Khớp chiều dài cho tín hiệu tốc độ cao: Điều chỉnh kiểu Trombone, Accordion và Sawtooth

Ngày xưa, các hướng dẫn về việc khớp chiều dài cho tín hiệu tốc độ cao đòi hỏi một nhà thiết kế có đủ kỹ năng để duy trì hiệu suất làm việc khi áp dụng thủ công các phương pháp điều chỉnh chiều dài dấu vết khác nhau. Với các tính năng định tuyến tương tác tiên tiến trong các công cụ thiết kế PCB hiện đại ngày nay, các nhà thiết kế không còn cần phải vẽ thủ công các cấu trúc điều chỉnh chiều dài trong bố cục PCB. Lựa chọn còn lại cho một nhà thiết kế là quyết định sử dụng phương pháp khớp chiều dài nào: trombone, accordion, hay định tuyến dạng răng cưa.

Vậy đâu là lựa chọn tốt nhất cho thiết kế tốc độ cao của bạn? Với các dấu vết đủ rộng (tức là, không ở chế độ HDI) và tín hiệu giới hạn băng tần gần GHz, bạn sẽ không phải lo lắng về các vấn đề cộng hưởng phức tạp mà bạn sẽ gặp phải khi làm việc với tín hiệu analog trong chế độ mmWave và sub-mmWave. Tuy nhiên, bạn vẫn cần phải xem xét một số điểm quan trọng liên quan đến hành vi đường truyền tín hiệu và tính toàn vẹn tín hiệu khi nói đến việc khớp chiều dài trong thiết kế PCB tốc độ cao.

Khớp Chiều Dài cho Tín Hiệu Tốc Độ Cao

Dù bạn đang làm việc với một bus song song yêu cầu điều chỉnh độ dài qua nhiều tín hiệu, hay bạn chỉ cần phải khớp độ dài hai đầu của một cặp vi sai, bạn sẽ cần sử dụng một phương pháp nào đó để điều chỉnh độ dài. Ở tốc độ thấp, sự khác biệt giữa các phong cách khớp độ dài khác nhau là hời hợt do thời gian tăng của những tín hiệu đó lâu hơn. Sự khác biệt giữa chúng trở nên rõ ràng hơn ở tốc độ cạnh nhanh hơn, nơi mà trở kháng đầu vào nhìn vào cấu trúc điều chỉnh độ dài trở nên đáng chú ý và bắt đầu tạo ra các mức độ chuyển đổi chế độ khác nhau trong các cấu trúc khác nhau ở tần số cao.

Khi chọn một lựa chọn điều chỉnh độ dài, chúng ta phải xem xét hai điểm quan trọng:

• Bus có là đơn cuối hay song song không?
• Trở kháng của bus có được kiểm soát không?
• Mức độ không khớp nào có thể được chấp nhận?

Các cấu trúc điều chỉnh độ dài luôn tạo ra ba vấn đề: sự không khớp trở kháng chế độ lẻ , NEXT, và chuyển đổi chế độ trong các cặp vi sai. Dưới đây tôi đã trình bày ba lựa chọn điều chỉnh độ dài phổ biến được tìm thấy trong các bố trí PCB tốc độ cao.

Điều chỉnh Dạng Răng Cưa

Ví dụ phổ biến nhất về việc điều chỉnh chiều dài là điều chỉnh dạng răng cưa, đôi khi còn được gọi là điều chỉnh dạng rắn lục. Các hướng dẫn bao gồm ở đây là sự phản ánh của mục đích gốc của cấu trúc điều chỉnh chiều dài này, đó là để hạn chế sự chuyển đổi chế độ và sự xuất hiện của hiện tượng nhiễu chéo giữa các phần mở rộng.

Trong ví dụ về điều chỉnh dạng răng cưa dưới đây, không có các khúc cua mềm mại dọc theo đường dẫn. Đường dẫn nên được cách điệu chính xác, như được hiển thị dưới đây. Đầu tiên, có một quy tắc “S-2S” đã được sử dụng dưới đây; quy tắc này ban đầu được dự định để đảm bảo rằng góc cua 45 độ được sử dụng dọc theo chiều dài của đường dẫn điều chỉnh chiều dài. Quy tắc “3W” (không nên nhầm lẫn với quy tắc phòng chống nhiễu chéo cùng tên!) thực sự là giới hạn trên; chiều dài của phần mở rộng của răng cưa có thể dao động từ W đến 3W, mặc dù một số hướng dẫn khác nhau về quy tắc này. Các kích thước này được sử dụng để giảm thiểu bất kỳ sự không liên tục trở kháng nào dọc theo chiều dài của đường dẫn.

Điều chỉnh chiều dài dạng răng cưa cho tín hiệu tốc độ cao: quy tắc “3W”.

Điều chỉnh dạng Accordion

Việc điều chỉnh độ dài của accordion còn thường được gọi là điều chỉnh độ dài hình rắn. Thay vì sử dụng phần mở rộng chéo được hiển thị ở trên, một phần mở rộng vuông góc được sử dụng sao cho độ dài điều chỉnh thêm có thể được vừa vặn vào một khoảng cách nhỏ hơn dọc theo đường dẫn thẳng.

Bố cục dưới đây sử dụng nhiều phần mở rộng đường dẫn với các khoảng cách khác nhau. Phương pháp này thường được tìm thấy trong các ứng dụng liên quan đến bus song song của nhiều tín hiệu đơn cuối; ví dụ điển hình là DDR. Những tín hiệu này cần được đồng bộ hóa về thời gian, nhưng những đường dẫn này không phải là một phần của bus vi sai, vì vậy không có yêu cầu chính xác về pha giữa các cặp đường dẫn. Do đó, không quan trọng chúng ta đặt các phần điều chỉnh độ dài ở đâu vì thành phần nhận không phân biệt được giữa nhiễu chế độ vi sai và nhiễu chế độ chung. Đây là lý do tại sao bố cục điển hình cho giao diện DDR sẽ trông giống như bố cục dưới đây.

