Методы сопряжения электрических соединений при трассировке дифференциальных пар на печатных платах
В публикации приводится описание метода сопряжения электрических соединений при трассировке дифференциальных пар на печатных платах. Основу метода составляет техника генерации и применения шаблонов подключения печатных проводников дифференциальной пары к трассируемым контактам электронных компонентов с минимизацией длины несопряженных участков.
Введение
Дифференциальные пары широко применяются для передачи высокочастотных и помехозащищенных сигналов в электронных устройствах, реализуемых на конструкциях печатных плат. Каждый такой сигнал передаётся парой эквивалентных сигналов противоположной полярности (Сигнал+/Сигнал-), а приёмник реагирует исключительно на разницу между их значениями. В этом случае внешние помехи, воздействующие на линии передачи (печатные проводники) пары, прибавляются к двум инвертированным по отношению друг к другу сигналам без изменения их разности и, таким образом, не проявляются в результирующем сигнале на стороне приемника.
Необходимость трассировки дифференциальных пар в автоматическом или интерактивном режимах привела к реализации в современных САПР РЭА инструментальных средств прокладки электрических соединений (печатных проводников) между заданными парами выводов — источников и приемников сигналов с учетом заданных правил на топологию и параметры этих соединений. Список правил для трассировки соединений в дифференциальных парах достаточно широк и многообразен, к основным среди них следует отнести перечисленные ниже.
С учетом заданных правил и ограничений средства трассировки дифференциальных пар выполняют прокладку проводников с максимально возможным их сопряжением и обеспечением разности длин, не превышающей заданную правилами проектирования.
При необходимости, допускается переход со слоя на слой с построением соответствующей пары межслойных переходов.
Сопряжение соединений при трассировке дифференциальной пары
Размеры контактных площадок источников и приемников сигналов, а также расстояния между ними значительно превышают заданную величину номинального зазора между сопряженными проводниками в дифференциальных парах.
Первой задачей, решаемой при трассировке дифференциальной пары, является сопряжение проводников, то есть прокладка их участков от выводов компонентов к точке сопряжения. Качество результатов сопряжения определяется разностью длин построенных проводников и их симметричностью. Симметричное сопряжение состоит из пары проводников, в которой один из них является копией другого, полученной в результате применения к нему операции зеркального отображения относительно оси симметрии контактов.
Асимметричное сопряжение состоит из пары проводников разной длины и с отличающейся топологией.
Предлагаемый метод сопряжения соединений при трассировке дифференциальных пар базируется на использовании шаблонов сопряжений. Каждый шаблон содержит параметризованное описание пары контактов и сопрягаемых проводников, исходящих от этих контактов.
Предполагается, что пары контактов могут быть представлены следующими объектами печатного монтажа:
- круглые контактные площадки — планарные или сквозные выводы электронных компонентов, а также межслойные переходы
- прямоугольные контактные площадки — планарные выводы электронных компонентов
- сегменты печатных проводников.
Метод сопряжения проводников рассматривается на примере круглых контактных площадок с сохранением общности подхода применительно к прямоугольным и другим выпуклым формам контактных площадок.
Каждый шаблон сопряжения формируется на основе исходного, содержащего описания пары контактов и сопрягаемых проводников. Все описания в исходном шаблоне представляются в местной системе координат и нулевой ориентации. При размещении каждого экземпляра шаблона на плате к нему применяются операции переноса в заданную позицию Mv (X, Y), поворота на заданный угол Rot (θ) и зеркального отображения RflOX () и RflOY () относительно осей ОХ и OY соответственно как это показано на рисунке ниже.
Описание пары контактов в исходном шаблоне сопряжения выполняется с использованием параметрической аппроксимации формы контактных площадок замкнутыми полигонами (для круглых площадок используются правильные восьмиугольники как это показано на рисунке).
Каждый экземпляр исходного шаблона образуется сочетанием пары ребер полигона, пересекаемых сопрягаемыми Сигнал+ и Сигнал- проводниками. Перечисление всех допустимых сочетаний ребер образует полное множество шаблонов сопряжений проводников.
В последующем изложении представляются только шаблоны базового подмножества, применение к которым операций преобразования RflOX () и RflOY () формирует полное множество шаблонов сопряжения.
Симметричные шаблоны сопряжения
Важным достоинством симметричных шаблонов сопряжения является то, что сопрягаемые участки проводников имеют одинаковую длину. Далее оцениваются следующие параметры каждого шаблона сопряжения:
- величина параметра настройки шаблона (λ) в обеспечение заданных правил проектирования
- максимальная длина сопрягаемых проводников (Lmax)
- разность длин (по модулю) сопрягаемых проводников (Δ)
Представленные ниже два симметричных шаблона сопряжения имеют ограниченное применение в тех случаях, когда перед парой контактных площадок непосредственно размещены какие-либо элементы печатного монтажа, препятствующие сопряжению проводников с минимизацией их суммарной длины.
Асимметричные шаблоны сопряжения
При трассировке плат с высокой плотностью печатного монтажа применение симметричных шаблонов во многих ситуациях оказывается невозможным без нарушения проектных правил. По этой причине их множество расширяется асимметричными шаблонами, в которых сопрягаемые проводники имеют разную длину. Далее представляются левосторонние варианты асимметричных шаблонов сопряжения, правосторонние шаблоны получаются в результате применения применением к операции зеркального отображения относительно оси OY, например: A«B = RflOY (AB»).
Представленное множество шаблонов сопряжения (включая также и производные, полученные в результате применения операций преобразования RflOX () и RflOY () к базовому набору) применимо к любой паре трассируемых контактов.
В процессе трассировки дифференциальной пары контактов для каждой точки сопряжения (определяемой текущей позицией курсора мыши или вычисляемой автоматически) выполняются следующие операции:
Ниже представлены иллюстрации выбора шаблонов сопряжения по областям при трассировке пары контактов дифференциальной цепи.
Посмотреть видео>>>
Несколько примеров прокладки соединений дифференциальных пар с использованием шаблонов сопряжения.
Краткие выводы
- Сопряжение проводников при трассировке дифференциальных пар требует применения специальных методов, обеспечивающих минимизацию суммарной длины несопряженных участков.
- Решение задачи сопряжения проводников выполняется как на »стороне» пары контактов — источников сигнала, так и на »стороне» контактов — приемников.
- Использование шаблонов сопряжения проводников не является единственным методом решения этой задачи, однако он обладает высоким быстродействием (за счет локализации анализируемой области монтажного пространства печатной платы) и обеспечивает выбор наиболее подходящих вариантов сопряжения проводников.
- Состав применяемых шаблонов сопряжения может быть расширен вариантами, обеспечивающими, при необходимости, компенсацию суммарной разности длин Сигнал+/Сигнал- соединений в дифференциальной паре — за счет принудительного увеличения длины короткого соединения пары.
