Luật Định Tuyến PCB Cho Cặp Tín Hiệu Đối Xứng và Tín Hiệu Đơn Cuối

Đôi khi, sự phân biệt giữa những gì được coi là tín hiệu "chậm" hoặc "nhanh" có thể có vẻ tùy tiện, và nó có thể phụ thuộc vào người bạn hỏi. Một chủ đề liên quan là liệu một đường dẫn PCB được coi là điện tử "ngắn" hay "dài," và bạn có thể tìm thấy sự không đồng thuận nhiều như vậy về chủ đề này. Dù bạn cần định tuyến tín hiệu chậm hay nhanh trên PCB của mình, các đường dẫn của bạn sẽ cần tuân theo một số quy tắc định tuyến PCB để đảm bảo bo mạch của bạn hoạt động như ý muốn.

Như nhiều chương trình khác, Altium Designer® giúp quá trình này trở nên dễ dàng, nhưng Altium Designer đi xa hơn một chút và phân loại các quy tắc định tuyến PCB cho tín hiệu chậm và nhanh vào các danh mục riêng biệt của chúng. Trước khi bạn bắt đầu định tuyến tín hiệu giữa các thành phần, bạn sẽ cần xem xét các quy tắc thiết kế của mình và điều chỉnh chúng theo tiêu chuẩn tín hiệu của bạn. Dưới đây là những quy tắc định tuyến PCB quan trọng bạn cần thiết lập trước khi bắt đầu định tuyến tín hiệu xung quanh PCB của mình.

Quy tắc Định Tuyến PCB cho Tín Hiệu Đơn

Có lẽ điểm quan trọng nhất cần lưu ý về quy tắc định tuyến PCB là các tiêu chuẩn định tuyến không nhất thiết tự định nghĩa là “tốc độ thấp” hay “tốc độ cao”. Sự phân biệt này chủ yếu được tạo ra và duy trì bởi các nhà thiết kế PCB, và nó phần lớn xuất phát từ các vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu phát sinh khi thời gian tăng tín hiệu trở nên rất nhanh (ít hơn ~1 ns). Do đó, việc hiểu rõ các hạn chế trong các tiêu chuẩn tín hiệu của bạn khi thiết lập các quy tắc thiết kế của mình là quan trọng hơn, bất kể bạn đang xử lý với tốc độ tín hiệu chậm hay nhanh.

Nơi đầu tiên bạn nên tìm kiếm các quy tắc thiết kế cần thiết là trong tài liệu của các tiêu chuẩn tín hiệu của bạn. Tài liệu cho hầu hết các tiêu chuẩn đều có sẵn trực tuyến miễn phí. Khi bạn tạo ra nhiều thiết kế hơn, bạn sẽ trở nên quen thuộc hơn với các tiêu chuẩn này và bạn sẽ biết cần thiết lập những quy tắc nào trong thiết kế của mình. Một số quy tắc định tuyến PCB phổ biến nhất áp dụng cho nhiều tiêu chuẩn cho tín hiệu đơn cuối bao gồm:

• Độ dài khớp nhau. Đối với các tiêu chuẩn bus hoặc định tuyến dữ liệu song song với đồng hồ đồng bộ nguồn, bạn cần phải thực thi việc khớp độ dài cho tất cả các mạng trong một nhóm trong một số dung sai nhất định. Trong khi định tuyến, điều này được thực hiện bằng cách thêm cấu trúc điều chỉnh độ dài vào một mạng.
• Chuyển tiếp qua via.Một số tiêu chuẩn khuyến nghị hạn chế số lần chuyển vias để ngăn chặn sự mất mát quá mức, phản xạ và các hiệu ứng nhiễu khác.
• Chiều dài tối đa. Chiều dài tối đa của một mạch đôi khi được quy định cho một giá trị hệ số tổn hao nhất định để ngăn chặn sự suy giảm tín hiệu quá mức. Nếu bạn sử dụng vật liệu lớp phủ ít tổn hao, bạn có thể kéo dài chiều dài tùy thuộc vào sự khác biệt trong giá trị hệ số tổn hao.
• Khoảng cách. Các đường mạch cần được giữ cách ly với các đối tượng khác không phải là một phần của mạch (pads, linh kiện, lớp, v.v.). Điều này đảm bảo khả năng sản xuất, giảm bớt các hiệu ứng nhiễu không mong muốn và cung cấp bảo vệ ESD trong thiết kế điện áp cao.
• Độ rộng và trở kháng.Hai đại lượng này có mối quan hệ với nhau và được sử dụng để kiểm soát trở kháng trong thiết kế tốc độ cao. Hãy xem bài viết này để xem bạn có thể chỉ định trở kháng và độ rộng dây dẫn như thế nào làm luật định tuyến PCB.