Phù hợp độ dài accordion cho tín hiệu tốc độ cao.

Điều chỉnh Trombone

Nếu bạn đang làm việc với các tín hiệu tốc độ thấp hoặc tần số thấp, bạn có thể sử dụng kỹ thuật điều chỉnh độ dài bằng cách uốn cong trombone trên các bus song song với NEXT tối thiểu. Kỹ thuật này không nên được sử dụng để điều chỉnh độ dài cho các cặp vi sai. Đây là một lựa chọn khác thường được tìm thấy trong các bus song song, nhưng nó sẽ tạo ra nhiều NEXT hơn so với việc điều chỉnh độ dài bằng cách dùng kỹ thuật accordion hoặc sawtooth. Lý do cho điều này liên quan đến việc có nhiều đường cong 90 và 180 độ trong cấu hình dấu vết này.

Nếu điều này được sử dụng trong một cặp vi sai, rõ ràng là phần trombone sẽ xen kẽ giữa việc ghép nối chế độ chung và chế độ vi sai giữa mỗi bên của cặp khi tín hiệu ở một đầu di chuyển qua lại qua phần trombone. Tín hiệu cơ bản chuyển đổi giữa việc ghép nối chế độ chung và chế độ vi sai khi chúng lan truyền; đây chính là định nghĩa của sự chuyển đổi chế độ. Giống như với hai phương pháp khớp độ dài phổ biến khác, nếu bạn phải sử dụng điều chỉnh độ dài trombone, thì bạn chỉ nên đặt nó ở cuối cặp vi sai nơi sự không khớp xuất hiện.

Điều chỉnh độ dài trombone cho các tín hiệu tốc độ cao.

Cặp Vi Sai so với Đơn Kết Thúc

Trong cả ba phương pháp trên, bạn nên cẩn thận không đặt từng phần của một đoạn ghép dài hình rắn quá gần nhau. Việc mở rộng ra khỏi đường dẫn thẳng và khoảng cách giữa các phần xác định hai hiệu ứng tính toán tín hiệu có thể xảy ra:

• Xe buýt song song và cặp vi sai: Tiếp theo dọc theo chiều dài của cấu trúc
• Xe buýt song song và cặp vi sai: Phản xạ của tín hiệu vào cấu trúc điều chỉnh chiều dài
• Đối với cặp vi sai: Chuyển đổi chế độ (chuyển đổi giữa tiếng ồn chế độ chung và tiếng ồn chế độ vi sai)

Hiệu ứng crosstalk (NEXT) và các phản xạ vào một phần điều chỉnh chiều dài sẽ làm méo tín hiệu khi chúng di chuyển dọc theo phần ghép chiều dài. Hiệu ứng chuyển đổi chế độ khiến tiếng ồn chế độ chung nhận được trước phần điều chỉnh chiều dài xuất hiện như tiếng ồn chế độ vi sai tại bộ thu. Howard Johnson cung cấp một giải thích thú vị cho hiệu ứng crosstalk trong bài viết này.

Bảng dưới đây mô tả khi nào mỗi phương pháp điều chỉnh chiều dài được thảo luận ở trên là phù hợp nhất để sử dụng.

Kiểm Chứng Đòi Hỏi Phải Mô Phỏng

Những hướng dẫn được trình bày ở đây chỉ là những hướng dẫn. Bất kể tốc độ tín hiệu hay phong cách điều chỉnh chiều dài bạn làm việc với, nói chung là nên khuyến khích mỗi bên của cặp đôi vi sai được định tuyến một cách đối xứng nhất có thể; có thể hiểu là điều này không đơn giản với các bus song song rộng. Dù bạn chọn cách định tuyến cặp vi sai của mình như thế nào, bạn luôn nên kiểm chứng hành vi của mỗi tín hiệu trong cặp vi sai bằng cách sử dụng một số công cụ mô phỏng và cuối cùng, bằng cách đo lường.

Cũng khó để tổng quát chính xác lựa chọn nào là "tốt nhất" một cách khách quan cho việc điều chỉnh chiều dài. Bất kỳ ai đã thấy các quy tắc ngón tay cái thất bại trong một số tình huống biết rằng bạn luôn nên kiểm tra bố cục của mình, bao gồm cả việc khớp chiều dài cho các tín hiệu tốc độ cao, sử dụng công cụ mô phỏng sau bố cục. Điều này giúp bạn kiểm tra các vấn đề quan trọng về tính toàn vẹn tín hiệu như nhiễu chéo, phản xạ tín hiệu quá mức tại các khúc cua, và sự lệch pha trong các tín hiệu vi sai hoặc trên nhiều đường dẫn yêu cầu đồng bộ hóa chính xác.

Các công cụ định tuyến tương tác mạnh mẽ và phân tích sau bố trí trong Altium Designer^® được xây dựng dựa trên một động cơ thiết kế theo quy tắc thống nhất, cho phép bạn thực hiện việc khớp chiều dài cho các tín hiệu tốc độ cao và kiểm tra tính toàn vẹn của tín hiệu. Bạn cũng sẽ có một bộ công cụ đầy đủ để xây dựng sơ đồ, bố trí của bạn và chuẩn bị các tài liệu giao hàng cho nhà sản xuất của bạn.

Giờ đây, bạn có thể tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ bố trí, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Hãy nói chuyện với ai đó tại Altium hôm nay để tìm hiểu thêm về việc khớp chiều dài trong thiết kế PCB.