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8/13/2019 TI High Speed Layout Guideline

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A p p l i c a t i o n R e p o r t S C A A 0 8 2 N o v e m b e r 2 0 0 6

H i g h - S p e e d L a y o u t G u i d e l i n e s A l e x a n d e r W e i l e r a n d A l e x a n d e r P a k o s t a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C l o c k D r i v e r s

A B S T R A C T

T h i s a p p l i c a t i o n r e p o r t a d d r e s s e s h i g h - s p e e d s i g n a l s s u c h a s c l o c k s i g n a l s a n d t h e i r r o u t i n g a n d g i v e s d e s i g n e r s a r e v i e w o f t h e i m p o r t a n t c o h e r e n c e s . W i t h s o m e s i m p l e r u l e s , e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e p r o b l e m s c a n b e m i n i m i z e d w i t h o u t u s i n g c o m p l i c a t e d f o r m u l a s a n d e x p e n s i v e s i m u l a t i o n t o o l s . S e c t i o n 1 g i v e s a s h o r t i n t r o d u c t i o n t o t h e o r y ; s e c t i o n 2 f o c u s e s o n p r a c t i c a l P C B d e s i g n r u l e s . E i t h e r s e c t i o n c a n b e r e a d i n d e p e n d e n t l y .

C o n t e n t s 1 T h e o r e t i c a l O v e r v i e w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1 . 1 E l e c t r o m a g n e t i c I n t e r f e r e n c e a n d E l e c t r o m a g n e t i c C o m p a t i b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 . 2 C l o c k S i g n a l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 . 3 T r a n s m i s s i o n L i n e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 . 4 C r o s s t a l k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 . 5 D i f f e r e n t i a l S i g n a l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 . 6 R e t u r n C u r r e n t a n d L o o p A r e a s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 P r a c t i c a l P C B D e s i g n R u l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 . 1 P C B C o n s i d e r a t i o n s D u r i n g t h e C i r c u i t D e s i g n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 . 2 B o a r d S t a c k u p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 . 3 P o w e r a n d G r o u n d P l a n e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 02 . 4 D e c o u p l i n g C a p a c i t o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

2 . 5 T r a c e s , V i a s , a n d O t h e r P C B C o m p o n e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 42 . 6 C l o c k D i s t r i b u t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7

3 S u m m a r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 84 R e f e r e n c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9

L i s t o f F i g u r e s

1 M o d e l o f E l e c t r o m a g n e t i c I n t e r f e r e n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 T i m e D o m a i n a n d F r e q u e n c y D o m a i n o f a C l o c k S i g n a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 S t r u c t u r e a n d D i m e n s i o n o f M i c r o s t r i p a n d S t r i p l i n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 C a l c u l a t i o n o f P r o p e r t i e s o f M i c r o s t r i p a n d S t r i p l i n e ( A p p C A D ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 O v e r - a n d U n d e r s h o o t s D u e t o I n c o r r e c t T e r m i n a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 R e t u r n C u r r e n t a n d R e s u l t i n g L o o p A r e a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 L o o p A r e a a n d C r o s s t a l k D u e t o P o o r S i g n a l R o u t i n g a n d G r o u n d S p l i t t i n g . . . . . . . . . . . . . 1 18 P o o r a n d G o o d P l a c e m e n t o f t h e C o m m o n G r o u n d i n a S p l i t G r o u n d E n v i r o n m e n t . . . . 1 19 G o o d P l a c e m e n t o f D i f f e r e n t F u n c t i o n a l B l o c k s W i t h o u t t h e N e e d o f a S p l i t G r o u n d

P l a n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 21 0 C r o s s t a l k I n d u c e d b y t h e R e t u r n C u r r e n t P a t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 21 1 I m p e d a n c e o f D i f f e r e n t C a p a c i t o r s O v e r a W i d e F r e q u e n c y R a n g e a n d t h e

R e s u l t i n g I m p e d a n c e o f T h e i r P a r a l l e l C o n n e c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 31 2 P o o r a n d G o o d P l a c e m e n t a n d R o u t i n g o f B y p a s s C a p a c i t o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 41 3 P o o r a n d G o o d R i g h t A n g l e B e n d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 41 4 L o o p A r e a s C a u s e d b y P o o r V i a P l a c e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 51 5 P o o r a n d G o o d V i a P l a c e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6

S C A A 0 8 2 N o v e m b e r 2 0 0 6 H i g h - S p e e d L a y o u t G u i d e l i n e s 1

S u b m i t D o c u m e n t a t i o n F e e d b a c k
http://www.go-dsp.com/forms/techdoc/doc_feedback.htm?litnum=%20SCAA082


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1 T h e o r e t i c a l O v e r v i e w

1 . 1 E l e c t r o m a g n e t i c I n t e r f e r e n c e a n d E l e c t r o m a g n e t i c C o m p a t i b i l i t y

Sink

Source Sink

Source

Coupling Path

1 . 2 C l o c k S i g n a l s

T h e o r e t i c a l O v e r v i e w

1 6 R e f l e c t i o n C a u s e d b y S t u b s i n a V i a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 71 7 P o o r a n d G o o d C l o c k D i s t r i b u t i o n o n a P C B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8

L i s t o f T a b l e s

1 D e s c r i p t i o n o f t h e S y m b o l s U s e d i n F i g u r e s 3 a n d 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 C o m p a r i s o n o f P r o p a g a t i o n D e l a y T i m e

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 P o s s i b l e B o a r d S t a c k u p o n a F o u r - L a y e r P C B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 P o s s i b l e B o a r d S t a c k u p o n a S i x - L a y e r P C B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0

S o m e b a s i c u n d e r s t a n d i n g i s d e s i r a b l e i n o r d e r t o e f f e c t i v e l y u s e t h e P C B d e s i g n r u l e s g i v e n i n t h i s d o c u m e n t . T h e n , i t i s e a s y t o i d e n t i f y t h e u n d e s i r a b l e e f f e c t s t h a t c a n a r i s e a n d h o w t o a v o i d t h e m . T h e r e a s o n P C B l a y o u t b e c o m e s m o r e a n d m o r e i m p o r t a n t i s b e c a u s e o f t h e t r e n d t o f a s t e r , h i g h e r i n t e g r a t e d , s m a l l e r f o r m f a c t o r s a n d l o w e r p o w e r e l e c t r o n i c c i r c u i t s . T h e h i g h e r t h e s w i t c h i n g f r e q u e n c i e s a r e , t h e m o r e r a d i a t i o n o c c u r s o n a P C B . W i t h g o o d l a y o u t , m a n y E M I p r o b l e m s c a n b e m i n i m i z e d i n o r d e r t o m e e t r e q u i r e d s p e c i f i c a t i o n s .

