Por que mover faixas próximas em uma PCB?

Eu tenho lido um artigo ( TheMagPi eMagazine) relacionado ao Raspberry Pi; "Uma caixa ARM GNU / Linux por US $ 25."

No artigo, na página 17, na parte inferior, mostra uma área no Pi onde uma faixa ziguezagueia ao lado de uma reta com o texto explicativo:

Os "movimentos" nas faixas garantem que os sinais correspondam eletricamente, reduzindo a interferência e o atraso do sinal. Isso é particularmente importante para dados de vídeo de alta velocidade e sinais HDMI.

Imagem do artigo mostrando as manobras

Eu tenho um conhecimento muito limitado da engenharia elétrica, então talvez essa seja uma pergunta muito simples, mas por que você incorporaria essas 'manobras' em um design de PCB?

Percebo que a citação me dá uma resposta e eu meio que entendo o ponto de interferência devido a problemas com cabos de energia e cabos coaxiais que são executados um ao lado do outro, mas eu apreciaria algo assumindo muito pouco conhecimento que explica por que você obteria os problemas e como mexe ajuda. Por exemplo, por que o quadro não está coberto de manobras?

pcb pcb-design serpentine-trace

— George Duckett
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Sou apenas eu ou essas faixas agitadas parecem ter mais tempo no total do que a faixa externa? A olho nu, suponho que apenas uma manobra já compensaria a diferença de comprimento em torno de um canto de 45 graus. Existem cantos que não podemos ver, e esse é o único espaço disponível para a demanda de manobra acumulada?

— Bernd Jendrissek

Esse é o meu pensamento também e, se você olhar com cuidado, o segundo par é mais curto que os outros pares agitados.

— jippie

A partir desta foto ... não há como dizer o que acontece em outro lugar do par. Às vezes, a correção do comprimento fica agrupada em uma extremidade como esta, se houver pouco espaço em outro lugar. Geralmente, os conectores são uma área de baixa densidade, por isso é fácil fazer isso. Eu acho que é preferível combinar comprimentos com correções menores ao longo de todo o comprimento, se possível.

— darron

Respostas:

A manobra está presente na pista interna nos cantos (ou no geral mais curto) para igualar os comprimentos da pista de um par diferencial - ou seja, dois fios que usam sinalização diferencial para transportar dados. Se as faixas não tivessem o mesmo comprimento, o benefício de cancelamento de ruído de uma sinalização diferencial seria perdido.

Enquanto os componentes da camada física da sinalização LVDS mais moderna (PCIe, HDMI, DVI) incluem buffers de inclinação ou 'elásticos' para compensar os diferentes comprimentos de faixa entre pares, a inclinação dentro de um par deve ser evitada com essas técnicas de layout físico.

Seguintes comentários do OP:

Tomando a Ethernet Gigabit como exemplo, pois isso pode ser mais familiar para você: o cabo CAT6 possui oito fios, os quais, se você abrir a bainha isolante externa, são torcidos juntos em pares; portanto, os fios 1 + 2 são torcidos juntos como par um. Ao lado, encontra-se o par 2, que é os fios 3 + 4 trançados juntos, o par 3 compreende o fio 5 + 6 trançado, etc. É importante manter os pares no mesmo comprimento, pois eles contêm cópias do mesmo sinal enviado com polaridades opostas ( um é positivo, enquanto o outro é negativo). Se e somente se os fios tiverem o mesmo comprimento, os sinais chegarão juntos (dada a velocidade fixa dos elétrons), o que permite que qualquer interferência elétrica no modo comum seja rejeitada no acoplamento magnético.

Os quatro pares em si, no entanto, não precisam ter exatamente o mesmo comprimento, porque o processo de negociação automática de gigabytes calibra os buffers elásticos (e as unidades de cancelamento de eco), de modo que quaisquer discrepâncias mínimas no tempo de chegada sejam removidas antes que os componentes de nível superior façam seu trabalho.

