
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(?) 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).


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 (?) в обеспечение заданных правил проектирования
- максимальная длина сопрягаемых проводников (Lmax)
- разность длин (по модулю) сопрягаемых проводников (?)


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.
Комментарии (6)
Jem-Kasha
30.06.2019 11:21-3Ахаха… Здешним обитателям этот уровень и вовсе «не ненужон». Это ж придатки машин — программисты… У них есть малинки, ардуинки и прочее, что делает ненужным обращение к инженерам электроники.
Посмотрите статью про Raspberry Pi — там откликов в 100 раз больше. Потому что ЭТО им понятно. А ваше — непонятно нихрена.AlAbr Автор
30.06.2019 12:21+1Если непонятно, то и пропустите публикацию. Она не для вас. За всех «здешних обитателей» не стоит радеть. Мне в этом комментарии тоже многое непонятно. Что означает «не ненужон»? Это двойное отрицание? Кстати «нихрена» если уж писать, то раздельно. Bye.
SentinelOfDoom
30.06.2019 19:51Каждый шаблон должен иметь свои минусы и ограничения в применении. Например: как влияет длина несопряженного участка на форму принимаемого сигнала? На каких частотах применение каких шаблонов допустимо?
Например я могу взять шаблон ...E' и применить гигабитному интерфейсу, а могу к rs-у… где и как себя он поведет?AlAbr Автор
30.06.2019 20:33+1Здесь трудно что-либо возразить по существу сказанного. К сожалению, на сегодняшний день средства трассировки печатного монтажа (автоматические или интерактивные) оперируют, как правило, ограничениями в терминах «длин» соединений. Переход к формам сигналов требует привлечения средств моделирования схем с учетом результатов выполняемой RLC экстракции данных из полученной топологии печатного монтажа. Требуется также и учет данных о конструкции печатной платы, используемым диэлектрикам и прочее. По указанным ниже ссылкам можно познакомиться с некоторыми проблемами из этой области. Приношу извинения за ссылки на англоязычные публикации, но они содержат описания практических работ.
www.cadence.com/content/dam/cadence-www/global/en_US/documents/tools/pcb-design-analysis/pcb-west-2016-new-techniques-address-layout-challenges-high-speed-routing-cp.pdf
www.youtube.com/watch?v=jtzIaMWYjtc
Насколько мне известно в компании ЭРЕМЕКС планируется решение этой задачи в интегрированной среде Delta Design — путем использования программного продукта этой же компании SimOne. Но ни о сроках и ни о формах этой интеграции сказать на сегодняшний день ничего не могу.
Спасибо за комментарий.
a_freeman
Так вроде это уже даже самые бесплатные CAD умеют (kicad тот же), зачем изобретать, тем более ничего нового так и не вышло..
amartology
Так целевая аудитория этой статьи — как раз разработчики бесплатных CAD для трассировки. Или вы думаете, что им алгоритмы сами с неба сваливаются? )