Yüksek hızlı Signal Quality'i geliştirmek için diferansiyel Impedance Control kullanarak

Giriş: Yüksek Hızlı Tasarımda Impedance Control'in Eleştirel Rolü

Modern elektronik sistemler, veri oranlarına her zaman ihtiyaç duyar, USB 4.0 ve PCIe Gen 5'ten 400G'ye kadar Ethernet ve ötesindekilere ihtiyaç duyar, hatta küçük sinyal bozulması, kesintilerine ve sistem başarısızlıklarına neden olabilir.Grupleterasyonel müdahalenin daha fazla uygun olmadığının anlaşılması, elektromanyetik müdahalenin azaltılması ve uzun izlerinin korunması için en güçlü teknikler arasında temel bir gerekliliktir.

Tek uçlu sinyallemenin aksine, diferansiyel çiftler paralel olarak seyahat eden iki tamamlayıcı işarete güvenir. İki iletken arasında ölçülen dürtü - diferansiyel dürtü - sürücü ve alıcı dürtüleri eşleştirmek için kontrol edilebilir.Bu makale, teoriye, pratik tasarım tekniklerini ve veri bağımlı jitterleri doğru bir şekilde araştırıyor.

Diferansiyel Impedance Anlamak

Diferansiyel dürtü ([Dönetici:0)Z[Dönetici:0][Dönetici:2][Dönetici: 3 )), dielektrik malzemelerinin belirli özellikleri ile, tipik bir baskılı devre (PCB) ile aynı zamanda iki izden oluşur.

İdeal bir kayıpsız iletim hattı için, diferansiyel engelle ilgili olarak:

[FONT:0]Z [FONT:2] [FONT: 3 )[DÜye Olmayanlar[DÜyeler)[Üye Olmayanlar[Üyeler)

[FONT=0]Z[DÜDÜDÜDÜDÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN

Diferansiyel sinyal, doğal olarak ortak mod gürültüsünü iptal eder. Çünkü her iki iletken de yakın bir şekilde, her satırda herhangi bir dış gürültü çiftleri eşit şekilde sabitlenir. Alıcıda, sinyal iki çizgi arasındaki gerilim farkı geri alır, böylece ortak mod bileşeni reddedilir.Bu inşa edilmiş gürültü bağışıklığı büyük bir avantajdır - ancak sadece tüm yol boyunca ayrımcılığa yol boyunca tutarlıdır. Variations dönüşümün nedeni, diferansiyel enerji ve yayılabilir enerjiler EMI olarak yayılır.

Yüksek Hızlı Tasarımda Neden Direnme Kontrol Maddeleri

Basit ayrı ayrı yönlendirme kontrolün faydaları, birden çok sinyal bütünlüğüne yayılmıştır. Aşağıda en etkili avantajlar vardır.

Yanma ve Signal Integrity

İzleyen sonsuzluklar - çünkü iz genişliği, spacing, tabaka geçişleri veya kablo geri alındı - kısmi aynalar olarak geri yansıtılır. Olay enerjisinin bir kısmı geri yansıtılır, geri kalan sinyalin bozulmasıyla birlikte kalırken, %10 yanlış bir uyum önemli bir göz önünde bulundurulur.

EMI Suppression

Diferansiyel çift doğal olarak tek taraflı meslektaşlarından daha az EMI yayıyor çünkü alanları uzak alanda iptal ediyor. Ancak, diferansiyel dürtü değişirse, ortak mod mevcut artışlar, yüksek çözünürlük ve yelten emisyonlar yaratıyor. Kontrollü dürtü düşük kalıyor, ortak mod bileşeninin daha az marjla CC veya EMC sertifikası almasına yardımcı oluyor.

Yüksek Veri Oranları ve Uzun Mesafeler

Temiz dürtü kontrollü kanallar daha yüksek modülasyon oranlarına destek olabilir (örneğin, PAM4) ve daha uzun iz uzunluğu eşitleştirmeye ihtiyaç duyulduğunda, bu durum arka düzlemlerde, otomotiv ağları ve veri merkezi bağlantıları ile sınırlandırılabilir. Örneğin, 100 AND farklılığı bir şekilde iz taşıyabilir.

İmalatta Yeterlik

Tasarım dosyaları kontrollü bir şekilde tespit edildiğinde, PCB kumaşçılar tazminat, yığın malzemeleri ve dielektrik kalınlığı hedef vurmalı.Bu tekrarlanabilirlik, her bir üretimde yönetim kurulunun benzer şekilde davrandığını, per-board ayarlanması ve verimin iyileştirilmesini sağlar.

