Coppie differenziali corrispondenti alla lunghezza


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Sto instradando un PCB con una connessione Ethernet e ho un po 'di problemi a decidere il modo migliore per instradare le coppie differenziali TX e RX. Ho fatto i calcoli dell'impedenza per capire la geometria del binario necessaria per l'impedenza differenziale di 100 ohm e l'ho confermata con la scheda. Tuttavia, ho un po 'di disallineamento di lunghezza tra le coppie TX + / TX- e RX + / RX- (circa 5 mm). Quindi, sto impiegando la "tecnica della linea ondulata" per ridurre al minimo la mancata corrispondenza della lunghezza delle tracce in una coppia.

La mia domanda è se esiste una regola empirica o un calcolo preciso per capire la geometria della linea ondulata? Per illustrare ciò che intendo, dai un'occhiata all'allegato: ho instradato una coppia con le chiavette "allentate" (etichettate 1. nell'immagine) e un'altra coppia con le chiavette "strette" (etichettate 2, nell'immagine). Qual è il migliore e conta davvero? La mia preoccupazione per gli "squiggles stretti" è il degrado della qualità del segnale a causa dei riflessi poiché gli squiggles sono vicini ad angoli di 90 gradi che la maggior parte delle note delle app sconsigliano fortemente. I "squiggles sciolti" invece occupano più spazio e quindi sto degradando la mia impedenza differenziale?

Grazie e buone vacanze! -Igor

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Risposte:


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Non sono sicuro di dove tu abbia letto che il design dello squiggle è usato per questo scopo, cioè la corrispondenza della lunghezza del percorso. Da quello che posso trovare l'unico posto in cui uno squiggle (come quello che hai disegnato) viene utilizzato intenzionalmente nelle antenne squiggle RFID ; e probabilmente non vuoi costruirne uno sul tuo tabellone!

Di seguito è riportato un esempio di corrispondenza della lunghezza del percorso da un libro che ho letto (Jacob et al. Memory Systems ). Ci sono uno o due percorsi dall'aspetto irregolare ma solo con uno o due periodi al massimo. Lo schema qui mostrato sembra preferire un'elevata ampiezza dello "squiggle" in modo che abbia un basso numero di periodi / ripetizioni. La maggior parte degli altri percorsi mostrati lì sono allungati in qualche modo, ma non con gli scarabocchi. Il metodo di allungamento più comune usato sembra essere l'inversione a U pentagonale (un termine che ho appena inventato perché non ne conosco uno stabilito) in modo che una polilinea esterna sia naturalmente più lunga di una interna. Non so quale software venga utilizzato per generare quei progetti (ma è una buona domanda).

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Dopo ulteriori ricerche, sembra che un termine commerciale per gli scarabocchi quando applicato alla corrispondenza della lunghezza della traccia sia "tracce serpentine".

E ho trovato un articolo che parlava di quelli: una nuova inclinazione sull'instradamento a lunghezza abbinata di Barry Olney ... Beh, l'articolo in realtà riguarda la proposta di un'alternativa ai serpentini, ma ha qualche sfondo prima di arrivare al confronto. Mi sembra tuttavia che le lunghissime serpentine mostrate in quell'articolo siano a scopo dimostrativo / di contrasto. Ho visto almeno due dozzine di modelli di schede di rete da vicino nella mia vita informatica (in oltre 20 anni) e non ricordo di aver notato uno scricchiolio pronunciato come il tuo (o quello in quell'articolo) su nessuno dei loro PCB ... Ora potrebbe essere esistito negli strati interni (sulle poche schede che avevano più di due) dove non era visibile. Alcune carte indirizzano i loro segnali differenziali sugli strati interni, come microstriscia.

Con questa terminologia serpentina, si è scoperto che sono argomenti da manuale standard. Il libro sulla comprensione dell'integrità del segnale di Thierauf contiene un paio di pagine su questo. Termini alternativi sono (secondo quel libro di testo): "tracce di meandri o tromboni". Se lo capisco bene, il numero di periodi deve essere ridotto al minimo perché ognuno contribuisce a una forma d'onda a forma di scala creata dal crosstalk tra le inversioni a U, come estratto di seguito dal libro di testo di cui sopra. Questa è purtroppo un'analisi puramente teorica. inserisci qui la descrizione dell'immagine.

Il libro dice anche che questa è solo una soluzione approssimativa e che è necessario un "risolutore di campi 3D" per simulare completamente il comportamento reale; per esempio, il segnale si propaga effettivamente più velocemente in una serpentina di quanto indicherebbe la lunghezza della traccia 2D. Ho intuito correttamente la raccomandazione che il libro avrebbe tratto da quel grafico; citandolo di seguito:

Poiché la massima tensione accoppiata cresce con il numero di segmenti nella serpentina, quando si dispiega una serpentina, è meglio usare un numero inferiore di segmenti lunghi anziché un numero maggiore di segmenti corti. Meno segmenti significano anche meno curve e meno incertezza nei tempi e nell'impedenza. Per questi motivi i segmenti dovrebbero essere lunghi (in genere maggiori del tempo di salita del segnale) e pochi in numero. Inoltre, poiché la diafonia aumenta man mano che le tracce sono strettamente raggruppate, la scala può essere ridotta aumentando la separazione tra i segmenti.