E l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ( E M I ) i s r a d i o f r e q u e n c y e n e r g y t h a t i n t e r f e r e s w i t h t h e o p e r a t i o n o f a n e l e c t r o n i c d e v i c e . T h i s r a d i o f r e q u e n c y e n e r g y c a n b e p r o d u c e d b y t h e d e v i c e i t s e l f o r b y o t h e r d e v i c e s n e a r b y .

E l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ( E M C ) i s t h e a b i l i t y o f a n e l e c t r o n i c p r o d u c t t o o p e r a t e w i t h o u t c a u s i n g E M I t h a t w o u l d i n t e r f e r e w i t h o t h e r e q u i p m e n t a n d w i t h o u t b e i n g a f f e c t e d b y E M I f r o m o t h e r e q u i p m e n t o r t h e e n v i r o n m e n t .

T h e g o a l i s t o r e d u c e E M I t o m e e t t h e r e q u i r e m e n t s g i v e n b y t h e F e d e r a l C o m m u n i c a t i o n C o m m i s s i o n ( F C C ) o r t h e I n t e r n a t i o n a l S p e c i a l C o m m i t t e e o n R a d i o I n t e r f e r e n c e ( C I S P R )

A b a s i c E M I m o d e l i s s h o w n i n F i g u r e 1 . E v e r y d e v i c e a c t s a s a s o u r c e a n d s i m u l t a n e o u s l y a s a s i n k . I t c a n c a u s e i n t e r f e r e n c e t h r o u g h a c o u p l i n g p a t h a n d c a n b e a f f e c t e d b y i n t e r f e r e n c e t h r o u g h t h e c o u p l i n g p a t h . T h e c o u p l i n g c a n b e :

C a p a c i t i v e

I n d u c t i v e

G a l v a n i c

R a d i a t e d p o w e r

F i g u r e 1 . M o d e l o f E l e c t r o m a g n e t i c I n t e r f e r e n c e

T h e r e i s n o t o n l y o n e c o u p l i n g m e c h a n i s m p r e s e n t . I t i s r a t h e r a c o m b i n a t i o n o f t h e m . B u t w i t h p r o p e r P C B l a y o u t , t h e s e e f f e c t s c a n b e r e d u c e d .

F i g u r e 2 i l l u s t r a t e s t h e t i m e a n d t h e f r e q u e n c y d o m a i n o f a c l o c k s i g n a l . I d e a l l y , i t i s a s q u a r e w a v e .H o w e v e r , i n r e a l i t y , i t i s n o t p o s s i b l e t o c h a n g e f r o m l o w l e v e l t o h i g h l e v e l ( a n d v i c e v e r s a ) i n a n i n f i n i t e s h o r t t i m e . D u e t o t h e r i s e a n d f a l l t i m e , i t h a s t h e s h a p e o f a t r a p e z o i d i n t h e t i m e d o m a i n . B y m e a n s o f t h e F o u r i e r s e r i e s , t h e t r a p e z o i d c o n s i s t s o f a s e r i e s o f s i n e a n d c o s i n e s i g n a l s w i t h d i f f e r e n t f r e q u e n c y

2 H i g h - S p e e d L a y o u t G u i d e l i n e s S C A A 0 8 2 N o v e m b e r 2 0 0 6



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1 . 3 T r a n s m i s s i o n L i n e s


a n d m a g n i t u d e . T h e d i s c r e t e f r e q u e n c y c o m p o n e n t s h a v e a n e n v e l o p e a s i s s h o w n i n t h e l o w e r d i a g r a m o f F i g u r e 2 . A n i m p o r t a n t a s p e c t i s t h a t i n t h e f r e q u e n c y d o m a i n t h e a m p l i t u d e o f t h e h i g h e r f r e q u e n c y h a r m o n i c s d e p e n d s o n t h e r i s e a n d f a l l t i m e o f t h e s i g n a l . T h e l o n g e r t h e r i s e t i m e , t h e s m a l l e r t h e m a g n i t u d e o f t h e h a r m o n i c s . F o r e x a m p l e , t h e h a r m o n i c s o f a 1 0 0 - M H z c l o c k s i g n a l a r e n o t n e g l i g i b l e , e s p e c i a l l y t h e t h i r d a n d f i f t h . I n t h i s c a s e , c o n s i d e r a t i o n a l s o s h o u l d b e m a d e w i t h f r e q u e n c i e s u p t o 5 0 0 M H z . W i t h C D C E 9 0 6 f r o m T e x a s I n s t r u m e n t s , t h e u s e r c a n s e t d i f f e r e n t r i s e a n d f a l l t i m e s t o r e d u c e t h e a m p l i t u d e o f t h e h a r m o n i c s . H o w e v e r , c a r e m u s t b e t a k e n t h a t t h e s e t i m e s d o n o t v i o l a t e t h e s l e w r a t e s p e c i f i c a t i o n s o f t h e d r i v e n d e v i c e s .

F i g u r e 2 . T i m e D o m a i n a n d F r e q u e n c y D o m a i n o f a C l o c k S i g n a l

I f t h e l e n g t h s o f t r a c e s a r e i n t h e r a n g e o f t h e s i g n a l ' s w a v e l e n g t h , t h e n t h e u s e r h a s t o c o n s i d e r t h e e f f e c t s o f t r a n s m i s s i o n l i n e s . T h e p r o b l e m s t h a t a u s e r m u s t d e a l w i t h a r e t i m e d e l a y , r e f l e c t i o n s , a n d c r o s s t a l k . T o g e t a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e s e p r o b l e m s a n d w h e r e a n d h o w t h e y a r i s e , i t i s u s e f u l t o k n o w w h a t t r a n s m i s s i o n l i n e s a r e . T h e y a r e s i m p l y t h e t r a c e s o n a P C B a n d d e p e n d o n t h e l e n g t h a n d t h e f r e q u e n c y o f t h e s i g n a l s p a s s i n g t h r o u g h t h e m .

M a n y d i f f e r e n t s t r u c t u r e s o f t r a c e r o u t i n g a r e p o s s i b l e o n a P C B . T w o c o m m o n s t r u c t u r e s a r e s h o w n i n F i g u r e 3 . O n t h e l e f t , a m i c r o s t r i p s t r u c t u r e i s i l l u s t r a t e d a n d o n t h e r i g h t , a s t r i p l i n e t e c h n i q u e . A m i c r o s t r i p h a s o n e r e f e r e n c e , o f t e n a g r o u n d p l a n e , a n d t h e s e a r e s e p a r a t e d b y a d i e l e c t r i c . A s t r i p l i n e h a s t w o r e f e r e n c e s , o f t e n m u l t i p l e g r o u n d p l a n e s , a n d a r e s u r r o u n d e d w i t h t h e d i e l e c t r i c .