Diferansiyel Impedance için Anahtar Tasarım Parametreleri

Doğru diferansiyel dürtüyü ayarlama, birkaç fiziksel parametrenin dikkatli bir şekilde seçilmesini gerektirir. Bunlar PCB düzeni aşamasında manipüle edilir ve simülasyon yoluyla doğrulanır.

Trace Genişlik ve Copper Kalınlık

Wider izlerinin daha düşük bir engeli vardır.Bir 100 GU diferansiyel çift tipik bir PCB (1 oz bakır, 0,5 mm dielektrik yüksekliği FR4), iz genişliği genellikle 4 ila 8 mil arasında değişir.Kesiklik, aynı izi azaltır ve daha geniş izler daha fazla alan kullanır ve geçişini artırabilir.

Pair Spacing (Gap)

İki iz arasındaki mesafe, darbe için birincil kontroldür. Daha küçük bir boşluk darbeyi arttırır, diferansiyel gürültüyü azaltır, ancak çizgileri birbirine doğru yükselterek 2×'a doğru giden tek taraflı boşlukları yükseltmek.

Dielektrik Constant (Dk) ve Yükseklik (H)

Yüzey malzemesinin dielektrik sabiti doğrudan, sinyal tabakası ve benzeri olmayan referans uçağının hızını etkiler. FR4, frekansla (yaklaşık 4.0-4.5, 10 GHz'de) değişir. Yüksek Dk, belirli bir geometri için imkansız olan yüzeylerle çalışmalıdır.

Referans Plane Proximity

Diferansiyel çiftlerin doğrudan aşağıda (veya yukarıda) sürekli sağlam bir referans uçağı olması gerekir. Herhangi bir boşluk, bölünmüşler veya uçak genişliğindeki değişiklikler, tıkanma sonsuzluklara neden olur. gömülü striptiz çiftleri için, iki referans uçağı (above ve aşağıda) sıkı bir alan sınırlaması ve haçlı bir şekilde sabitlenir.

Hesaplama ve Simulating Diferansiyel Impedance

IPC-2141A veya Wadell'in denklemleri kullanarak hesaplamalar bir başlangıç noktası sağlar, ancak modern tasarımlar elektromanyetik alanları doğru bir şekilde modeller, darbe için muhasebe, bakır kabalık ve frekans bağımlı kayıplar için.

Popüler simülasyon araçları şunları içerir:

Doğru sonuçlar için, hedefle ilgili olarak, bakır kalınlığı, işletim frekansında Dk () Tangent rota) ayrıca kayıp model için önemlidir ve yığın geometrisi. Tipik bir iş akış: Z diff ile en kritik ağlarla tanışmak için çöp kutusu tasarlayın (örneğin USB 3.0 çiftleri, Krishna veri hatları), sonra bu netler dikkatle ayarlandığından sonra, yeniden yapılandırmadan sonra, yeniden ortaya çıkar.

Daha derin bir dalış için, LVDS için (Dönetici) için kontrol edilen yönlendirmeye kılavuz olarak bakınız.[Dönetici:0) ve [[Dönetici:2)

Achieving Controlled Impedance için Pratik Teknikler

Simülasyon hedef belirler, ancak PCB üretim süreci bunu fark etmelidir. Birkaç teknik, üretilen tahtanın tasarım niyetini karşılamasını sağlar.

Kontrollü Dielektrik Malzeme Seçimi

Standart FR4'ün geniş bir Dk toleransı (örneğin ±10%) vardır. Yüksek hızlı tasarımlar için, Megtron 6 veya Isola FR408HR gibi malzemeleri kullanın. Bunlar aynı zamanda daha düşük kayıp Tangents, sinyalin değerlendirilmesi.

Impedance Test Kuponları

Çoğu kumaşçı, Panelde küçük test desenleri (koupons) veya kenardan koparma anlamına gelir. Bu kuponlar aynı hedef engelli ve Time Domain Reflectometry (TDR) kullanarak ölçümlemek gerekir. endüstri standardı I-6012, ölçümlemenin % 10'u (veya yüksek çözünürlükte) ± 10'u oranında düşmesi gerekir. Tasarımcılar her eleştirel diferansiyel çift tipi ve katman için kuponları test etmelidir.

Etch Compensation ve Kontrol Etching

Etching sırasında, bakır izleri mükemmel bir dikdörtgenden ziyade biraz tuzak haline gelir.Bu yan duvar açısı etkili genişlikte azaltır ve dürtüyü artırır. Fabricators bu nedenle tasarım genişliğini ayarlar (örneğin olumlu vsh tazminatı (e.g. +0.5 mil) için doğru olan son izi sağlar.

Via Optimizasyon

Her bir tür diferansiyel çift geçiş bir engeli ortadan kaldırır. Bunu kullanarak geri kullanımdan vazgeçin, antipad büyüklüğü ile ayarlayın ve zemini kanalize etmek için işaretleyin.Çok yüksek hız için (≥28 Gb /s) için, mikrovias kullanmayı düşünün.

