Como faço para definir traços de PCB para uma determinada "impedância diferencial"
Esta é uma tentativa de elaborar uma boa pergunta geral e responder a um tópico que já foi perguntado antes, mas apenas em situações específicas.
Você poderia descrever o que eu preciso saber antes de colocar uma placa PCB para um par de sinal diferencial com uma "impedância diferencial" especificada?
Os pares diferenciais são usados ​​para vários barramentos seriais de alta velocidade, incluindo USB, MIPI, RS-422, RS-485, PCI Express, DisplayPort, LVDS, HDMI e muito mais.
Qual é a definição de "impedância diferencial"? Em uma placa PCB, preciso torcer ou alternar os fios, como é feito para pares diferenciais em um cabo? A impedância de cada comprimento corresponde a metade da "impedância diferencial" ou é mais complicado que isso? Qual deve ser a proximidade do comprimento, dada a frequência máxima do sinal?
Referências que podem ser úteis:
Roteamento de par diferencial
Impedância diferencial ... finalmente simplificada
pcb-design differential impedance-matching
Tentarei responder brevemente, mas um ótimo recurso para esse tipo de pergunta é o Signal and Power Integrity - Simpified de Eric Bogatin .
Você listou e descreveu vários protocolos de velocidade muito alta que possuem taxas de borda de sinal na faixa de centenas de picossegundos. O que isso significa é que até traços de apenas alguns centímetros podem ser considerados eletricamente longos e que esses canais de transmissão devem ser roteados como linhas de transmissão .
Coloque muito, muito brevemente, que apresenta uma linha de transmissão com uma impedância conhecido para um controlador de alta velocidade (transceptor de série na entrada / saída de um SerDes) permite a transmissão de dados de cruzar a linha sem reflexões de sinal deletrious que podem interferir com a comunicação com êxito. Isso pode se manifestar como interferência entre símbolos (ISI), diafonia, tremulação adicional, tornando uma UI (intervalo de unidades) inutilizável e muitos outros efeitos. Lembre-se de que alguns desses protocolos (como PCIe) estão ultrapassando 8GT / s em relação ao cobre convencional no FR-4 de baixo custo; para fazer isso, os designers devem fazer o possível para fornecer um canal de alta qualidade para transmissão de dados.
Um determinado protocolo (ou especificação) geralmente lista uma impedância característica desejada . Como exemplo, a Intel pode solicitar que os traços PCI Express para suas plataformas Xeon sejam roteados como "pares diferenciais de 100 ohm". Isso significa que eles qualificaram e projetaram seus transceptores PCI Express para esperar uma linha de transmissão de impedância característica de 100 ohm para transferência de dados. O USB geralmente requer 90 ohms, o RS-422 pode ser 120 ohms e a Ethernet é 100 ohms. Não vou entrar nas estruturas de linha de transmissão de extremidade única neste post, mas, como mencionado abaixo nos comentários, para uma ordem aproximada de primeira ordem, você pode considerar cada 'metade' das estruturas abaixo como metade da impedância do par.
Agora, para criar a estrutura da linha de transmissão em um PCB FR-4 convencional (para manter esse material acessível!), Temos várias opções. Para traços diferenciais, temos várias opções. Digamos que seus traços estejam na camada superior ou inferior - a opção 1 é a micro-borda acoplada à borda (a imagem que eu tenho é 'revestida', onde a máscara de solda está acima dela. Tecnicamente , há revestida acoplada à borda e acoplada à borda) superfície para opções da camada superior / inferior - para trabalhos de RF de alta frequência, até a presença de máscara de solda pode ser um problema).
Com base na distância do plano de retorno abaixo dele, no espaçamento entre as duas linhas e na largura de cada linha, o seu PCB fab pode fornecer uma estrutura que apresenta a impedância alvo.
Agora, digamos que você esteja em uma camada interna. A estrutura usada aqui é geralmente uma micro-faixa incorporada acoplada à borda :
Semelhante ao primeiro, este também leva em consideração a distância do plano de referência mais próximo. Muitos projetistas preferem enterrar seus pares de alta velocidade em camadas internas para se beneficiar da blindagem "livre" de aviões de cobre para reduzir as emissões irradiadas. A linha de deslocamento offset acoplada à borda é usada quando você tem uma camada de sinal imprensada entre duas camadas planas:
Para obter essas estruturas diferenciais , entre em contato com a fábrica de PCBs e informe as impedâncias diferenciais que procura - isso faz parte do processo de design de empilhamento de PCBs . A fábrica fabrica os materiais reais que eles usam (que têm valores diferentes de Er) para núcleos e materiais pré-impregnados e retornam a você com um conjunto de geometrias a serem seguidas em sua ferramenta de design, por exemplo, ( não números reais) "0,2 mm traços grossos com espaçamento de 0,15 mm nas camadas 1 e 8 para impedância de 100 Ohm +/- 10% ". Em seguida, você insere esses valores no Altium, e ele inteligentemente garantirá que, quando você rotear pares, você chamar como diferencial que eles sigam essas geometrias.
