Pares diferenciales de coincidencia de longitud

Question

Estoy enrutando un PCB con una conexión Ethernet y estoy teniendo un poco de problemas para decidir la mejor manera de enrutar los pares diferenciales TX y RX. He hecho los cálculos de impedancia para averiguar la geometría de la pista necesaria para la impedancia diferencial de 100 ohmios y lo he confirmado con la casa de tableros. Sin embargo, tengo un pequeño desajuste de longitud entre los pares TX+/TX- y RX+/RX- (unos 5mm). Por lo tanto, estoy empleando la técnica de "línea de garabato" para minimizar el desajuste de longitud de los trazos en un par.

Mi pregunta es si hay una regla empírica o un cálculo preciso para averiguar la geometría de la línea de garabatos. Para ilustrar lo que quiero decir, echa un vistazo al anexo: he dirigido un par con garabatos "sueltos" (etiquetados 1. en la imagen) y otro par con garabatos "apretados" (etiquetados 2. en la imagen). ¿Cuál de ellos es mejor e importa en absoluto? Mi preocupación con los "garabatos apretados" es la degradación de la calidad de la señal debido a las reflexiones, ya que los garabatos están cerca de los ángulos de 90 grados, lo que la mayoría de las notas de las aplicaciones aconsejan fuertemente en contra. Los "garabatos sueltos", por otro lado, ocupan más espacio y por lo tanto, ¿estoy degradando mi impedancia diferencial?

Gracias y felices fiestas! -Igor

Answer 1

No estoy seguro de dónde has leído que el diseño de garabatos se utiliza para este propósito, es decir, la coincidencia de longitud de trayectoria. Por lo que he podido averiguar, el único lugar donde se utiliza intencionadamente un garabato (como el que usted ha dibujado) es en Antenas garabato RFID ; ¡y probablemente no quieras construir uno de esos en tu tablero!

A continuación se muestra un ejemplo de correspondencia de longitudes de trayectoria extraído de un libro que he leído (Jacob et al. Sistemas de memoria ). Hay uno o dos senderos de aspecto serpenteante, pero sólo con uno o dos periodos como máximo. El patrón que se muestra allí parece preferir una gran amplitud del "garabato" para que tenga un número bajo de períodos/repeticiones. La mayoría de las rutas mostradas se alargan de algún modo, pero no mediante garabatos. El método de alargamiento más común parece ser hacer giros pentagonales en U (un término que me acabo de inventar porque no conozco ninguno establecido) para que una polilínea exterior sea naturalmente más larga que una interior. No sé qué software se utiliza para generar esos diseños (pero es una buena pregunta).

Después de buscar más, parece que un término comercial para los garabatos cuando se aplica a la coincidencia de longitud de traza es "trazas serpenteantes".

Y he encontrado un artículo que habla de ellos: Un nuevo enfoque del encaminamiento de longitud igualada por Barry Olney... Bueno, en realidad el artículo trata de proponer una alternativa a las serpentinas, pero tiene algunos antecedentes antes de llegar a la comparación. Me parece sin embargo que las serpentinas muy largas mostradas en ese artículo están para los propósitos demostrativos/del contraste. He visto al menos dos docenas de modelos de tarjetas de red de cerca en mi vida informática (en más de 20 años) y no recuerdo haber notado un garabato pronunciado como el tuyo (o el de ese artículo) en ninguna de sus PCB... Ahora bien, puede que existiera en las capas internas (en las pocas tarjetas que tenían más de dos) donde no era visible. Algunas tarjetas sí enrutan sus señales diferenciales en las capas internas, stripline.

Con esta terminología serpentina, resultó que son tema de libro de texto estándar. Thierauf Integridad de la señal libro tiene un par de páginas sobre esto. Los términos alternativos son (según ese libro de texto): "meandro o rastros de trombón". Si no me equivoco, el número de períodos debe reducirse al mínimo porque cada uno contribuye a una forma de onda en escalera creada por la diafonía entre los giros en U, como se extrae a continuación del libro de texto mencionado. Por desgracia, se trata de un análisis puramente teórico. .

El libro también dice que esto es sólo una solución aproximada y que se necesita un "solucionador de campo 3D" para simular completamente el comportamiento real; por ejemplo, la señal realmente se propaga más rápido en una serpentina de lo que indicaría la longitud de traza 2D. Intuí correctamente la recomendación que el libro iba a extraer de ese gráfico; lo cito a continuación:

Dado que la tensión máxima acoplada crece con el número de segmentos de la serpentina, al trazar una serpentina es mejor utilizar un menor número de segmentos largos en lugar de un mayor número de segmentos cortos. Menos segmentos también significan menos esquinas y menos incertidumbre en la sincronización y la impedancia. Por estas razones, los segmentos deben ser largos (normalmente mayores que el tiempo de subida de la señal) y pocos en número. Además, dado que la diafonía aumenta a medida que las trazas están muy juntas, el escalonamiento puede reducirse aumentando la separación entre segmentos.

Por último, el libro también menciona la colocación de una traza de protección conectada a tierra entre los segmentos de una serpentina para reducir (aún más) el escalonamiento causado por la diafonía. El libro también enumera y cita algunos artículos más detallados sobre esta cuestión de la serpentina:

• Wu, R., y F. Chao, "Laddering Wave in Serpentine Delay Line," IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, Part B, Vol. 18, No. 4, November 1995, pp. 644-650.
• Rubin, B. J., y B. Singh, "Study of Meander Line Delay in Circuit Boards," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 48, No. 9, septiembre de 2000, pp. 1452-1460.
• Orhanovic, N., y otros, "Characterization of Microstrip Meanders in PCB Interconnects," Proceedings 50th IEEE Electronic Components and Technology Conference, Las Vegas, NV, 21-24 de mayo de 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 de julio de 2007, pp. 1-5.
• Nara, S., y K. Koshiji, "Study on Delay Time Characteristics of Multilayered Hyper- Shielded Meander Line," IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, EMC 2006, Vol. 3, Portland, OR, 14-18 de agosto de 2006, pp. 760-763.

En un plano más práctico, NXP tiene una nota de aplicación Directrices de diseño de PCB DisplayPort (AN10798) que aborda varios aspectos de la matemática de la traza en las pp. 4-6. Recomiendan el diseño serpentina se muestra a continuación, que también obedece a otras reglas, como no permitir que demasiada distancia entre pares diferenciales.

Answer 2

Lo que más te preocupa de los garabatos es que parte de la señal puede atravesarlos y acabar saliendo por el otro lado antes de lo que crees. Lo mejor es utilizar más grande como su primer dibujo.

También mantén los garabatos cerca de tu transmisor, receptor o conector. Quizás a menos de 1/4 de longitud de onda del contenido de frecuencia más alta de interés de su transmisor. Es mejor agrupar las discontinuidades.