O mesmo está acontecendo nesta placa de circuito. Os traços imediatamente adjacentes / próximos da placa de circuito são "os pares" e são mantidos no mesmo comprimento para permitir que os receptores diferenciais rejeitem ruídos, embora eletricamente e não magneticamente. Você pode ver que o conector HDMI carrega vários desses pares e não é feita nenhuma tentativa para manter um par do mesmo comprimento que o par próximo a ele ("entre pares"). No entanto, existem alguns limites no tamanho dos buffers elásticos (em bytes), após os quais o cabo se torna inoperante ou diminui. Seria divertido experimentar e encontrar os limites em milímetros.

A imagem de um plugue HDMI mostra os pares diferenciais: insira a descrição da imagem aqui

— shuckc
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Provavelmente isso é muito básico, mas a pesquisa não ajudou muito. O que é um pair? Se um par é simplesmente dois componentes diferentes, então eu não entendo a diferença entre within a pairebetween pairs

— George Duckett

um 'par' aqui significa apenas dois fios um ao lado do outro. Um 'par diferencial' é uma maneira de enviar o mesmo sinal com polaridade oposta nos dois fios, o que permite cancelar qualquer ruído em modo comum no receptor.

— shuckc

@GeorgeDuckett: Se alguém apenas envia um nível lógico em um único fio, todas as correntes que fluem nesse fio devem retornar pelo plano de aterramento, e qualquer ruído captado pelo fio ou pelo plano de aterramento pode afetar o sinal. Para evitar esses problemas, os sinais de alta velocidade são frequentemente enviados usando dois fios (que arbitrariamente chamarei de "X" e "Y"); uma lógica "1" será enviada dirigindo X alto e Y baixo; uma lógica "0" será enviada dirigindo Y alto e X baixo. Um dispositivo que está a receber os sinais irá interpretar os como "1" a qualquer momento a tensão no X maior do que Y, e "0" a qualquer momento Y é maior do que X.

— supercat

@GeorgeDuckett: A qualquer momento, a corrente que flui por um fio será bem equilibrada pela corrente no outro, de modo que os sinais não acoplarão a corrente ao plano de terra (o que seria visto por outros sinais como ruído). Além disso, qualquer ruído que apareça no plano de aterramento de outros dispositivos será visto de maneira aproximadamente igual pelos dois fios do par e, portanto, não afetará qual fio é "mais alto" a qualquer momento.

— Supercat 03/07

@shuckc: George Ducket queria saber qual era o significado de um "par" de fios, já que a maneira como as manobras são dispostas sugere que os fios vão em pares. Eu poderia ter acrescentado que, para um par de fios eliminar as correntes do plano de terra, é necessário que uma borda ascendente em um fio e uma borda descendente no outro cheguem precisamente simultaneamente; mesmo que a lógica pudesse lidar com diferenças de tempo, não seria possível evitar o acoplamento de ruído extra que resultaria se os sinais chegassem em momentos diferentes, mas a resposta já aludia a isso.

— Supercat 03/07

Basicamente, a manobra é usada em situações em que há dois ou mais sinais (rápidos) que devem ser sincronizados, para que eles não sejam atrasados um em relação ao outro devido a diferentes comprimentos de faixa.

Isso é extremamente importante para sinais que possuem uma linha de relógio, porque, por exemplo, em um sistema com várias linhas de dados, se algumas delas são mais longas que outras, quando o pulso do relógio ocorre, é possível que nem todos os sinais tenham atingido. o receptor para os dados que estão sendo transmitidos.

Na imagem, você pode ver que as faixas internas são as que são mexidas, porque, se fossem retas, seriam mais curtas que as externas.

— Bruno Ferreira
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Eu voto positivo, pois essa resposta é equivalente à aceita. O comprimento da faixa é muito importante para sinais de alta velocidade. Eu aprendi da maneira mais difícil.

— bakcsa83