Por padrão, quando você fabrica sua PCB com sua loja e envia o empilhamento projetado, esses rastreamentos resultam na impedância característica desejada. Você deve solicitar um cupom de impedância , que geralmente é um pedaço do seu PCB da parte externa da matriz, onde uma estrutura duplicada da linha de transmissão foi criada, e um TDR (refletômetro no domínio do tempo) é usado para fornecer a você o valor real. impedância construída. A tolerância típica é de cerca de 10% .
A correspondência de comprimento não afeta a impedância diferencial e difere de protocolo para protocolo. Há inclinação entre pares (P para N) e inclinação entre pares / entre pistas (ou seja, da PCIe Tx Lane 0 a 1), onde a última geralmente é mais tolerante à incompatibilidade do que a anterior. Isso é algo que você geralmente analisa próximo ao fim para adicionar roteamento sinuoso ou serpentino para fazer com que os membros do par atendam às especificações do fabricante. Eu uso um script que despeja os comprimentos líquidos brutos para o Excel e, em seguida, formatação condicional para me informar como estou indo ao encontro das especificações (um pouco redigida - este é um quadro com um módulo que apresenta alguma incompatibilidade e uma PCB da operadora que não corresponda):
E aqui está um exemplo de configuração da Altium para pares diferenciais de 100 ohm com base nas recomendações do meu fornecedor:
Aqui estão algumas outras dicas que eu aprendi ao longo do caminho que podem ajudá-lo em nenhuma ordem específica:
Dada a tolerância à incompatibilidade de um fabricante, comece pela metade, se possível. Em um caso como o PCI Express, no qual você possui um PCB host e um PCB transportador, isso (mais ou menos) divide a tolerância entre os dois.
Ao fabricar uma placa com impedâncias diferenciais, use "D-Codes". Use os dígitos de centenas ou milésimos em larguras de traço para diferenciar entre diferentes impedâncias. Por exemplo, se 0,20 mm fosse chamado como a largura para 90 ohm e 100 ohm, eu faria 90 ohm 0,20 mm e 100 ohm 0,202 mm e acrescentaria uma nota de fabricação explicando o que fiz. O engenheiro de CAM pode escolher facilmente os pares usando seu software e fazer o que ele precisa.
Portanto, antes de iniciar seu próximo projeto de PCB com protocolos / requisitos que implicam roteamento de rastreamento diferencial:
Identifique todas as diferentes impedâncias a serem controladas e em quais camadas elas estarão (quais são as suas camadas de sinal).
Entre em contato com sua casa de fabricação com as informações acima e trabalhe com elas para definir um empilhamento para o seu projeto e obter as geometrias necessárias. Como alternativa, conforme declarado nos comentários abaixo, com o material apropriado e outras informações, suas ferramentas de EDA podem fornecer as geometrias necessárias.
Configure sua ferramenta CAD com as regras apropriadas com base nos números da etapa 2.
Defina as classes líquidas para os pares e siga em frente!
Utilize um script ou similar para gerar um relatório que mostre incompatibilidades entre pares / pares internos e se elas estão dentro das especificações ou não.
Além disso, é possível resolver as geometrias necessárias, mas sempre me apóio na minha casa fabulosa, porque meus produtos geralmente são de baixo volume e ficam com um, talvez dois fornecedores. Também não tenho certeza de que parte desta resposta ofendeu alguém - se houver algo de fato incorreto, entre em contato.
— Krunal Desai 01/01
Você pode afirmar claramente que (para uma primeira aproximação) a impedância de cada linha é metade da "impedância do par". Altium, entre outros, pode resolver a largura da linha correta para fornecer uma determinada impedância.
Nunca tive bons resultados com a calculadora do Altium, mas acrescentei que as ferramentas de EDA podem fazer as contas para você + uma observação sobre a impedância SE.
Observe que é possível obter cupons de teste de impedância 'gratuitos' (o fabricante da PCB cobrará por eles). Em uma camada controlada por impedância (por exemplo, com 100 diff), encontre uma área não utilizada e execute um par diferencial e exponha em cada extremidade à superfície com blocos de teste. Em qualquer camada, a impedância de qualquer par estará muito próxima da impedância de qualquer outro par; portanto, esse par fictício é representativo de outros pares nessa camada. Obtenha seu TDR e meça.
@Bryce, se a impedância da linha individual é metade da impedância diferencial depende se o par é "fortemente acoplado" ou "fracamente acoplado". Quando as duas linhas estão distantes (digamos, mais de 3 ou 4 larguras de traço), as linhas são fracamente acopladas e a impedância da linha individual é cerca de 1/2 da impedância do par. Se as duas linhas estiverem mais próximas, elas serão fortemente acopladas e isso não será verdade.
A impedância diferencial é afetada pelo acoplamento entre os dois lados do par. Geralmente, os pares diferenciais de PCB são roteados paralelamente lado a lado em um espaço específico dentro de uma configuração específica das camadas de PCB. Se não houver acoplamento entre os dois lados (eles estão suficientemente afastados), a impedância diferencial será exatamente o dobro da impedância característica de extremidade única de cada lado. À medida que os dois lados se acoplam mais estreitamente, a impedância diferencial diverge mais desse caso. Talvez algumas idéias básicas neste meu blog: https://blog.zuken.com/routing-pcb-differential-pairs/