найденных в высокоскоростных компоновках печатных плат.

Настройка "Пилообразная"

Самым популярным примером настройки длины является настройка в виде пилы, иногда также называемая змеевидной настройкой. Рекомендации, включенные здесь, отражают первоначальное намерение этой структуры настройки длины, которое заключается в ограничении преобразования мод и появлении перекрестных помех между расширенными секциями.

В примере настройки в виде пилы ниже нет плавных изгибов вдоль следа. След должен быть точно расположен, как показано ниже. Во-первых, здесь использовалось правило «S-2S»; изначально оно предназначалось для того, чтобы изгибы под 45 градусов использовались вдоль всей длины настроенного по длине следа. Правило «3W» (не путать с правилом предотвращения перекрестных помех с тем же названием!) действительно является верхним пределом; длина расширенной части зубца пилы может варьироваться от W до 3W, хотя некоторые рекомендации отличаются по этому правилу. Эти размеры используются для минимизации любых разрывов импеданса вдоль длины следа.

Согласование длины в виде пилы для высокоскоростных сигналов: правило «3W».

Настройка в виде аккордеона

Настройка аккордеона также часто называется настройкой по длине "змеевика". Вместо использования диагонального расширения, показанного выше, используется ортогональное расширение, так что дополнительная длина настройки может быть размещена на меньшем расстоянии вдоль прямого следа.

На схеме ниже используются множественные расширения следов различной длины. Этот метод часто встречается в приложениях, связанных с параллельной шиной множества одиночных сигналов; типичный пример - DDR. Эти сигналы требуют синхронизации во времени, но эти следы не являются частью дифференциальной шины, поэтому точное требование к фазе между парами следов отсутствует. Поэтому не имеет значения, где мы размещаем секции настройки длины, поскольку приемный компонент не различает шум дифференциального и общего режимов. Вот почему типичная трассировка для интерфейса DDR будет выглядеть примерно как трассировка ниже.

Согласование длины аккордеона для высокоскоростных сигналов.

Настройка "Тромбон"

Если вы работаете с сигналами низкой скорости или низкой частоты, вы можете использовать настройку "тромбоном" на параллельных шинах с минимальным NEXT. Этот метод не следует использовать для настройки длины дифференциальных пар. Это еще один вариант, который часто встречается на параллельных шинах, но он создаст гораздо больше NEXT, чем настройка длины с помощью "аккордеона" или "пилы". Причина этого связана с множеством поворотов на 90 и 180 градусов в этой конфигурации следов.

Если бы это использовалось в дифференциальной паре, должно быть очевидно, что часть "тромбона" чередует дифференциальное и общее режимы связи между каждой стороной пары, поскольку сигнал на одном конце перемещается вперед и назад через "тромбон". Сигналы, по сути, переключаются между общим и дифференциальным режимами передачи по мере их распространения; это само по себе определение конверсии режима. Так же, как и с двумя другими общими методами согласования длины, если вам необходимо использовать настройку "тромбоном", то вы должны разместить ее только в конце дифференциальной пары, где возникает несоответствие.

Настройка длины "тромбоном" для высокоскоростных сигналов.

Дифференциальные пары против однопроводных

Во всех трех вышеупомянутых методах следует остерегаться слишком близкого размещения каждого сегмента секции согласования длины в виде змеевика. Расстояние от прямого участка и между секциями определяет два возможных эффекта на целостность сигнала:

• Параллельные шины и дифференциальные пары: Перекрестные помехи (NEXT) вдоль длины структуры
• Параллельные шины и дифференциальные пары: Отражение сигнала, поступающего в структуру настройки длины
• Для дифференциальных пар: Преобразование режима (переключение между общим и дифференциальным режимами шума)

Эффект перекрестных помех (NEXT) и отражения, поступающие в секцию настройки длины, будут искажать сигналы по мере их прохождения вдоль секции согласования длины. Эффект преобразования режима вызывает появление общего режима шума, полученного до секции настройки длины, как шума дифференциального режима на приемнике. Говард Джонсон предоставляет интересное объяснение эффекта перекрестных помех в этой статье.

В таблице ниже указано, когда каждый из обсуждаемых выше методов настройки длины наиболее целесообразно использовать.

Проверка через симуляции

Представленные здесь рекомендации являются именно рекомендациями. Независимо от скорости сигнала или стиля настройки длины, в целом рекомендуется маршрутизировать каждую сторону дифференциальной пары как можно более симметрично; понятно, что это не так просто для широких параллельных шин. Независимо от того, как вы решите маршрутизировать свои дифференциальные пары, вы всегда должны проверять поведение каждого сигнала в дифференциальной паре с использованием некоторых инструментов симуляции и, в конечном итоге, с помощью измерений.

Также сложно обобщить, какой из этих вариантов объективно "лучше" для настройки длины. Каждый, кто видел, как эмпирические правила терпят неудачу в определенных ситуациях, знает, что вы всегда должны проверять свою разводку, включая согласование длин для высокоскоростных сигналов, с использованием инструментов постлейаутной симуляции. Это помогает вам исследовать важные проблемы целостности сигнала, такие как перекрестные помехи, чрезмерное отражение сигнала на изгибах и сдвиг в дифференциальных сигналах или между несколькими дорожками, требующими точной синхронизации.

Мощные инструменты интерактивной трассировки и анализа после размещения в Altium Designer^® основаны на единой системе проектирования, управляемой правилами, что позволяет вам реализовывать согласование длин для высокоскоростных сигналов и проверки целостности сигнала. Вы также получите полный набор инструментов для создания схем, размещения и подготовки документации для вашего производителя.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для размещения, моделирования и планирования производства. Обратитесь к специалисту Altium сегодня, чтобы узнать больше о согласовании длин в дизайне печатных плат.