Tất cả các quy tắc thiết kế này và nhiều hơn nữa có thể được truy cập trong Trình Chỉnh Sửa Quy Tắc và Ràng Buộc PCB trong Altium Designer. Nếu bạn cần gán cùng một quy tắc định tuyến PCB cho một nhóm mạch (rất phổ biến đối với các nhóm tín hiệu đơn cuối), cách nhanh nhất là gán tất cả các mạch trong một nhóm vào một Lớp Mạch. Bạn có thể truy cập tính năng này từ tùy chọn Thiết kế → Lớp (xem bên dưới) trong cửa sổ Trình Biên Tập PCB. Sau khi bạn đã gán mạch vào các lớp, bạn có thể sử dụng Trình Chỉnh Sửa Quy Tắc và Ràng Buộc PCB để gán quy tắc thiết kế cho từng mạch hoặc cho một Lớp Mạch.

Các quy tắc định tuyến PCB khác có thể không áp dụng cho các tiêu chuẩn tín hiệu cụ thể được sử dụng để giúp bạn giữ cho thiết kế của mình được tổ chức. Hai ví dụ điển hình là topologi định tuyến và hạn chế lớp định tuyến. Đối với các thiết kế nâng cao hơn, như các thành phần với dấu chân BGA, bạn có thể sử dụng quy tắc thiết kế để cấu hình chiến lược phân phối. Làm việc với các cặp vi sai yêu cầu một bộ quy tắc thiết kế riêng, như được trình bày trong phần tiếp theo.

Quy tắc Định tuyến Cặp Chênh lệch

Các cặp chênh lệch đặc biệt vì tín hiệu chậm và nhanh có thể được định tuyến như cặp chênh lệch. Bất kể tín hiệu nhanh hay chậm, cặp chênh lệch của bạn vẫn cần tuân thủ một số quy tắc thiết kế mà bạn thường áp dụng cho các tín hiệu đơn cuối. Bốn quy tắc thiết kế quan trọng cần xem xét cho cặp chênh lệch là:

• Khả năng chịu đựng trở kháng. Ngay cả khi bạn đang định tuyến ở dưới chiều dài quan trọng, tốt nhất là bạn nên tạo một hồ sơ trở kháng cho cặp chênh lệch của mình trừ khi tiêu chuẩn tín hiệu của bạn nói khác. Các ràng buộc hình học khác sẽ phụ thuộc vào sự biến đổi trở kháng cho phép dọc theo cặp chênh lệch. 
• Chiều dài tối đa không ghép nối. Điều này cho bạn biết khoảng cách dài nhất mà hai bên của cặp chênh lệch có thể giữ không ghép nối (tức là, cách xa nhau một khoảng lớn). Điều này quan trọng vì phần không ghép nối sẽ trông giống như một sự không liên tục về trở kháng, vì vậy nó phải đủ ngắn. 
• Khớp chiều dài.Hãy nhớ, một tín hiệu vi sai được đọc bằng cách lấy sự chênh lệch giữa hai tín hiệu, vì vậy hai tín hiệu cần đến đồng thời tại bộ nhận. Tín hiệu nhanh hơn yêu cầu dung sai độ dài nhỏ hơn.
• Độ dài mạch tối đa. Giống như tín hiệu đơn cuối, các tiêu chuẩn tín hiệu vi sai cũng có thể có ràng buộc về độ dài tối đa. Xem xét CAN bus là một ví dụ; mặc dù đây là một tiêu chuẩn tốc độ thấp, độ dài liên kết tối đa (đường mạch PCB + cáp) sẽ phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu bạn sẽ sử dụng trong hệ thống của mình.