F i g u r e 3 . S t r u c t u r e a n d D i m e n s i o n o f M i c r o s t r i p a n d S t r i p l i n e

T h e f o l l o w i n g s e c t i o n s d e s c r i b e s o m e i m p o r t a n t p r o p e r t i e s o f t r a n s m i s s i o n l i n e s w h i c h a r e s i g n i f i c a n t f o r P C B d e s i g n . M a n y s o f t w a r e t o o l s a r e a v a i l a b l e t o c a l c u l a t e t h e p r o p e r t i e s o f t h e s e v e r a l t r a n s m i s s i o n l i n e




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8ms

eff


s t r u c t u r e s . I n t h i s a p p l i c a t i o n r e p o r t , t h e f r e e w a r e A p p C A D f r o m A g i l e n t i s u s e d s o t h a t t h e r e a d e r c a n b e c o m e f a m i l i a r w i t h t h e s e p r o p e r t i e s . F i g u r e 4 s h o w s t h e t w o s t r u c t u r e s , m i c r o s t r i p ( t o p ) a n d s t r i p l i n e ( b o t t o m ) . T h e d i m e n s i o n s , t h e m a t e r i a l , a n d t h e f r e q u e n c y a r e i n e a c h c a s e s h o w n o n t h e l e f t . T h e r e s u l t s t h a t a r e u s e d i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s c a n b e s e e n o n t h e r i g h t . T a b l e 1 d e f i n e s t h e s y m b o l s u s e d i n F i g u r e 3 a n d F i g u r e 4 .

T a b l e 1 . D e s c r i p t i o n o f t h e S y m b o l s U s e d i n F i g u r e s 3 a n d 4

S Y M B O L D E S C R I P T I O N

H H e i g h t o f t h e d i e l e c t r i c

W W i d t h o f t h e t r a c e

L L e n g t h o f t h e t r a c e

F r e q u e n c y T h e f r e q u e n c y o n w h i c h t h e c a l c u l a t i o n s a r e b a s e d

Z 0 C h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e o f t h e t r a c e

1 . 0 W a v e l e n g t h W a v e l e n g t h o f t h e t r a c e a t t h e g i v e n f r e q u e n c y a n d t h e g i v e n e f f e c t i v e d i e l e c t r i c

V P V e l o c i t y o f t h e s i g n a l o n t h i s t r a c e w i t h t h e g i v e n d i m e n s i o n s a n d f r e q u e n c y r e l a t i v e t o t h e s p e e d o f l i g h t . T h e a b s o l u t e v e l o c i t y i s c a l c u l a t e d b y V P , . a b s o l u t e = V P , . r e l a t i v e 3 1 0

8 m / s

e f f C o m b i n a t i o n o f t h e s e v e r a l d i e l e c t r i c s w h i c h s u r r o u n d s t h e m i c r o s t r i p

W / H R a t i o b e t w e e n t r a c e w i d t h a n d t r a c e l e n g t h

H i g h - S p e e d L a y o u t G u i d e l i n e s 4 S C A A 0 8 2 N o v e m b e r 2 0 0 6



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F i g u r e 4 . C a l c u l a t i o n o f P r o p e r t i e s o f M i c r o s t r i p a n d S t r i p l i n e ( A p p C A D )




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( 1 ) P d i s t h e p r o p a g a t i o n d e l a y t i m e i n p s o n t h e m e n t i o n e d l i n e w i t h A 1 0 0 - m m l e n g t h . d 1

171.9 mmns 100 mm

1 . 3 . 1 S i g n a l S p e e d a n d P r o p a g a t i o n D e l a y T i m e

V 3 10 msr

( 1 )

1 . 3 . 1 . 1 E x a m p l e s

1 . 3 . 2 C h a r a c t e r i s t i c I m p e d a n c e , R e f l e c t i o n s , a n d T e r m i n a t i o n

c a l c u l a t e d a s R

Z0

R Z0

.

F o r t h e t w o m e n t i o n e d c a s e s , t h e r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t b e c o m e s = + 1 f o r a n


A s i g n a l c a n n o t p a s s t h r o u g h a t r a c e w i t h i n f i n i t e s p e e d . T h e m a x i m u m s p e e d i s t h e s p e e d o f l i g h t w i t h 3 1 0 8 m / s . F o r a c e r t a i n t r a c e l e n g t h , t h e s i g n a l n e e d s a c e r t a i n t i m e t o p a s s i t , a n d t h i s i s c a l l e d t h e p r o p a g a t i o n d e l a y t i m e . T h e s t a n d a r d m e d i u m f o r t h e s p e e d o f l i g h t i s a i r . F o r a n o t h e r m e d i u m , t h e d i e l e c t r i c i n a P C B e n v i r o n m e n t , t h e s p e e d i s d i f f e r e n t t h a n t h a t o f t h e s p e e d o f l i g h t i n a i r . T h e f o r m u l a f o r t h e s p e e d o n a s t r i p l i n e i s :

S o , t h e s p e e d i s a f u n c t i o n o f t h e d i e l e c t r i c w h i c h s u r r o u n d s t h e t r a c e . F o r a m i c r o s t r i p , i t i s m o r e c o m p l i c a t e d b e c a u s e t h e t r a c e i s n o t s u r r o u n d e d b y o n e d i e l e c t r i c . T h e r e a r e a t l e a s t t w o : t h e s u b s t r a t e u n d e r t h e t r a c e a n d t h e a i r a b o v e t h e t r a c e . I f t h e P C B c o n t a i n s a s o l d e r m a s k , a t h i r d m e d i u m w o u l d b e p r e s e n t . T h e r e f o r e , t h e c a l c u l a t i o n o f a n e f f e c t i v e r i s n e c e s s a r y b e f o r e d e t e r m i n i n g t h e s i g n a l s p e e d . I t d e p e n d s o n t h e w i d t h o f t h e m i c r o s t r i p a n d t h e d i s t a n c e t o t h e r e f e r e n c e p l a n e . I n t h i s c a s e , t h e s p e e d i s a f u n c t i o n o f t h e p r e s e n t d i e l e c t r i c , t h e t r a c e w i d t h , a n d i t s d i s t a n c e t o t h e r e f e r e n c e p l a n e [ 1 2 ] .

T h e s i g n a l s p e e d a n d t h e p r o p a g a t i o n d e l a y t i m e , r e s p e c t i v e l y , o n a s i g n a l t r a c e a r e i m p o r t a n t w h e n :

T i m i n g a n d s k e w r e q u i r e m e n t s n e e d t o b e m e t ( c l o c k d i s t r i b u t i o n , b u s e s , e t c )

D i f f e r e n t i a l t r a c e s w e r e u s e d ( e . g . , L V D S )

T h e f o l l o w i n g p a r a m e t e r s a r e t h e s a m e i n e a c h c a s e :

l e n g t h = 1 0 0 m m ; t h i c k n e s s = 3 5 m ; h e i g h t = 1 . 5 m m ; r = 4 . 6 ( F R 4 ) ; f r e q u e n c y = 3 0 0 M H z

I n T a b l e 2 , t h e d e p e n d e n c y o f s i g n a l s p e e d o n t h e t r a c e w i d t h a t t h e m i c r o s t r i p s t r u c t u r e i s s h o w n . U s i n g a s t r i p l i n e , t h e s i g n a l s p e e d i s n o t a f u n c t i o n o f t h e t r a c e w i d t h . T h e s a m e i s v a l i d f o r t h e h e i g h t .

