PCB-design og analyse

Nøglepunkter

• Gennemgang af stripline-routingstrukturer

• De fire grundlæggende trin i rutning af stripline-transmissionslinjer

• Hvordan PCB-design CAD-værktøjer kan hjælpe med transmissionslinierouting

Cirkelpladeteknologien fortsætter med at vokse og udvides

Som den processorteknologi, der anvendes i printplader, fortsætter med at udvikle sig, så gør behovet for at føre deres kredsløb med stadig højere hastigheder. Efterhånden som hver ny generation af processorer introduceres, bliver signalskifthastighederne hurtigere, hvilket igen kræver større omhu med hensyn til, hvordan disse signaler ledes på printpladen. Med de højere clockhastigheder og kortere overgangstider i dette kredsløb skal mange forbindelser, som tidligere blev ført uden bekymring, nu behandles som højhastighedstransmissionslinjer.

For at føre disse transmissionslinjer med deres højhastighedsskift korrekt, skal sporføringen på PCB’et have sin impedans nøje kontrolleret. Dette kræver, at strukturen af transmissionslinjerne gennem printpladen er meget ensartet for at forhindre, at nogen del af signalet reflekteres. Disse signalrefleksioner kan forårsage støj på ledningen og i sidste ende forringe kredsløbets ydeevne. For at forebygge problemer som disse kræver det, at man opstiller printkortets lagopsætning og routingregler for stripline transmissionslinierouting i printkortet, hvilket vi vil undersøge nærmere her.

Stripline in Review

Stripline-routing er den printkortlagskonfiguration, der gør det muligt at indlejre et internt trace-routinglag mellem to jordpladelag. Ved omhyggeligt at kontrollere tykkelsen og den dielektriske konstant (Dk) af det isolerende materiale mellem routing- og planlagene kan man skabe spor med en bestemt bredde og kobbervægt, der vil fungere ved en bestemt impedans. Dette kaldes kontrolleret impedansrouting, og det er ofte påkrævet, når transmissionsledninger føres på et printkort for at eliminere eventuelle signalrefleksioner.

En anden konfiguration af transmissionsledningsrouting er kendt som microstrip, som ligner stripline-routing, bortset fra at microstrip føres på et ydre lag af printkortet. Med denne konfiguration er der kun et referenceplan og et isolerende dielektrikum under det overfladiske routinglag. Uden den samme mængde af afskærmning over og under kabelføringen, som stripline har, giver microstrip ikke den samme grad af isolation. Desuden ændrer impedansberegningen på grund af luftens Dk-værdi, når sporene udsættes i stedet for at være indlejret mellem planerne. Derfor er microstrip-routing typisk bredere end stripline.

Da stripline-routing er godt isoleret mellem de dielektriske og plane lag, udstråler transmissionslinjerne dog ikke så meget energi som med microstrip. Dette giver mulighed for mindre og tættere ledningsstrækninger. Desuden giver stripline-konfigurationen mere beskyttelse mod indkommende angribende signaler, der kan skabe interferens. Herefter ser vi på de fire grundlæggende trin i stripline-transmissionslinjeledningsrouting.

PCB-routing under komponenterne

Routing af stripline-transmissionslinjer

Der er fire grundlæggende trin, der skal overvejes for at få succesfuldt routing af stripline-transmissionslinjer:

• Layer stackup: Brug af en stripline-konfiguration til routing af transmissionslinjer starter med oprettelsen af printkortets lagopsætning. Der skal ikke kun specificeres et dedikeret routinglag mellem to jordplader, men der skal også planlægges for de dielektriske materialer og deres bredder. Dette er vigtigt for det næste trin.

• Impedansberegninger: PCB-layoutteamet har brug for oplysninger om lagopbygningen på printkortet for at kunne beregne de kontrollerede impedanslinjers bredde på korrekt vis. Ved at indtaste de printkortmaterialer, der skal anvendes sammen med deres bredder, vil beregneren kunne bestemme den korrekte sporbredde for de ønskede impedansværdier.

• Routing: Transmissionslinjer skal være isoleret fra andre typer af signalvejledning, så sørg for at opstille dine designregler for at give tilstrækkelig afstand til disse linjer. Andre signaler kan bruge det samme lag, de skal blot holde sig væk fra højhastighedstransmissionslinjerne for at bevare signalintegriteten for disse linjer.

• Ground planes: Når du leder dine transmissionslinjer, skal du sørge for, at de ikke ledes over brud i jordplanet. Transmissionslinjerne kræver et ubrudt planlag for at få en ren og direkte signalreturvej. Eventuelle afbrydelser i plantelagene på grund af opdelte planer, udskæringer eller endog en masse vias vil få retursignalet til at vandre rundt i planen og skabe støj undervejs.

På dette tidspunkt er du klar til at begynde at lægge dine stripline-transmissionslinjer ud. Afhængigt af behovet er der forskellige typer af stripline-routingkonfigurationer, som du også kan bruge. I nogle tilfælde kan du have brug for, at routing skal være forskudt mellem referenceplanerne eller koblet sammen med et andet signal. Du kan se nogle eksempler på disse i illustrationen nedenfor.

Nogle eksempler på stripline-routingstrukturer

Hvad du har brug for i dine designværktøjer til stripline-routing

Det næste spørgsmål er, hvordan kan dine PCB-designværktøjer hjælpe dig med stripline-transmissionslinjeledningsrouting? Der er mange funktioner i PCB-designværktøjet, som vil være meget nyttige, begyndende med muligheden for at arbejde direkte med din producent for at importere oplysninger om stabeloplysninger for printlag. Ved at bruge IPC 2581-dataformatet kan din producent sende dig sin foretrukne lagstabulering komplet med materialer, bredder og lagkonfigurationer. Du kan derefter bruge de samme protokoller til at sende dine færdige printkortfiler tilbage til fabrikation og samling. Impedansberegnerne, der er indbygget i designværktøjerne, ville også være nyttige, ligesom designregler og avancerede redigeringsfunktioner til routing og oprettelse af jordplader.

Dette niveau af sofistikerede designværktøjer er heldigvis ikke noget, du skal vente på, det er allerede tilgængeligt for dig på markedet i dag. Et eksempel på et PCB-designsystem, der har alle de funktioner og muligheder, som vi har talt om her, er fra Cadence. OrCAD PCB Designer har værktøjerne og funktionaliteten til at tage dit design fra koncept til endelige fremstillingsfiler og til at hjælpe dig med din stripline-transmissionslinjeføring. Med OrCAD har du adgang til biblioteker, skematisk registrering og SPICE-værktøjer samt alle de PCB-layoutfunktioner, som du skal bruge for at få succes.

Hvis du vil vide mere om, hvordan Cadence har løsningen til dig, så tal med os og vores team af eksperter.

Om forfatteren

Cadence PCB-løsninger er et komplet front-to-back designværktøj, der muliggør hurtig og effektiv produktfremstilling. Cadence giver brugerne mulighed for præcist at forkorte designcyklusser til aflevering til produktion gennem moderne, IPC-2581 industristandard.

Følg på Linkedin Besøg hjemmeside Mere indhold af Cadence PCB Solutions