Trong Altium Designer, bạn có thể thiết lập các quy tắc thiết kế cho hai điểm đầu tiên ở trên trong khu vực Routing → Differential Pairs Routing của PCB Rules and Constraints Editor. Hai điểm còn lại có thể được giải quyết trong khu vực High Speed. Điều này được hiển thị cho hình ảnh dưới đây:

Nếu bạn đang làm việc với các cặp vi sai tốc độ cao, bất kỳ quy tắc thiết kế tốc độ cao tiêu chuẩn nào được thảo luận ở trên cũng có thể được áp dụng cho các cặp vi sai. Lưu ý rằng cách dễ nhất để làm điều này là gán các cặp vi sai liên quan đến một Differential Pair Class, và sau đó chọn lớp sẽ được quản lý bởi mỗi quy tắc thiết kế.

Nếu một quy tắc thiết kế không được cấu hình để chấp nhận Lớp Cặp Điện Áp Đối Xứng trong menu thả xuống "Nơi Đối Tượng Phù Hợp", bạn có thể tạo một Truy Vấn Tùy Chỉnh sử dụng trình tạo truy vấn. Điều này được hiển thị dưới đây để gán chiều dài tối đa cho Lớp Cặp Điện Áp Đối Xứng (tìm thấy trong khu vực Tốc Độ Cao của Trình Chỉnh Sửa Quy Tắc và Ràng Buộc PCB).

Giống như với các mạch đơn, đọc tài liệu về tiêu chuẩn tín hiệu của bạn trước khi bạn bắt đầu thiết lập các quy tắc định tuyến PCB. Đây là nơi bạn sẽ tìm thấy thông tin quy tắc thiết kế liên quan cho các tiêu chuẩn tín hiệu đối xứng (thường nằm trong phần Lớp Vật Lý của tiêu chuẩn). Hãy xem bài viết này để xem cách tạo hồ sơ trở kháng, gán mạch cho Lớp Cặp Điện Áp Đối Xứng, và thiết lập một số quy tắc thiết kế cho các lớp này trước khi bạn bắt đầu định tuyến các cặp đối xứng.

Chúng ta vẫn chưa xem xét các quy tắc tính toán tín hiệu cho các tín hiệu nhanh, và đến bây giờ bạn có lẽ đã nhận thấy rằng Altium Designer bao gồm các ràng buộc thiết kế cụ thể để giải quyết các vấn đề về tính toán tín hiệu. Bạn có thể gán các quy tắc định tuyến PCB này với cùng một quy trình bạn đã theo dõi để thêm các quy tắc thiết kế cho các mạch đơn và cặp đối xứng. Những tính năng trong Altium Designer cung cấp cho bạn quyền kiểm soát đầy đủ đối với thiết kế của mình và giúp bạn định tuyến thành công.

Bạn Nên Sử Dụng Giá Trị Nào Cho Các Quy Tắc Thiết Kế?

Đây luôn là một câu hỏi khó trả lời vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Quan trọng nhất, nó phụ thuộc vào giao diện bạn đang sử dụng; USB sẽ có những ràng buộc khác so với PCIe, chẳng hạn.

Giả sử bạn có thông số kỹ thuật cho giao diện và tín hiệu của mình, bạn có thể nhanh chóng suy ra một số hạn chế và giới hạn quy tắc thiết kế, hoặc từ việc tính toán bằng tay hoặc thông qua ước lượng trường hợp xấu nhất.

Đối với một số giá trị như tổn thất chèn, bạn có thể phải sử dụng một bộ mô phỏng đường truyền bên ngoài để có được giá trị tổn thất chính xác, hoặc bạn sẽ phải ước lượng giá trị từ một số phép tính. Đối với các quy tắc thiết kế khác, như chuyển đổi chế độ, việc mô phỏng có thể được thực hiện sau khi định tuyến hoàn tất để chẩn đoán xem có vấn đề gì trong việc định tuyến không.

Altium Designer trên Altium 365® mang lại một lượng tích hợp chưa từng có cho ngành công nghiệp điện tử, trước đây chỉ giới hạn trong thế giới phát triển phần mềm, cho phép các nhà thiết kế làm việc từ xa và đạt được mức độ hiệu quả chưa từng có.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.