T a b l e 2 . C o m p a r i s o n o f P r o p a g a t i o n D e l a y T i m e

W I D T H r , e f f V P , r e l a t i v e V P , a b s o l u t e P d ( 1 )

[ m m ] [ m m / n s ] [ p s / 1 0 0 m m ]

M i c r o s t r i p 1 0 . 5 3 . 0 4 6 0 . 5 7 3 1 7 1 . 9 5 8 1 . 7

M i c r o s t r i p 2 1 3 . 1 6 5 0 . 5 6 2 1 6 8 . 6 5 9 3 . 1

S t r i p l i n e 1 0 . 5 4 . 6 0 . 4 6 6 1 3 9 . 8 7 1 5 . 3

S t r i p l i n e 2 1 4 . 6 0 . 4 6 6 1 3 9 . 8 7 1 5 . 3

A n o t h e r p r o p e r t y o f a t r a n s m i s s i o n l i n e i s t h e c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e , Z 0 . T h e m i c r o s t r i p i n F i g u r e 4 h a sf o r t h e g i v e n a t t r i b u t e s a c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e Z 0 = 1 0 5 , a n d t h e s t r i p l i n e Z 0 = 5 5 . I f t h e r e a r e a n y i m p e d a n c e c h a n g e s i n t h e s i g n a l c h a i n ( s o u r c e t r a c e v i a s c o n n e c t o r s s i n k , e t c . ) r e f l e c t i o n s o c c u r . T h e s e r e f l e c t i o n s c a u s e o v e r - a n d u n d e r s h o o t s . T h e t w o e x t r e m e a r e a t r a n s m i s s i o n l i n e w i t h a n o p e n e n d ( R = ) a n d a s h o r t e d e n d ( R = 0 ) . T h e r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t i s t h e d i m e n s i o n w h i c h e x p r e s s e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e i m p e d a n c e o f t h e t r a n s m i s s i o n l i n e a n d t h e i m p e d a n c e o f t h e s o u r c e o r s i n k . I t i s

o p e n e n d a n d = 1 f o r a s h o r t e d e n d . T h e v a l u e 1 m e a n s t h a t t h e c o m p l e t e s i g n a l r e f l e c t s a t t h i s i m p e d a n c e c h a n g e a n d g o e s b a c k t o t h e s o u r c e . T o a v o i d t h i s , t h e r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t m u s t b e = 0 t o g e t n o r e f l e c t i o n s . T h i s i s t h e c a s e i f t h e i m p e d a n c e a t t h e s o u r c e h a s t h e s a m e v a l u e a s t h e c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e o f t h e t r a n s m i s s i o n l i n e .

I n F i g u r e 5 , t h e c a s e w i t h a n o p e n e n d ( h i g h - i m p e d a n c e i n p u t s t a g e o f t h e s i n k ) i s s i m u l a t e d . T h e c l o c k

6 H i g h - S p e e d L a y o u t G u i d e l i n e s S C A A 0 8 2 N o v e m b e r 2 0 0 6



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1 . 4 C r o s s t a l k

1 . 5 D i f f e r e n t i a l S i g n a l s

1 . 6 R e t u r n C u r r e n t a n d L o o p A r e a s


R e f e r e n c e s : [ 8 ] , [ 9 ]

T h e m u t u a l i n f l u e n c e o f t w o p a r a l l e l , n e a r b y r o u t e d t r a c e s i s c a l l e d c r o s s t a l k . O n e i s c a l l e d t h e a g g r e s s o r ( t h i s t r a c e c a r r i e s t h e s i g n a l ) a n d t h e o t h e r i s c a l l e d t h e v i c t i m ( t h i s t r a c e i s i n f l u e n c e d b y t h e a g g r e s s o r ) .

D u e t o t h e e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d , t h e v i c t i m i s i n f l u e n c e d b y a n i n d u c t i v e a n d a c a p a c i t i v e c o u p l i n g . T h e y g e n e r a t e a f o r w a r d a n d a b a c k w a r d c u r r e n t i n t h e v i c t i m t r a c e w h e r e a s i n a h o m o g e n o u s e n v i r o n m e n t ( e . g . , s t r i p l i n e ) t h e t w o i n d u c e d c u r r e n t s c a n c e l e a c h o t h e r . I n a m i c r o s t r i p e n v i r o n m e n t , t h e f o r w a r d c u r r e n t o f t h e i n d u c t i v e c o u p l i n g t e n d s t o b e l a r g e r t h a n t h e i n f l u e n c e o f t h e c a p a c i t i v e c o u p l i n g . T o m i n i m i z e t h e e f f e c t s o n c r o s s t a l k o n a d j a c e n t t r a c e s , k e e p t h e m a t l e a s t 2 t i m e s t h e t r a c e w i d t h a p a r t .

R e f e r e n c e s : [ 1 ] , [ 2 ] , [ 3 ] , [ 4 ] , [ 5 ]

I n t h e c a s e o f d i f f e r e n t i a l s i g n a l s , t h e n e g a t i v e e f f e c t o f c r o s s t a l k i s a p o s i t i v e o n e . T h e s i g n a l s o n e a c h t r a c e a r e i n t h e o r y e x a c t l y e q u a l i n m a g n i t u d e a n d o p p o s i t e i n t h e i r s i g n . S o , t h e i r e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s c a n c e l e a c h o t h e r a n d t h e r e t u r n c u r r e n t o n t h e g r o u n d p l a n e , a s w e l l . T o a c h i e v e t h i s , t h e t r a c e s f o r b o t h s i g n a l s m u s t h a v e t h e s a m e l e n g t h i n o r d e r t h a t t h e p r o p a g a t i o n d e l a y t i m e s a r e e q u a l . T h e r e c e i v e r i s

s e n s i t i v e t o t h e d i f f e r e n c e s o f t h e s i g n a l s a n d n o t t o a n a b s o l u t e l y l e v e l r e f e r e n c e , e . g . , t o g r o u n d . I f a n y s i g n a l r a d i a t e d e q u a l l y i n t o b o t h d i f f e r e n t i a l t r a c e s , t h e r e c e i v e r w o u l d n o t r e c o g n i z e i t . T h e r e f o r e , t h e d e s i g n e r h a s t o m a k e s u r e t h a t r a d i a t i o n a f f e c t s b o t h t r a c e s e q u a l l y . T h i s c a n b e r e a l i z e d b y r o u t i n g t h e d i f f e r e n t i a l t r a c e s a s c l o s e a s p o s s i b l e .

