Comprehensive analysis of serpentine line design

Авторы: Soh, Wei Shan.; See, Kye Yak.; Chang, Richard Weng Yew.; Oswal, Manish.; Wang, Lin Biao.

Перевод выполнен: Дизайн-центром печатных плат “Skat-Pro”

Аннотация

Меандр широко используется в цифровых схемах для обеспечения определенных временных задержек. На основе различных типов волн тщательно изучены и проанализированы некоторые критические параметры, влияющие на характеристики задержки меандра. На основе всестороннего изучения и анализа был составлен набор практических рекомендаций по проектированию меандра в соответствии со спецификацией задержки.

1. Введение

Развитие технологий производства микросхем привело к росту рабочей частоты и снижению времени переключения цифровых систем. Более высокие скорости переключения приводят к тому,  что допустимые задержки трасс на печатной плате могут быть сопоставимы с временем задержки в элементе. Результат - особые требования к проводникам, соединяющим высокоскоростные элементы. Из-за ограничений на размер печатной платы становится невозможным выполнять трассировку длинных прямых сигнальных дорожек с одинаковыми задержками. Поэтому при проектировании применяются различные методы, позволяющие достичь требуемых задержек не прибегая к использованию значительного места на плате. В качестве примера можно рассмотреть меандр. Простота реализации, соответствие требованиям и ограничениям по размерам на печатной плате, сделали его достаточно популярным методом среди инженеров и проектировщиков. Однако эффекты перекрестной взаимосвязи, обусловленные близостью расположения длин сегментов, могут значительно ухудшить временную задержку по сравнению с предполагаемым значением. Таким образом, разработчики должны тщательно проектировать меандр, чтобы трассировка могла соответствовать строгим требованиям временной задержки. Несмотря на то, что некоторые параметры проектирования, а также задержка сигнала, упоминаются в различных литературных источниках [1-5], не был проведен комплексный анализ влияния различных параметров меандра на задержку и целостность сигнала. С помощью программного обеспечения 3D EM для моделирования в данной работе приводится комплексный анализ таких параметров меандра, как расстояние между сегментами, длина сегмента, число и вид сгибов для меандра.

2. Моделирование и проверка

Для исходной проверки был создан меандр, как показано на рисунке 1. Размер печатной платы составляет 124 мм на 61 мм при толщине 1.6 мм. Импеданс (волновое сопротивление) трассы составляет 52 ?, ширина трассы 3.2 мм и толщина - 40 мкм. Диэлектрическая постоянная FR4 равна 4. На основе приведенных выше размеров показана модель (рис. 2), построенная с использованием инструмента моделирования EM [6]. Сравнение результатов измерения и моделирования S-параметра и результатов TDR приводится, соответственно, на рисунке 3 и рисунке 4. В целом, наблюдается хорошая согласованность между измеряемыми и моделируемыми результатами. Это дает нам значительную уверенность в последующем анализе моделирования с использованием инструмента моделирования EM.

3. Проектирование и анализ

 На рисунках 5 и 6 показан вид сверху и вид в поперечном сечении меандра, которые будут использоваться для анализа. Общая физическая длина меандра составляет 7,62 см (3 дюйма). При заданной геометрии поперечного сечения (рис. 6) импеданс составляет 50 Ω. На рисунке 7 показаны параметры моделирования  конструкции меандра. Сопротивление обоих портов 50 Ω. P1 и P2 являются измерительными пробниками, предназначенными для мониторинга. Через порт 1 в структуру меандра поступает прямоугольный импульс частотой 1 ГГц со временем нарастания 100 ps и 50%-ным рабочим циклом. Контроль времени отклика осуществляется с помощью пробника P2.

А. Расстояние между сегментами

Расстояние между сегментами (s) определяется как расстояние между двумя соседними параллельными сегментами. Целью данного раздела является изучение влияния взаимосвязи между этими сегментами на характеристики меандра. Степень данной взаимосвязи будет довольно сильно зависеть от величины s. Варьируя значение s, мы можем исследовать его влияние на характеристику распространения сигнала в меандре. На рисунке 8 показаны временные зависимости для меандра с s = H, 3H, 5H и 10H, где H = 0,15 мм - это расстояние между линией и опорным слоем. Длина сегмента остается неизменной при L_h = 30H = 4,5 мм. График "Input" относится к форме входного импульсного сигнала для структуры, контролируемой P1. График "Straight" означает форму выходного сигнала, которая контролируется Р2 для прямой трассы длиной 7,62 см, без изгибов. Остальные формы волны - это формы выходного сигнала, контролируемые Р2 для  трассы длиной 7,62 см с изгибами.

Согласно результатом анализа (рис. 8), при s < 3H, скорость увеличения задержки распространения составляет 28 ps/H. Однако эта скорость значительно снижается до 1,6 ps/H при s > 4H. Для обеспечения баланса между площадью трассировки и желаемой задержкой распространения, оптимальное значение s должно быть от 3 до 4H. Для понимания поведения распространения с различными значениями s на рисунке 9 (а) и (b) показаны распределения ближнего поля линий задержки меандра на расстоянии 0.5 мм над опорным слоем для s = H и s = 10H, соответственно.

В случае, когда s = Н = 0.15 мм, рядом с распределением поля по меандру обнаруживается очень сильная связь с соседними элементами. Это указывает на то, что кроме обычного пути распространения сигнала по линии меандра, существует другой более короткий путь, благодаря сильной связи между сегментами, что и приводит к более короткой задержке распространения общего сигнала. В другом случае, при s = 10Н = 1.5 мм, когда емкостная связь между сегментами достаточно слабая, и, следовательно, распространение сигнала преобладает вдоль пути меандра. Это объясняет то, почему задержка для меандра при s = 10H является близкой к задержке прямой микрополосковой линии идентичной длины.

