Độ Trễ Truyền Dẫn là gì trong Thiết kế PCB Tốc độ Cao?

Mọi tín hiệu điện từ, dù là tín hiệu số di chuyển trong một PCB hay là sóng lan truyền qua không khí giữa các ăng-ten, đều có một tốc độ hữu hạn. Tốc độ hữu hạn này chính là độ trễ lan truyền của tín hiệu. Đây là một đại lượng quan trọng vì nhiều lý do, chủ yếu được tìm thấy trong thiết kế PCB tốc độ cao và trong thiết kế hệ thống RF. Giao diện số đối xứng và thiết kế RF nhạy cảm với pha là những lĩnh vực quan trọng nhất nơi mà độ trễ lan truyền trở nên quan trọng và trở thành một tham số quan trọng trong bố cục PCB.

Trong bài viết này, tôi sẽ giải thích cụ thể độ trễ lan truyền được sử dụng ở đâu trong một số tính toán cơ bản cho thiết kế PCB. Chúng ta sẽ sớm thấy rằng những ứng dụng quan trọng của độ trễ lan truyền xuất hiện khi chúng ta cần đảm bảo phản ứng pha nhất quán qua nhiều kết nối liên tiếp trong một PCB.

Độ trễ lan truyền là gì?

Độ trễ lan truyền đề cập đến nghịch đảo của tốc độ của một tín hiệu điện từ di chuyển. Nó chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp PCB để chỉ tốc độ tín hiệu, trong khi các nhà thiết kế mạch tích hợp sử dụng cùng một thuật ngữ để chỉ thời gian cần thiết để một trạng thái logic chuyển từ đầu vào sang đầu ra. Trong một PCB, độ trễ lan truyền mà một tín hiệu trải qua được biểu thị bằng đơn vị thời gian trên khoảng cách (nghịch đảo của tốc độ). Nói cách khác, miễn là bạn biết tốc độ ánh sáng cho một tín hiệu trong PCB, đảo ngược giá trị và bạn có độ trễ lan truyền.

Khi một nhà thiết kế PCB đang lên kế hoạch cho thiết kế đường truyền tín hiệu cho một giao diện kiểm soát trở kháng, họ có thể cần tính toán độ trễ lan truyền cho một tín hiệu trên đường dây đó. Các yếu tố quyết định độ trễ lan truyền của một tín hiệu bao gồm:

• Hằng số điện môi của lớp nền
• Giá trị trở kháng (thực sự là hình học của đường truyền tín hiệu)
• Khoảng cách đến mặt phẳng tham chiếu của đường truyền tín hiệu
• Đối với một cặp vi sai, khoảng cách đến dấu vết khác trong cặp
• Hiệu ứng sợi dệt trong vật liệu điện môi PCB

Định nghĩa cho Striplines và Microstrips

Định nghĩa đơn giản nhất đến từ việc xem xét tốc độ ánh sáng trong chân không; bằng cách sử dụng giá trị Dk của vật liệu PCB của bạn, bạn có thể xác định tốc độ tín hiệu:

Đảo ngược giá trị này, và bạn có độ trễ truyền tải tính bằng đơn vị thời gian trên khoảng cách. Một giá trị điển hình cho microstrip 50 Ohm là ~150 ps/inch, và cho striplines một giá trị điển hình là ~171 ps/inch; cả hai đều giả định Dk = 4 điện môi. Tại sao microstrip lại có độ trễ truyền tải khác so với stripline? Điều này là do sự phụ thuộc vào hình dạng hình học của kết nối liên kết. Đối với stripline, đường dẫn nằm trên lớp bề mặt và một số đường dây điện trường sẽ đi qua không khí, vì vậy tốc độ tín hiệu được xác định bằng cách sử dụng giá trị Dk "hiệu quả":

Tiếp theo, chúng ta cần một công thức cho giá trị Dk hiệu quả cho các đường microstrip. Giá trị này phụ thuộc vào hình dạng hình học của đường truyền tải và nó có thể được tính toán từ các phương trình Maxwell. Sử dụng lý thuyết quasi-TEM cho các đường truyền tải, đã được chứng minh rằng độ trễ truyền tải cho một tín hiệu trên microstrip như sau:

Tại đây, w và h là chiều rộng của dấu vết microstrip và khoảng cách đến mặt đất, tương ứng. Công thức này có thể được sử dụng bằng tay và được biết là chính xác trong một phạm vi giá trị trở kháng mục tiêu trong giới hạn quasi-TEM.