R e f e r e n c e s : [ 1 ] , [ 6 ] , [ 7 ]

A n e l e c t r i c a l c i r c u i t m u s t a l w a y s b e a c l o s e d l o o p . U p t o n o w , o n l y t h e s i g n a l p a t h w a s d i s c u s s e d b u t n o t t h e p a t h b a c k t o t h e s o u r c e t h e r e t u r n c u r r e n t . W i t h D C , t h e r e t u r n c u r r e n t t a k e s t h e w a y b a c k w i t h t h e l o w e s t r e s i s t a n c e ( F i g u r e 6 a ) . W i t h a h i g h e r f r e q u e n c y , t h e r e t u r n c u r r e n t f l o w s a l o n g t h e l o w e s t i m p e d a n c e ( F i g u r e 6 b ) . T h i s i s d i r e c t l y b e s i d e t h e s i g n a l .

F i g u r e 6 . R e t u r n C u r r e n t a n d R e s u l t i n g L o o p A r e a

I f t h i s r e t u r n p a t h , m o s t l y t h e g r o u n d p l a n e , h a s a s l o t , t h e r e t u r n c u r r e n t h a s t o t a k e a n o t h e r w a y a n d t h i s r e s u l t s i n a l o o p a r e a ( F i g u r e 6 c ) . T h e l a r g e r t h e a r e a , t h e m o r e r a d i a t i o n a n d E M I p r o b l e m s o c c u r . T h e d e s i g n e r h a s t o m a k e s u r e t h a t t h e r e t u r n c u r r e n t c a n f l o w d i r e c t l y u n d e r n e a t h t h e s i g n a l t r a c e . O n e s o l u t i o n i s t o p l a c e a 0 - r e s i s t o r o v e r t h e s l o t ( F i g u r e 6 d ) . A n o t h e r i s t o r o u t e t h e s i g n a l t h e s a m e w a y a s t h e r e t u r n c u r r e n t f l o w s . T h e b e s t s o l u t i o n i s t o a v o i d a n y s l o t s i n t h e g r o u n d r e f e r e n c e p l a n e .

H i g h - S p e e d L a y o u t G u i d e l i n e s 8 S C A A 0 8 2 N o v e m b e r 2 0 0 6



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2 P r a c t i c a l P C B D e s i g n R u l e s

2 . 1 P C B C o n s i d e r a t i o n s D u r i n g t h e C i r c u i t D e s i g n

2 . 2 B o a r d S t a c k u p

P r a c t i c a l P C B D e s i g n R u l e s

B e c a u s e m a n y t h i n g s c a n a f f e c t t r a n s m i s s i o n l i n e s , E M I p r o b l e m s c a n o c c u r . I n o r d e r t o r e d u c e t h e s e p r o b l e m s , g o o d P C B d e s i g n i s i m p o r t a n t a n d w i t h s o m e s i m p l e d e s i g n r u l e s , t h e P C B d e s i g n e r c a n m i n i m i z e t h e s e p r o b l e m s . I t i s i m p o r t a n t t o m a k e p r u d e n t d e c i s i o n s d u r i n g n e w c i r c u i t d e s i g n , l i k e t h e m i n i m u m n u m b e r o f l a y e r s . T h e e a s i e s t w a y t o g e t a g o o d , n e w d e s i g n i s t o c o p y t h e r e c o m m e n d e d d e s i g n f r o m t h e T I e v a l u a t i o n m o d u l e s ( E V M ) .

A g o o d P C B l a y o u t s t a r t s w i t h t h e c i r c u i t d e s i g n . D o n o t p o s t p o n e c o n s i d e r a t i o n s a b o u t t h e l a y o u t . O n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t a s p e c t s a f f e c t i n g t h e l a y o u t i s t h e l o c a t i o n o f e a c h f u n c t i o n a l b l o c k . K e e p t h e i r d e v i c e s a n d t h e i r t r a c e s t o g e t h e r .

W h a t i s t h e h i g h e s t f r e q u e n c y a n d f a s t e s t r i s e t i m e i n t h e s y s t e m ?

W h a t a r e t h e e l e c t r i c a l s p e c i f i c a t i o n s a t t h e i n p u t s a n d o u t p u t s o f t h e s i n k s a n d s o u r c e s ?

A r e t h e r e s e n s i t i v e s i g n a l s t o r o u t e f o r e x a m p l e , t h i n k a b o u t c o n t r o l l e d i m p e d a n c e , t e r m i n a t i o n , p r o p a g a t i o n d e l a y o n a t r a c e ( c l o c k d i s t r i b u t i o n , b u s e s , e t c . ) ?

I s a m i c r o s t r i p a d e q u a t e f o r t h e s e n s i t i v e s i g n a l s , o r i s i t e s s e n t i a l t o u s e s t r i p l i n e t e c h n i q u e ?

H o w m a n y d i f f e r e n t s u p p l y v o l t a g e s e x i s t ? D o e s e a c h s u p p l y v o l t a g e n e e d i t s o w n p o w e r p l a n e , o r i s i t p o s s i b l e t o s p l i t t h e m ?

C r e a t e a d i a g r a m w i t h t h e f u n c t i o n a l g r o u p s o f t h e s y s t e m e . g . , t r a n s m i t t e r p a t h , r e c e i v e r p a t h , a n a l o g s i g n a l s , d i g i t a l s i g n a l s , e t c .

A r e t h e r e a n y i n t e r c o n n e c t i o n s b e t w e e n a t l e a s t t w o i n d e p e n d e n t f u n c t i o n a l g r o u p s ? T a k e s p e c i a l c a r e o f t h e m . T h i n k a b o u t t h e r e t u r n c u r r e n t a n d c r o s s t a l k t o o t h e r t r a c e s .

C l a r i f y t h e m i n i m u m w i d t h , s e p a r a t i o n a n d h e i g h t o f a t r a c e w i t h t h e P C B m a n u f a c t u r e r . W h a t ' s t h e m i n i m u m d i s t a n c e b e t w e e n t w o l a y e r s ? W h a t a b o u t t h e m i n i m u m d r i l l a n d t h e r e q u i r e m e n t s o f v i a s ? I s i t p o s s i b l e t o u s e b l i n d v i a s a n d b u r i e d v i a s ?

E q u i p p e d w i t h t h i s i n f o r m a t i o n , a d e s i g n e r c a n d o a l o t o f b a s i c d e s i g n .