Б. Длина сегмента

Следующий обязательный к рассмотрению параметр проектирования - это длина сегмента L_h. Сегмент с большим значением L_h ведет себя как линия передачи, когда его задержка сопоставима с временем нарастания сигнала. В данном разделе длина L_h будет изменяться в целях изучения влияния на задержку распространения. Аналогичным образом, H = 0.15 мм - это расстояние между опорным слоем и трассой. Расстояние между сегментами остается постоянным s = 3H = 0.45 мм.

На рисунке 10 показаны результаты моделирования при L_h = 3 H, 15H и 30H. Графики “Input” и “Straight” аналогичны графикам, представленным на рисунке 8. Основываясь на результате моделирования следует, что при большем L_h задержка распространения меньше. Данный процесс связан с влиянием емкостной связи между длинами сегментов. Для того, чтобы понять причину такого поведения, обратимся к рисунку 11, на котором показано распределение E-field при 1 ГГц для L_h = 3H = 0.45 мм и Lh = 30H = 4.5 мм. В целом, распределение полей довольно похоже на изображение на рисунке 9. Для случая L_h=3H распределение поля вдоль меандра является сильным, что указывает на распространение сигнала вдоль данной линии. Однако, это не относится к L_h = 30H. При длине L_h возникает сильная перекрестная связь между смежными сегментами, которая обеспечивает другой альтернативный путь для сигнала, позволяющий обходить всю длину линии. Таким образом, это приводит к более короткой задержке распространения. Рекомендуется соблюдать более короткую длину L_h,  желательно не более 15H.

В. Число Сгибов

В реальности практически невозможно непрерывно проложить всю линию меандра, учитывая сегодняшнюю высокую плотность печатных плат, скорее несколько более коротких участков меандра будут адаптированы к практическому применению. Такая конструкция позволяет сократить индуктивную связь ближнего поля с другими линиями сигналов, находящихся в непосредственной близости друг от друга. На рисунке 12 (а) и (b) показаны E-fields на расстоянии 5 мм над опорным слоем при 100 МГц для 5 и 10 изгибов, соответственно. Расстояние между сегментами фиксировано: 3H = 0.45 мм, длина сегмента: L_h = 2/25 мм, при Н = 0.15 мм. Очевидно, что увеличение числа изгибов приводит к увеличению площади взаимодействия ближних полей, что вызывает возникновение помех по отношению к близлежащим сигнальным трассам. Следовательно, несколько групп с небольшим числом сгибов помогут уменьшить перекрестные помехи между находящимися рядом другими трассами.

Г. Типы сгибов

Сгибы являются неотъемлемой частью проектирования меандра.  Тем не менее, они демонстрируют разрыв импеданса с увеличением скорости нарастания фронта. На рисунке 13 показаны влияния трех типов сгибов (прямоугольного сгиба, S-образного и 45-градусного сгиба) на  разрыв непрерывности импеданса. Например, прямоугольный изгиб вызывает скачок, когда сигнал достигает первого сгиба. После изгиба импеданс восстанавливается до прежнего значения импеданса трассы. Затем импеданс снова падает, но теперь времени для восстановления исходного импеданса недостаточно из-за относительно небольшой длины между сегментами. На третьем сгибе импеданс снова падает и возвращается к изначальному значению. На четвертом и последнем сгибе импеданс снова падает. На рисунке 13 видно, что наибольшее изменение импеданса наблюдается при изгибе с прямым углом.

Значительное изменение импеданса указывает на значительный разрыв в непрерывности импеданса, что приводит к более высокому поверхностному току на сгибах, как показано на рисунке 14 для прямоугольного изгиба. По результатам моделирования, S-образный изгиб имеет наименьшее прерывание импеданса, 45-градусный изгиб проявляет себя немного хуже, чем S-образный, но намного лучше прямоугольного изгиба.

4. Выводы

В данной работе рассматриваются критические параметры для проектирования меандра с целью достижения необходимой задержки при помощи full-wave инструмента моделирования EM. Как правило, оптимальное расстояние между сегментами (s) должно быть 3-4 H, где Н - это расстояние между трассой и опорным слоем. Рекомендуется соблюдать как можно более короткую длину сегмента (L_h), желательно не более 15H. Кроме того, рекомендуется использовать группы 3-5 изгибов, если речь идет о снижении излучения, а также об установлении связи ближнего поля с соседними сигнальными линиями. Наконец, использование 45-градусных изгибов вместо прямоугольных обеспечивает достаточно хорошую конструкцию без излишней сложности компоновки.

Ссылки

[1] W. Ruey-Beei and C. Fang-Lin, "Laddering wave in serpentine delay line," IEEE Trans. Compon. Packag. Technol., vol. 18, no. 4, pp. 644-650, November 1995.

[2] S. H. Hall, G.W. Hall and J. A. McCall, “High-Speed Digital System Design: A Handbook of Interconnect Theory and Design Practices”, New York, Wiley & Sons, 2000.

[3] P. Soora, “Propagation Delays in Serpentine Traces”, Apple, www.ansoft.com/EMpower/Apple.pdf.

[4] M. H. Kerinami and O. M. Ramahi, "Effects of segment length and number of turns on designing a precise meander delay line," 2003 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, vol. 2, pp. 1121-1124, May 2003.

[5] R. W. Y. Chang, S. Kye-Yak, and T. Yang-Long, "Impacts of bends and ground return vias on interconnects for high speed GHz designs," 19th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility and Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility, pp. 502-505, May 2008.

[6] Computer Simulation Technology (CST) Microwave Studio, www.cst.com.