Định nghĩa từ Lý thuyết Đường Truyền

Một cách tổng quát hơn, có một định nghĩa về độ trễ truyền dẫn có thể được tìm thấy trực tiếp từ lý thuyết đường truyền. Công thức này cho độ trễ truyền dẫn yêu cầu bạn biết các giá trị phần tử mạch phân phối cho đường truyền cụ thể của bạn:

Một lần nữa, đảo ngược phương trình này và bạn sẽ có được độ trễ truyền dẫn.

Phương trình này là đúng một cách phổ quát như một mô hình quasi-TEM, nhưng nó không dễ sử dụng cho thiết kế. Thay vào đó, nó thường được sử dụng như một phần của mô hình hồi quy, nơi các giá trị phần tử phân phối trong công thức được xác định thông qua quá trình trích xuất từ các phép đo tham số mạng trong một thí nghiệm hoặc mô phỏng. Các quy trình và thuật toán được sử dụng cho việc trích xuất mô hình mạch là chủ đề cho một bài viết khác.

Nơi Độ Trễ Truyền Dẫn được Sử Dụng

Nói chung, bạn không cần phải biết hoặc tính toán độ trễ truyền dẫn cho mỗi tín hiệu hoặc kết nối dấu vết trên PCB của bạn.

Thời gian trong Thiết kế PCB Tốc độ Cao

Tín hiệu tốc độ cao, dù chúng xuất hiện trên các giao diện đồng bộ nguồn, trên các bus song song, hay trên các cặp vi sai nối tiếp, cần phải đến được bộ thu trong một khoảng thời gian nhất định. Nói chung, khi thời gian tăng của tín hiệu nhanh hơn, khoảng thời gian đó sẽ nhỏ hơn. Điều này có nghĩa là hằng số truyền dẫn phải được biết để áp dụng điều chỉnh chiều dài, đảm bảo tín hiệu đến nơi trong khoảng thời gian yêu cầu.

Ràng buộc thời gian chính xác quyết định giao diện tốc độ cao có hoạt động hay không là sự chênh lệch thời gian giữa hai tín hiệu, mà chúng ta sẽ gọi là Δt. Mối quan hệ giữa sự chênh lệch chiều dài cho phép và sự chênh lệch thời gian cho phép được cho bởi:

Sự chênh lệch chiều dài/thời gian chênh lệch xuất hiện trong ba trường hợp quan trọng:

• Giữa các tín hiệu trong một bus song song (như DDR)
• Giữa hai đường dẫn trong một cặp vi sai
• Giữa nhiều cặp vi sai

Là một ví dụ về việc điều chỉnh chiều dài được áp dụng trong một tình huống thực tế, tôi muốn hiển thị hình ảnh dưới đây của giao diện CSI-2 trên một FPGA với đường dẫn thoát của nó. Hình ảnh dưới đây cho thấy năm cặp vi sai (4 làn tín hiệu và một làn đồng hồ) tạo nên một giao diện CSI-2, thường sẽ được định tuyến vào một kết nối camera. Chúng ta có thể thấy một phần điều chỉnh chiều dài được áp dụng trong mạch vi sai AWR_3_CSI2_TX0, điều này đảm bảo rằng sự không khớp về thời gian giữa hai đường dẫn này được giảm thiểu. Bởi vì phần mềm thiết kế biết được sự không khớp về thời gian cho phép (được chọn bởi nhà thiết kế) và độ trễ lan truyền (được thiết lập trong các quy tắc thiết kế), công cụ thiết kế bố trí PCB có thể kiểm tra sự không khớp về chiều dài bằng cách tự động áp dụng công thức trên.

Phần mềm thiết kế PCB tốt nhất sẽ tự động chuyển đổi giữa sự chênh lệch thời gian cho phép và sự chênh lệch chiều dài thực tế giữa hai tín hiệu, nhưng chỉ khi một trong những ràng buộc này được định nghĩa trong quy tắc thiết kế của bạn và độ trễ lan truyền được biết đến. Nếu phần mềm thiết kế của bạn có thể thực hiện một tính toán trở kháng cho các mạch của bạn không khớp, thì nó cũng có thể xác định độ trễ lan truyền cho hình học đường truyền cụ thể đó, và bạn sẽ không phải tính toán điều này bằng tay.

