Paires différentielles de longueur équivalente


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J'achemine un PCB avec une connexion Ethernet et j'ai un peu de mal à décider comment acheminer au mieux les paires différentielles TX et RX. J'ai fait les calculs d'impédance pour déterminer la géométrie de la piste nécessaire pour une impédance différentielle de 100 ohms et je l'ai confirmée avec le conseil d'administration. Cependant, j'ai un peu de décalage entre les paires TX + / TX- et RX + / RX- (environ 5 mm). Par conséquent, j'emploie la «technique de la ligne ondulée» pour minimiser le décalage de longueur des traces dans une paire.

Ma question est de savoir s'il existe une règle empirique ou un calcul précis pour déterminer la géométrie de la ligne ondulée? Pour illustrer ce que je veux dire, jetez un œil à la pièce jointe - j'ai acheminé une paire avec des gribouillis "lâches" (étiquetés 1. dans l'image) et une autre paire avec des gribouillis "serrés" (étiquetés 2, dans l'image). Lequel est le meilleur et est-ce important? Ma préoccupation avec les «gribouillis serrés» dégrade la qualité du signal en raison des réflexions car les gribouillis sont proches de 90 degrés contre lesquels la plupart des notes d'application déconseillent fortement. Les "gribouillis lâches" d'autre part prennent plus de place et donc je dégrade mon impédance différentielle?

Merci et bonnes vacances! -Igor

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Réponses:


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Je ne sais pas où vous avez lu que la conception de gribouillis est utilisée à cette fin, c'est-à-dire la correspondance de la longueur du chemin. D'après ce que je peux trouver, le seul endroit où un gribouillis (comme celui que vous avez dessiné) est utilisé intentionnellement dans les antennes à gribouillage RFID ; et vous ne voulez probablement pas en construire un sur votre planche!

Ci-dessous est un exemple de correspondance de longueur de chemin d'un livre que j'ai lu (Jacob et al. Memory Systems ). Il y a un ou deux chemins qui ressemblent à des plis, mais seulement avec une ou deux périodes au maximum. Le schéma qui y est montré semble préférer une amplitude élevée du "squiggle" de sorte qu'il a un faible nombre de périodes / répétitions. La plupart des autres itinéraires qui y sont présentés sont allongés d'une manière ou d'une autre, mais pas par des gribouillis. La méthode d'allongement la plus couramment utilisée semble être de faire des demi-tours pentagonaux (un terme que je viens d'inventer parce que je n'en connais pas un établi) de sorte qu'une polyligne extérieure est naturellement plus longue qu'une polyligne intérieure. Je ne sais pas quel logiciel est utilisé pour générer ces conceptions (mais c'est une bonne question).

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Après plus de recherches, il semble qu'un terme commercial pour les gribouillis lorsqu'il est appliqué à la correspondance de longueur de trace soit "traces serpentines".

Et j'ai trouvé un article sur ceux-ci: Une nouvelle pente sur le routage de longueur correspondante par Barry Olney ... Eh bien, l'article vise en fait à proposer une alternative aux serpentins, mais il a des antécédents avant de pouvoir être comparé. Il me semble cependant que les très longues serpentines montrées dans cet article sont à des fins de démonstration / contraste. J'ai vu au moins deux douzaines de modèles de cartes réseau de près dans ma vie informatique (dans plus de 20 ans) et je ne me souviens pas avoir remarqué un squiggle prononcé comme le vôtre (ou celui de cet article) sur l'un de leurs PCB ... il peut avoir existé dans les couches internes (sur les quelques planches qui en avaient plus de deux) où il n'était pas visible. Certaines cartes acheminent leurs signaux différentiels sur les couches internes, comme microruban.

Avec cette terminologie serpentine, il s'est avéré qu'ils sont le sujet standard des manuels scolaires. Le livre Comprendre l'intégrité du signal de Thierauf contient quelques pages à ce sujet. Les termes alternatifs sont (selon ce manuel): "traces de méandre ou de trombone". Si je comprends bien, le nombre de périodes doit être minimisé car chacune contribue à une forme d'onde en échelle créée par diaphonie entre les demi-tours, comme extrait ci-dessous du manuel susmentionné. Il s'agit hélas d'une analyse purement théorique. entrez la description de l'image ici.

Le livre dit également qu'il ne s'agit que d'une solution approximative et qu'un "solveur de champ 3D" est nécessaire pour simuler pleinement le comportement réel; par exemple, le signal se propage en fait plus rapidement dans une serpentine que la longueur de trace 2D ne l'indiquerait. J'ai bien compris la recommandation que le livre allait tirer de ce graphique; en le citant ci-dessous:

Parce que la tension couplée maximale croît avec le nombre de segments dans la serpentine, lors de la disposition d'une serpentine, il est préférable d'utiliser moins de segments longs au lieu d'un plus grand nombre de courts. Moins de segments signifie également moins de virages et moins d'incertitude dans le timing et l'impédance. Pour ces raisons, les segments doivent être longs (généralement supérieurs au temps de montée du signal) et peu nombreux. De plus, étant donné que la diaphonie augmente à mesure que les traces sont étroitement regroupées, l'échelle peut être réduite en augmentant la séparation entre les segments.