Infine, il libro menziona anche il posizionamento di una traccia di guardia a terra tra i segmenti di una serpentina per (ulteriormente) ridurre la scala causata dalla diafonia. Il libro elenca anche / cita alcuni articoli più approfonditi su questo problema serpentino:

  • Wu, R. e F. Chao, "Onda laddering nella linea di ritardo serpentina", Transazioni IEEE su componenti, packaging e tecnologia di produzione, parte B, vol. 18, n. 4, novembre 1995, pagg. 644-650.
  • Rubin, BJ e B. Singh, "Studio del ritardo delle linee meandri nei circuiti", Transazioni IEEE su teoria e tecniche delle microonde, vol. 48, n. 9, settembre 2000, pagg. 1452-1460.
  • Orhanovic, N., et al., "Caratterizzazione dei meandri Microstrip nelle interconnessioni PCB", Atti del 50 ° Congresso IEEE sui componenti elettronici e la tecnologia, Las Vegas, NV, 21-24 maggio 2000, pagg. 508-512.
  • Shiue, G., et al., "Miglioramenti della forma d'onda della trasmissione nel dominio del tempo nella linea di ritardo serpentino con tracce di guardia", Simposio internazionale IEEE sulla compatibilità elettromagnetica, EMC 2007, Honolulu, HI, 9–13 luglio 2007, pagg. 1 -5.
  • Nara, S. e K. Koshiji, "Studio sulle caratteristiche del tempo di ritardo della linea di meandri iper-schermati a più strati", Simposio internazionale IEEE sulla compatibilità elettromagnetica, EMC 2006, vol. 3, Portland, OR, 14-18 agosto 2006, pagg. 760–763.

Su una nota più pratica, NXP ha una nota app Linee guida per il layout del PCB DisplayPort (AN10798) che tocca diversi aspetti della tracciabilità della lunghezza a pagina 4-6. Raccomandano il disegno a serpentina mostrato sotto, che obbedisce anche ad altre regole, come non consentire una distanza eccessiva tra le coppie differenziali.

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Grazie Fluff rigenerato. Ho incontrato queste tracce serpentine abbastanza spesso, soprattutto se si osservano le connessioni tra una CPU e la memoria. La mia particolare preoccupazione sono le tracce Ethernet che sto instradando. Ho 50 mm di tracce e le coppie non corrispondono a 5 mm (ovvero 5 mm di differenza di lunghezza tra TX + e TX- a causa del routing attorno al connettore RJ45). Credi che dovrei preoccuparmi delle serpentine o semplicemente dirottare dritto come coppie differenziali poiché la discrepanza della lunghezza è al massimo di 5 mm?
IgorEE,

Bene, non stai nemmeno dicendo quale velocità di Ethernet (100 Mbp, 1 Gbps; suppongo che non sia 10 Gbps perché hai menzionato RJ45). Esistono (costosi!) Simulatori commerciali come HyperLynx che possono rispondere a queste domande in dettaglio. Non ho progettato personalmente alcuna scheda Ethernet, quindi non posso dirlo dalla parte superiore della mia testa. Ma supponendo che questo sia 1 Gbps, probabilmente puoi imparare dal design di Intel, ad esempio intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/design-guides/… Guardando brevemente quel 5mm suona molto, quindi dovrebbe probabilmente compensare.
Fizz,

Mi dispiace, è Ethernet da 100 Mbp, quindi forse 5 mm non è poi così male? Dò un'occhiata a quel design Intel.
IgorEE,

Possibilmente. Intel dice di abbinare le coppie MDI entro 30 mil a gigabit. Suppongo che 300 mil (= 7,62 mm) andrebbero bene a 100 Mbps; Ma potrei sbagliarmi. Inoltre, non è molto chiaro se stai parlando della corrispondenza della lunghezza tra coppie o tra coppie. Quest'ultimo è meno critico; anche a Gigabit Intel consente una discrepanza di due pollici tra le coppie (ma solo 30 mil all'interno delle coppie). Dicono anche di evitare i serpentini per MDI (mentre li consentono per PCIe) a causa dell'aumentato EMI (con cavo collegato) e, cosa interessante, anche perché i serpentini riducono l'immunità ESD.
Fizz,

La mancata corrispondenza è all'interno delle coppie, sono consapevole che la mancata corrispondenza tra le due coppie non è così critica. Ho appena dato un'occhiata al routing del modello RaspberryPi B + in quanto questo è un design che sto copiando vagamente, e hanno anche serpentine sulle linee Ethernet come sul mio disegno sopra, quindi immagino che anche la corrispondenza della lunghezza sia importante oltre a mantenere impedenza differenziale. Speravo che ci fosse qualche regola empirica per quanto riguarda il design della forma a serpentina ma apparentemente oltre al confronto tra serpentine strette e sciolte come menzionato sopra, non esiste alcuna regola e sembra che un vero risolutore di EM sarebbe ...
IgorEE,

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La tua più grande preoccupazione con gli squiggles stretti è che parte del tuo segnale può accoppiarsi attraverso di loro e finire per uscire dall'altra parte prima di quanto pensi. Meglio usare più grandi come il tuo primo disegno.

Inoltre, tieni gli squiggles vicini al trasmettitore, al ricevitore o al connettore. Forse meno di 1/4 della lunghezza d'onda del più alto contenuto di frequenza di interesse lontano dal trasmettitore. Meglio raggruppare le discontinuità insieme.

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