T h e r e i s n o f u n d a m e n t a l i n f o r m a t i o n a b o u t h o w m a n y l a y e r s s h o u l d b e u s e d a n d h o w t h e b o a r d s t a c k u p

s h o u l d l o o k . A g a i n , t h e e a s i e s t w a y t h e g e t g o o d r e s u l t s i s t o u s e t h e d e s i g n f r o m t h e E V M s o f T e x a s I n s t r u m e n t s . T h e m a g a z i n e E l e k t r o n i k P r a x i s [ 1 1 ] h a s p u b l i s h e d a n a r t i c l e w i t h a n a n a l y s i s o f d i f f e r e n t b o a r d s t a c k u p s . T h e s e a r e l i s t e d i n T a b l e 3 a n d T a b l e 4 .

G e n e r a l l y , t h e u s e o f m i c r o s t r i p t r a c e s n e e d s a t l e a s t t w o l a y e r s , w h e r e a s o n e o f t h e m m u s t b e a G N D p l a n e . B e t t e r i s t h e u s e o f a f o u r - l a y e r P C B , w i t h a G N D a n d a V C C p l a n e a n d t w o s i g n a l l a y e r s . I f t h e c i r c u i t i s c o m p l e x a n d s i g n a l s m u s t b e r o u t e d a s s t r i p l i n e , b e c a u s e o f p r o p a g a t i o n d e l a y a n d / o r c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e , a s i x - l a y e r s t a c k u p s h o u l d b e u s e d .

T a b l e 3 . P o s s i b l e B o a r d S t a c k u p o n a F o u r - L a y e r P C B

M o d e l 1 M o d e l 2 M o d e l 3 M o d e l 4

L a y e r 1 S I G S I G S I G G N D

L a y e r 2 S I G G N D G N D S I G

L a y e r 3 V C C V C C S I G V C C

L a y e r 4 G N D S I G V C C S I G

D e c o u p l i n g G o o d G o o d B a d B a d

E M C B a d B a d B a d B a d

S i g n a l i n t e g r i t y B a d B a d G o o d B a d

S e l f d i s t u r b a n c e S a t i s f a c t i o n S a t i s f a c t i o n S a t i s f a c t i o n H i g h




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2 . 3 P o w e r a n d G r o u n d P l a n e s


T a b l e 4 . P o s s i b l e B o a r d S t a c k u p o n a S i x - L a y e r P C B

M o d e l 1 M o d e l 2 M o d e l 3 M o d e l 4 M o d e l 5 M o d e l 6

L a y e r 1 S I G S I G G N D S I G S I G S I G

L a y e r 2 S I G G N D V C C G N D G N D G N D

L a y e r 3 V C C V C C S I G V C C V C C V C C L a y e r 4 G N D V C C S I G S I G G N D G N D

L a y e r 5 S I G G N D V C C G N D N o t u s e d S I G

L a y e r 6 S I G S I G G N D S I G S I G S I G

D e c o u p l i n g G o o d G o o d G o o d G o o d G o o d G o o d

E M C B a d G o o d S a t i s f a c t i o n S a t i s f a c t i o n G o o d G o o d

S i g n a l i n t e g r i t y B a d G o o d B a d G o o d G o o d B a d

T o d e t e r m i n e t h e r i g h t b o a r d s t a c k u p , c o n s i d e r t h e f o l l o w i n g p o i n t s :

D e f i n e t h e l o c a t i o n o f e a c h s e c t i o n o n t h e b o a r d b y m e a n s o f t h e f u n c t i o n a l d i a g r a m . T r y t o k e e p t h e d e v i c e s t o g e t h e r t o a v o i d i n t e r a c t i o n ( c r o s s t a l k , i n f l u e n c e o f n o i s e ) b e t w e e n t w o s e p a r a t e b l o c k s ( l i k e t r a n s m i t t e r r e c e i v e r o r a n a l o g d i g i t a l ) .

A t w h i c h f u n c t i o n a l b l o c k i s w h i c h s u p p l y v o l t a g e u s e d ?

I t i s n e c e s s a r y i n h i g h - s p e e d d e s i g n s t o h a v e a t l e a s t o n e c o m p l e t e g r o u n d p l a n e a s a r e f e r e n c e f o r m i c r o s t r i p t r a c e s f o r s e n s i t i v e s i g n a l s .

W i t h a c o m p l e t e p o w e r p l a n e a s c l o s e a s p o s s i b l e t o t h e g r o u n d p l a n e , i t i s p o s s i b l e t o c r e a t e c a p a c i t i v e c o u p l i n g b e t w e e n t h e m t o g e t l o w i m p e d a n c e a t h i g h f r e q u e n c i e s . T h i s r e d u c e s t h e a m o u n t o n s m a l l d e c o u p l i n g c a p a c i t o r s a t t h e p o w e r p i n s o f t h e d e v i c e s . T h e c l o s e r t h e p l a n e s , t h e l e s s i m p e d a n c e i s p r e s e n t [ 1 3 ] .

A s p r e v i o u s l y m e n t i o n e d , a c o m p l e t e g r o u n d p l a n e i n h i g h - s p e e d d e s i g n i s e s s e n t i a l . A d d i t i o n a l l y , a c o m p l e t e p o w e r p l a n e i s r e c o m m e n d e d a s w e l l . I n a c o m p l e x s y s t e m , s e v e r a l r e g u l a t e d v o l t a g e s c a n b e p r e s e n t . T h e b e s t s o l u t i o n i s f o r e v e r y v o l t a g e t o h a v e i t s o w n l a y e r a n d i t s o w n g r o u n d p l a n e . B u t t h i s w o u l d r e s u l t i n a h u g e n u m b e r o f l a y e r s j u s t f o r g r o u n d a n d s u p p l y v o l t a g e s . W h a t a r e t h e a l t e r n a t i v e s ? S p l i t t h e g r o u n d p l a n e s a n d t h e p o w e r p l a n e s ? I n a m i x e d - s i g n a l d e s i g n , e . g . , u s i n g d a t a c o n v e r t e r s , t h e m a n u f a c t u r e r o f t e n r e c o m m e n d s s p l i t t i n g t h e a n a l o g g r o u n d a n d t h e d i g i t a l g r o u n d t o a v o i d n o i s e c o u p l i n g b e t w e e n t h e d i g i t a l p a r t a n d t h e s e n s i t i v e a n a l o g p a r t .

T a k e c a r e w h e n u s i n g s p l i t g r o u n d p l a n e s b e c a u s e :

S p l i t g r o u n d p l a n e s a c t a s s l o t a n t e n n a s a n d r a d i a t e .

A r o u t e d t r a c e o v e r a g a p c r e a t e s l a r g e l o o p a r e a s , b e c a u s e t h e r e t u r n c u r r e n t c a n n o t f l o w b e s i d e t h e s i g n a l , a n d t h e s i g n a l c a n i n d u c e n o i s e i n t o t h e n o n r e l a t e d r e f e r e n c e p l a n e ( F i g u r e 7 ) .