Xác định Trở Kháng Đầu Vào

Một lĩnh vực quan trọng khác nơi mà việc tính toán độ trễ lan truyền là cần thiết, cả trong thiết kế RF và thiết kế số, là xác định trở kháng đầu vào. Điều này được sử dụng để xác định:

• Liệu một tín hiệu sẽ phản xạ tại đầu vào của một kết nối hay không; nó được sử dụng để xác định một hệ số phản xạ đầu vào (giá trị S11);
• liệu một sự không liên tục về trở kháng có đủ lớn về mặt vật lý để tạo ra phản xạ đáng chú ý trong tín hiệu rộng băng (số).

Trong trường hợp đầu tiên, chúng ta muốn xác định liệu một mạng lưới khớp trở kháng (stub hoặc linh kiện rời) có thể tạo ra trở kháng đầu vào mục tiêu mong muốn hay không. Trong trường hợp sau, chúng ta muốn xác định tại những tần số nào một tín hiệu sẽ bắt đầu phản xạ mạnh từ một sự không liên tục về trở kháng. Công thức để xác định trở kháng đầu vào giữa một nguồn và tải được kết nối với một đường truyền tín hiệu được cho trong hình dưới đây:

Từ đây bạn có thể làm những việc như dự đoán chính xác các tần số mà tại đó tải và nguồn sẽ được khớp trở kháng hoàn hảo bởi một đường truyền tín hiệu có chiều dài l và với trở kháng đặc trưng Z0.

Phản Ứng Pha trong Thiết Kế RF

Cuối cùng, trường hợp thường gặp khác khi cần biết đến độ trễ truyền sóng là trong phản ứng pha của mạch RF. Một số thiết kế RF đòi hỏi kỹ thuật điều chỉnh phản ứng pha của tín hiệu được đưa vào một kết nối. Phản ứng pha cũng liên quan đến độ trễ truyền sóng như sau:

Nói cách khác, khi một tín hiệu với tần số và độ trễ lan truyền đã biết di chuyển một khoảng L trên một kết nối, chúng ta có thể tính toán sự dịch chuyển pha của nó. Phản ứng pha này được sử dụng trong các lĩnh vực như thiết kế mạch in RF để tính toán bất kỳ hiệu ứng nào cần sự can thiệp, như bộ cộng hưởng và bộ lọc. Ví dụ, nếu bạn cần đo lường pha của một tín hiệu đến so với một tham chiếu nào đó, bạn sẽ cần biết sự dịch chuyển pha của tín hiệu dọc theo kết nối của mình, điều này đòi hỏi phải biết độ trễ lan truyền trong hệ thống.

Lĩnh vực quan trọng nhất mà việc khớp phản ứng pha được áp dụng trong thiết kế PCB RF là ở các ăng-ten mảng pha. Những ăng-ten này được sử dụng cụ thể trong radar quét độ phân giải cao, hệ thống không dây MIMO và cảm biến mmWave độc đáo. Những hệ thống này đòi hỏi phải khớp pha trên nhiều phần tử ăng-ten, và mỗi phần tử ăng-ten sẽ có một đường dẫn kết nối với chip truyền nhận. Việc khớp pha là cần thiết để hướng chùm tới mục tiêu hoặc người dùng thiết bị di động, và cách chính xác để thực hiện khớp pha trên toàn bộ mảng là thực hiện điều chỉnh chiều dài, tương tự như những gì bạn sẽ làm trong một bus song song lớn của các tín hiệu đơn cuối.

Một ví dụ đơn giản về mảng ăng-ten vá dạng nối tiếp 4x (cộng với 2 ăng-ten giả) được hiển thị dưới đây. Radar ô tô hiện đại có nhiều ăng-ten hơn, với kích thước mảng ảo đạt tới hàng trăm ăng-ten.

Trong những hệ thống này, tần số hoạt động thường nằm trong phạm vi mmWave (tại WiFi hoặc cao hơn), do đó, các đường truyền dẫn thường được định tuyến dưới dạng đường dẫn sóng đồng mặt phẳng. Các phương trình thiết kế cho đường dẫn sóng đồng mặt phẳng khá khác biệt so với microstrip tiêu chuẩn, do đó có thể cần đến máy giải phương trình trường điện từ để xác định độ trễ truyền dẫn cho những đường này.

Bất cứ khi nào bạn cần thiết kế một PCB tính đến độ trễ truyền dẫn, hãy chắc chắn bạn sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB đầy đủ và các công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer^®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365^™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.