Diferansiyel Impedance Control

Deneyimli mühendisler bile bu sorunların erken tasarrufları pahalı yönetim dönüşlerini kabul eden tuzaklara düşebilir.

Asymmetric Routing

Bir çiftteki iki iz aynı uzunluklara ve geometrilere sahip olmalıdır. Bir iz daha uzunsa veya farklı bir genişlike sahipse, garip-mode impedances farklı, mod dönüştürme. her zaman yılanlarla eşleşme izlerini oluşturmak, ancak yılanların uzunluğunın kendi başına çok fazla darbe sunmasını sağlamak.

Abrupt Bends ve Mitered Corners

Dokuz derece virajlar, zor değişikliklere neden olabilir. 45° chamfered virajlar veya eğri izlerini kullanın ve genişliği takip etmek için büyük bir bağı bükmeye devam edin.Kaçlar izler arasında sürekli spacing sağlamalıdır.

Crossing Split Planes

Referans uçağında bir boşluktan asla uzaklaşmak (örneğin, zemin ve güç arasında bir moat). Geri dönüş akımı boşlukta, büyük bir kesintiye neden olmak ve her zaman çiftin altında sürekli bir bakır dökmek zorundadır.

Pikser Maskeyi ve Conformal Kaplamayı Ignoring

Pikye maskesi 3.5-4.0 civarında bir dielektrik sabitine sahiptir, bu da izlerin üzerindeki etkili Dk'i azaltır. Kontrollü dürtü için, maske simülasyona dahil edilmelidir. Birçok kumaşçı, dış tabakalarda hava dielektrik korumak ve hedefin engellenmesini sağlamak için “kütmeler” sunar.

Overlooking85 ve Cable Transition

PCB izinin imkansızlığı, örneğin, yüksek hızlı bağlantılarda kullanılan mikro-köksel veya ikiz kablolar ayırıcı engellerini tanımlamış olmalıdır. Bağlantının yakınındaki başlangıç bölgesi optimize edilmiş pedstack ve referanslarla kontrol edilmelidir.

Ölçme ve Doğrulama Impedance

Gemiler üretildiğinde, doğrulama önemlidir. İki birincil yöntem TDR ve VNA ölçümleridir.

Time Domain Reflectometry (TDR)

Bir TDR hızlı bir adım pul gönderir (tipik olarak 35-50 ps yükseliş zamanı) izden aşağı ve yansımaları ölçür.Rebat kattan, dürtü profiline karşı zaman (Keyor uzaktan) hesaplanan, Tektronix DSA8300 olarak şarj edilebilir.

Ek olarak TDR için, iki pul aynı anda başlatılır - olumlu, bir negatif - ve diferansiyel dürtü, ortaya çıkan mevcut ve gerilimden elde edilir. Bu, diferansiyel çiftlerin özelliklerini doğrulama için altın standarttır.

Vector Network Analyzer (VNA)

Bir VNA, bir frekans aralığında S-parametreleri ölçer.Diferansiyel S-parametreler (SDD11, SDD21), dürtüsel uyum ve ekleme kaybı karakterize eder.Diferansiyel dürtüler, iznin elektriksel olarak kısa olduğu düşük frekanslarda teslim edilebilir. VNA ölçümler özellikle de geçerli modelleri ve yüksek frekanslı davranışların 50 GHz'ye kadar kullanışlıdır.

Impedance Test Kupon Ölçümü

Üretimde, kumaşçılar kısa bir pul sübvansiyonun süpürücüksüz testçileri kullanıyor ve kupon izlerinin engelini okuyorlar. Sonuç hedef, hedefin kabul edilebilirliği ile karşılaştırılıyor.

Sonuç: Diferansiyel Impedance Control

Veri oranları 50 Gb /'nin ötesine geçiyor ve mmWave aralığına göre, diferansiyel dürtü kontrolü her zaman daha kritik hale gelir. Gelişmiş malzemeler (liquid kristal polimer, Filtre kompozitleri), tam lazer ve efekt, yüksek çözünürlükte bulunan pasifler, burada açıklanan ilkeleri talep edecektir - fiziği, kullanım simülasyonunu anlamak, ortak hataları önlemek ve ölçüm yoluyla doğrulamak - sağlam, yüksek performanslı arabirimler sunmak - yarın elektronik sistemlerle tanışmak için sağlam, yüksek performanslı arabirimler.

İleri konularda daha fazla okuma için, bu sansencere bakınız:0)Signal Integrity Journal makalesi diferansiyel sinyale) ve kapsamlı [[Dönemli laminatlara ilişkin kapsamlı kütüphane[Dönemli)