Enfin, le livre mentionne également le placement d'une trace de garde à la terre entre les segments dans une serpentine pour réduire (encore) les échelles causées par la diaphonie. Le livre répertorie / cite également quelques articles plus approfondis sur cette question serpentine:

  • Wu, R. et F. Chao, «Laddering Wave in Serpentine Delay Line», IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, Part B, Vol. 18, n ° 4, novembre 1995, p. 644–650.
  • Rubin, BJ et B. Singh, «Étude du retard des lignes de méandre dans les cartes de circuits imprimés», Transactions IEEE sur la théorie et les techniques des micro-ondes, vol. 48, n ° 9, septembre 2000, p. 1452–1460.
  • Orhanovic, N., et al., «Caractérisation des méandres à microruban dans les interconnexions PCB», Actes 50e Conférence des composants électroniques et de la technologie de l'IEEE, Las Vegas, NV, 21-24 mai 2000, pp. 508-512.
  • Shiue, G., et al., «Improvements of Time-Domain Transmission Waveform in Serpentine Delay Line with Guard Traces», IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, EMC 2007, Honolulu, HI, 9-13 juillet 2007, pp. 1 –5.
  • Nara, S. et K. Koshiji, «Étude sur les caractéristiques de temps de retard de la ligne de méandre multicouche hyper-blindé», Symposium international de l'IEEE sur la compatibilité électromagnétique, EMC 2006, vol. 3, Portland, OR, 14-18 août 2006, pp. 760-763.

Sur une note plus pratique, NXP a une note d'application des directives de disposition de PCB DisplayPort (AN10798) qui touche à plusieurs aspects du calcul de la longueur des traces aux pages 4-6. Ils recommandent la conception serpentine illustrée ci-dessous, qui obéit également à d'autres règles, comme ne pas autoriser trop de distance entre les paires différentielles.

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Merci Respawned Fluff. J'ai rencontré ces traces serpentines assez souvent, surtout si vous regardez les connexions entre un processeur et la mémoire. Ma préoccupation particulière concerne les traces Ethernet que j'achemine. J'ai 50 mm de traces et les paires ne correspondent pas de 5 mm (soit une différence de longueur de 5 mm entre TX + et TX- en raison du routage autour du connecteur RJ45). Pensez-vous que je devrais m'embêter avec des serpentins du tout ou simplement continuer tout droit car les paires différentielles car la différence de longueur est d'au plus 5 mm?
IgorEE

Eh bien, vous ne dites même pas quelle vitesse d'Ethernet (100 Mbps, 1 Gbit / s; je suppose que ce n'est pas 10 Gbit / s parce que vous avez mentionné RJ45). Il existe des simulateurs commerciaux (coûteux!) Tels que HyperLynx qui peuvent répondre à ces questions en détail. Je n'ai personnellement conçu aucune carte Ethernet, donc je ne peux pas dire haut sur ma tête. Mais en supposant qu'il s'agit de 1 Gbit / s, vous pouvez probablement apprendre de la conception d'Intel, par exemple intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/design-guides/… En regardant brièvement, ce 5 mm semble beaucoup, donc vous devrait probablement compenser.
Fizz

Désolé, c'est 100Mbp Ethernet donc peut-être que 5mm ia pas trop mal? Je vais jeter un œil à cette conception Intel.
IgorEE

Peut-être. Intel dit de faire correspondre les paires MDI à moins de 30 mils au gigabit. Je suppose que 300 mils (= 7,62 mm) seraient corrects à 100 Mbps; mais je peux me tromper. De plus, il n'est pas très clair si vous parlez de correspondance de longueur intra-paires ou entre paires. Ce dernier est moins critique; même chez Gigabit, Intel autorise un décalage de deux pouces entre les paires (mais seulement 30 mils dans les paires). Ils disent également d'éviter les serpentins pour le MDI (alors qu'ils les autorisent pour le PCIe) en raison de l'augmentation des EMI (avec un câble attaché) et, fait intéressant, également parce que les serpentins diminuent l'immunité ESD.
Fizz

La non-concordance est dans les paires, je suis conscient que la non-concordance entre les deux paires n'est pas aussi critique. Je viens de jeter un œil au routage du modèle RaspberryPi B + car c'est un design que je copie librement, et ils ont également des serpentins sur les lignes Ethernet comme sur mon design ci-dessus, donc je suppose que la correspondance de la longueur est également importante en plus de maintenir impédance différentielle. J'espérais qu'il y aurait une règle de base pour la conception de la forme serpentine, mais apparemment en plus de la comparaison des serpentins serrés et lâches comme mentionné ci-dessus, il n'y a pas de règle et il semble qu'un bon solveur EM serait ...
IgorEE

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Votre plus grande préoccupation avec les gribouillis serrés est qu'une partie de votre signal peut se coupler à travers eux et finir par sortir de l'autre côté plus tôt que vous ne le pensez. Mieux vaut utiliser plus grand comme votre premier dessin.

Gardez également les gribouillages à proximité de votre émetteur, récepteur ou connecteur. Peut-être moins de 1/4 longueur d'onde du contenu de fréquence le plus élevé qui vous intéresse loin de votre émetteur. Mieux vaut regrouper les discontinuités.

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