Al diseñar trazas de placa de circuito, ¿qué impedancias debo tener en cuenta?

Hago diseños de circuitos de baja velocidad para microcontroladores y similares (generalmente a menos de 20 MHz), y ahora estoy comenzando en algunos circuitos más de alta velocidad. Lo que quiero saber es:

• ¿Qué consideraciones deben hacerse para las trazas en los circuitos de alta velocidad?

• ¿Tengo que hacer coincidir la impedancia de cada línea entre dos dispositivos de alta velocidad?

• ¿Todos los rastros deben tener la misma longitud?

• ¿Hay una buena referencia para estas reglas?

• ¿Se puede hacer esto usando herramientas de diseño de circuitos de código abierto ( gEDA y compañía)?

(Debo decir desde el principio que tengo algo de experiencia con placas en el rango de 100 MHz, pero estoy lejos de ser un experto).

La referencia canónica es el diseño digital de alta velocidad de Johnson y Graham. Johnson también escribió una secuela más avanzada, Propagación de señal de alta velocidad, en 2003.

Puede diseñar cualquier junta con gEDA y compañía, pero puede llegar a ser arbitrariamente difícil en la medida en que buscaría una mejor herramienta si la puede obtener. Hacer coincidir las longitudes de muchos rastros a mano se vuelve tedioso rápidamente.

En cuanto a lo que realmente necesitas hacer con los rastros, estas son las cosas que vigilo:

1. La longitud de las trazas comienza a importar una vez que sus trazas son más largas que 1/6 del borde ascendente de una señal digital. Para un tiempo de subida de 1 ns en una PCB típica, el borde ascendente se extiende alrededor de 6 pulgadas, por lo que desea que sus trazas tengan menos de 1 pulgada de longitud.

2. Desea hacer coincidir la terminación de sus trazas con su impedancia característica para evitar señales reflejadas. En la práctica, esto significa poner una resistencia a tierra justo antes de que la traza llegue a su destino o poner una resistencia en serie al comienzo de la traza. He encontrado que vale la pena mirar los diagramas en el capítulo 12 de Analog Electronics de Crecraft y Gergely por períodos prolongados: http://books.google.com/books?id=lS7qN6iHyBYC&lpg=PP1&ots=cg6ZMM2GI1&dq=analog%20electronics%20crecraft&pg = PA296 # v = fragmento & q = propagación% 20of% 20a% 20pulse & f = false Las hojas de datos del fabricante a veces tienen esquemas de terminación recomendados.

3. A medida que aumenta la velocidad de su señal, debe comenzar a preocuparse por los voltajes inducidos en las trazas vecinas debido a la inductancia mutua y las corrientes que cambian rápidamente (V = L * di / dt). La gente llama a esto "diafonía". Esto significa que debe espaciar los rastros uno del otro, usar un plano de tierra debajo de todos los rastros y / o colocar rastros de tierra ("rastros de guardia") entre los rastros que está tratando de aislar.

Eso es todo lo que realmente me preocupa en la práctica.

Para señales digitales de alta velocidad, querrá hacer coincidir la impedancia de la traza con la impedancia de salida del controlador de salida de la señal. Muchas líneas de transmisión de señal también requieren terminación. Esto reduce los reflejos y la interferencia entre símbolos. La impedancia de la traza está determinada principalmente por su ancho y la acumulación de PCB, pero la ruta de retorno de la señal también juega un papel importante. Cambiar capas o enrutar una señal a través de un plano de tierra dividido creará discontinuidades de impedancia y degradará la velocidad máxima a la que puede operar el enlace.

Los requisitos de coincidencia de longitud de rastreo se regirán por los requisitos de temporización del protocolo de bus utilizado por las señales. Eb, una interfaz de memoria DDR requerirá que las señales DQ (datos) lleguen dentro de tantos pico-segundos de la señal DQS (luz estroboscópica). Se puede calcular una estimación aproximada de la falta de coincidencia a partir de la falta de coincidencia de longitud de rastreo y el retraso de propagación de la línea de transmisión. Los ingenieros de integridad de la señal crean análisis más precisos de la distorsión de temporización ejecutando simulaciones de la topología de enrutamiento y los modelos de los controladores de E / S.

Una gran referencia sobre el tema es el libro del Dr. Howard Johnson "Diseño digital de alta velocidad: un manual de magia negra" (http://www.amazon.com/High-Speed-Digital-Design-Handbook/dp/0133957241)

Jason

Todo esto realmente depende de lo que quiere decir con "alta velocidad".

El factor más importante para determinar si necesita terminación es la cantidad de tiempo que tarda un borde ascendente en propagarse. Si su tiempo de subida es de 100 ps, ​​entonces no importa si tiene 100 MHz o 10 MHz, los reflejos aún lo lastimarán. Pero los reflejos son solo un problema cuando alcanza longitudes de "línea de transmisión". Creo que es algo así como ... por cada 300 ps de tiempo de subida, puede ir aproximadamente una pulgada sin terminación. Entonces, para un tiempo de subida de .9 ns, puede ir aproximadamente tres pulgadas.

En cuanto a la impedancia de los rastros, debe google "microstrip". Necesitará un plano de tierra sólido debajo de la traza. Luego, la distancia de la traza desde el plano (determinada por el apilamiento de la placa) y el ancho de la traza, deberían determinar en gran medida la impedancia de la traza. Muchas herramientas de diseño de PCB calcularán automáticamente la impedancia de rastreo para usted.

No necesita hacer los trazos de la misma longitud a menos que su circuito lo requiera. Por ejemplo, las memorias DDR lo requieren dentro de una cierta cantidad y las trazas diferenciales lo requieren.

El estándar para la simulación es HyperLynx (por Mentor). LineSim lo hace pre-diseño; BoardSim lo hace después del diseño.