W i t h a p r o p e r s i g n a l r o u t i n g , c r o s s t a l k a l s o c a n a r i s e i n t h e r e t u r n c u r r e n t p a t h d u e t o d i s c o n t i n u i t i e s i n t h e g r o u n d p l a n e . A l w a y s t a k e c a r e o f t h e r e t u r n c u r r e n t ( F i g u r e 1 0 ) .

F i g u r e 7 : D o n o t r o u t e a s i g n a l r e f e r e n c e d t o d i g i t a l g r o u n d o v e r a n a l o g g r o u n d a n d v i c e v e r s a . T h e r e t u r n c u r r e n t c a n n o t t a k e t h e d i r e c t w a y a l o n g t h e s i g n a l t r a c e a n d s o a l o o p a r e a o c c u r s . F u r t h e r m o r e , t h e s i g n a l i n d u c e s n o i s e , d u e t o c r o s s t a l k ( d o t t e d r e d l i n e ) i n t o t h e a n a l o g g r o u n d p l a n e .

1 0 H i g h - S p e e d L a y o u t G u i d e l i n e s S C A A 0 8 2 N o v e m b e r 2 0 0 6



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F i g u r e 9 . G o o d P l a c e m e n t o f D i f f e r e n t F u n c t i o n a l B l o c k s W i t h o u t t h e N e e d o f a S p l i t G r o u n d P l a n e

F i g u r e 1 0 : I f t h e t r a c e r o u t i n g o f t w o s i g n a l s i s d o n e p r o p e r l y , i t i s s t i l l p o s s i b l e t o i n d u c e n o i s e i n t h e r e t u r n c u r r e n t p a t h b y m e a n s o f c r o s s t a l k . I n t h i s c a s e , a l o o p a r e a a n d c r o s s t a l k i n t h e r e t u r n c u r r e n t p a t h h a v e b e e n c r e a t e d .

I f p o s s i b l e , u s e a c o n t i n u o u s g r o u n d p l a n e ; d o n o t s p l i t t h e m . T h i s c a n b e a c h i e v e d b y a p r o p e r p l a c e m e n t s e l e c t i o n . A g a i n , c r e a t e f u n c t i o n a l b l o c k s , a n d p l a c e a n d r o u t e t h e m t o g e t h e r . B y d o i n g t h i s , t h e t r a c e s o f a d i g i t a l p a r t c a n n o t i n f l u e n c e a n y t r a c e o f t h e a n a l o g p a r t i f t h e s e s e c t i o n s d o n o t c r o s s e a c h o t h e r .

I f s p l i t g r o u n d p l a n e s a r e e s s e n t i a l :

D o n o t r o u t e s i g n a l s o v e r a g a p . A l w a y s s t r i v e f o r t h e r e t u r n c u r r e n t f l o w w i t h t h e s m a l l e s t l o o p a r e a .

C o n n e c t s p l i t g r o u n d p l a n e s o n l y a t o n e p o i n t . M o r e c o m m o n g r o u n d c o n n e c t i o n s c a n c r e a t e g r o u n d l o o p s , a n d t h i s i n c r e a s e s r a d i a t i o n .

T h e r e t u r n c u r r e n t o f a s u b s y s t e m ( e . g . , a n a n a l o g s y s t e m o r t r a n s m i t t e r p a t h ) m u s t n o t b e i n t h e p a t h o f t h e o t h e r s u b s y s t e m ( d i g i t a l s y s t e m o r r e c e i v e r p a t h ) . T h e r e t u r n c u r r e n t s h o u l d f l o w d i r e c t l y t o t h e c o m m o n g r o u n d p o i n t ( F i g u r e 8 ) .

P o w e r p l a n e s s h o u l d o n l y r e f e r e n c e t h e i r o w n g r o u n d p l a n e . T h e y s h o u l d n o t o v e r l a p w i t h a n o t h e r g r o u n d p l a n e . T h i s l e a d s t o c a p a c i t i v e c o u p l i n g b e t w e e n t h e p o w e r p l a n e a n d a n o t - r e f e r e n c e d g r o u n d p l a n e . N o i s e c a n c o u p l e i n t o t h e o t h e r s y s t e m .

D o n o t c o n n e c t b y p a s s c a p a c i t o r s b e t w e e n a p o w e r p l a n e a n d a n u n r e l a t e d g r o u n d p l a n e . A g a i n , n o i s e c a n b e c o u p l e d f r o m o n e s u p p l y s y s t e m i n t o t h e o t h e r . T h i s m i s t a k e c a n o c c u r i n t h e c i r c u i t d e s i g n s e c t i o n .

F i g u r e 1 0 . C r o s s t a l k I n d u c e d b y t h e R e t u r n C u r r e n t P a t h

H i g h - S p e e d L a y o u t G u i d e l i n e s 1 2 S C A A 0 8 2 N o v e m b e r 2 0 0 6



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2 . 4 D e c o u p l i n g C a p a c i t o r s


D e c o u p l i n g c a p a c i t o r s b e t w e e n t h e p o w e r p i n a n d g r o u n d p i n o f t h e d e v i c e e n s u r e l o w a c i m p e d a n c e t o r e d u c e n o i s e a n d t o s t o r e e n e r g y . T o r e a c h l o w i m p e d a n c e o v e r a w i d e f r e q u e n c y r a n g e , s e v e r a l c a p a c i t o r s m u s t b e u s e d . T h i s i s w h y , a r e a l c a p a c i t o r c o n s i s t s o f i t s c a p a c i t a n c e a n d a p a r a s i t i c i n d u c t a n c e a n d r e s i s t a n c e . T h e r e f o r e , e v e r y r e a l c a p a c i t o r b e h a v e s a s a r e s o n a n t c i r c u i t . T h e c a p a c i t i v e c h a r a c t e r i s t i c s a r e o n l y v a l i d u p t o i t s s e l f - r e s o n a n t f r e q u e n c y ( S R F ) . A b o v e t h e S R F , t h e p a r a s i t i c e f f e c t s

d o m i n a t e , a n d t h e c a p a c i t o r a c t s a s a n i n d u c t o r . W i t h t h e u s e o f s e v e r a l c a p a c i t o r s w i t h d i f f e r e n t v a l u e s , l o w a c i m p e d a n c e o v e r a w i d e f r e q u e n c y r a n g e c a n b e p r o v i d e d .

F i g u r e 1 1 . I m p e d a n c e o f D i f f e r e n t C a p a c i t o r s O v e r a W i d e F r e q u e n c y R a n g e a n d t h e R e s u l t i n g I m p e d a n c e o f T h e i r P a r a l l e l C o n n e c t i o n

F i g u r e 1 1 s h o w s t h i s c o n t e x t . C a p a c i t o r s w i t h h i g h v a l u e s h a v e l o w i m p e d a n c e i n t h e l o w e r f r e q u e n c y r a n g e a n d a l o w S R F , w h e r e a s s m a l l - v a l u e d c a p a c i t o r s h a v e t h e i r S R F i n t h e u p p e r f r e q u e n c y r a n g e . T h i s d e p e n d s o n t h e e q u i v a l e n t s e r i e s r e s i s t a n c e ( E S R ) a n d t h e e q u i v a l e n t s e r i e s i n d u c t a n c e ( E S L ) . A g o o d c o m b i n a t i o n o f s e v e r a l c a p a c i t o r s l e a d s t o a l o w i m p e d a n c e o v e r a w i d e f r e q u e n c y r a n g e . T h i s i s s h o w n w i t h t h e C p a r a l l e l c u r v e i n F i g u r e 1 1 . T h e g a p ( i n c r e a s e o f t h e i m p e d a n c e ) a t a r o u n d 6 0 M H z i s t h e r e s u l t o f a m i s s i n g c a p a c i t a n c e . I f t h e r e w e r e a v a l u e b e t w e e n 1 0 0 n F a n d 1 0 n F , t h e C p a r a l l e l c u r v e w o u l d n o t i n c r e a s e .

A s p r e v i o u s l y m e n t i o n e d , a p o w e r a n d G N D p l a n e c a n r e p r e s e n t a c a p a c i t a n c e t h a t e n s u r e s l o w i m p e d a n c e a t h i g h f r e q u e n c i e s . T h e r e f o r e , a w e l l - d e s i g n e d b o a r d s t a c k u p c a n m i n i m i z e t h e n u m b e r o f c a p a c i t o r s r e q u i r e d h a v i n g l o w - c a p a c i t a n c e v a l u e s .

G e n e r a l r u l e s f o r p l a c i n g c a p a c i t o r s :

P l a c e t h e l o w e s t v a l u e d c a p a c i t o r a s c l o s e a s p o s s i b l e t o t h e d e v i c e t o m i n i m i z e t h e i n d u c t i v e i n f l u e n c e

o f t h e t r a c e . T h i s i s e s p e c i a l l y i m p o r t a n t f o r s m a l l c a p a c i t o r v a l u e s , b e c a u s e t h e i n d u c t i v e i n f l u e n c e o f t h e t r a c e i s n o t n e g l i g i b l e a n y m o r e .

P l a c e t h e l o w e s t v a l u e d c a p a c i t o r a s c l o s e a s p o s s i b l e t o t h e p o w e r p i n / p o w e r t r a c e o f t h e d e v i c e .

C o n n e c t t h e p a d o f t h e c a p a c i t o r d i r e c t l y w i t h a v i a t o t h e g r o u n d p l a n e . U s e t w o o r t h r e e v i a s t o g e t a l o w - i m p e d a n c e c o n n e c t i o n t o g r o u n d . I f t h e d i s t a n c e t o t h e g r o u n d p i n o f t h e d e v i c e i s s h o r t e n o u g h , y o u c a n c o n n e c t i t d i r e c t l y .

M a k e s u r e t h a t t h e s i g n a l m u s t f l o w a l o n g t h e c a p a c i t o r .

S C A A 0 8 2 N o v e m b e r 2 0 0 6 H i g h - S p e e d L a y o u t G u i d e l i n e s 1 3



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Poor Bypassing

Good Bypassing

2 . 5 T r a c e s , V i a s , a n d O t h e r P C B C o m p o n e n t s


F i g u r e 1 2 . P o o r a n d G o o d P l a c e m e n t a n d R o u t i n g o f B y p a s s C a p a c i t o r s

A r i g h t a n g l e i n a t r a c e c a n c a u s e m o r e r a d i a t i o n . T h e c a p a c i t a n c e i n c r e a s e s i n t h e r e g i o n o f t h e c o r n e r , a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e c h a n g e s . T h i s i m p e d a n c e c h a n g e c a u s e s r e f l e c t i o n s .

A v o i d r i g h t - a n g l e b e n d s i n a t r a c e a n d t r y t o r o u t e t h e m a t l e a s t w i t h t w o 4 5 c o r n e r s . T o m i n i m i z e a n y i m p e d a n c e c h a n g e , t h e b e s t r o u t i n g w o u l d b e a r o u n d b e n d ( s e e F i g u r e 1 3 ) .

S e p a r a t e h i g h - s p e e d s i g n a l s ( e . g . , c l o c k s i g n a l s ) f r o m l o w - s p e e d s i g n a l s a n d d i g i t a l f r o m a n a l o g s i g n a l s ; a g a i n , p l a c e m e n t i s i m p o r t a n t .

T o m i n i m i z e c r o s s t a l k n o t o n l y b e t w e e n t w o s i g n a l s o n o n e l a y e r b u t a l s o b e t w e e n a d j a c e n t l a y e r s , r o u t e t h e m w i t h 9 0 t o e a c h o t h e r .

F i g u r e 1 3 . P o o r a n d G o o d R i g h t A n g l e B e n d s

T h e u s e o f v i a s i s e s s e n t i a l i n m o s t r o u t i n g s . B u t t h e d e s i g n e r h a s t o b e c a r e f u l w h e n u s i n g t h e m . T h e y a d d a d d i t i o n a l i n d u c t a n c e a n d c a p a c i t a n c e , a n d r e f l e c t i o n s o c c u r d u e t o t h e c h a n g e i n t h e c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e . V i a s a l s o i n c r e a s e t h e t r a c e l e n g t h .

A v o i d v i a s i n d i f f e r e n t i a l t r a c e s . I f i t i s i m p o s s i b l e t o a v o i d t h e m , u s e v i a s i n b o t h t r a c e s o r c o m p e n s a t e t h e d e l a y a l s o i n t h e o t h e r t r a c e .




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F i g u r e 1 4 . L o o p A r e a s C a u s e d b y P o o r V i a P l a c e m e n t

F i g u r e 1 4 i l l u s t r a t e s a n o t h e r p r o b l e m w i t h v i a s l o o p a r e a s . T h e d e s i g n e r h a s t o m a k e s u r e t h a t t h e r e t u r n c u r r e n t c a n f l o w i d e a l l y u n d e r n e a t h ( b e s i d e ) t h e s i g n a l t r a c e . A g o o d w a y t o r e a l i z e t h i s i s t o a d d s o m e g r o u n d v i a s a r o u n d t h e s i g n a l v i a . T h i s i s a s i m i l a r s t r u c t u r e t o a c o a x i a l l i n e . C a r e m u s t b e t a k e n , i f t h e n e w l a y e r h a s a n o t h e r d i s t a n c e t o t h e r e f e r e n c e p l a n e . T h i s c a n c a u s e r e f l e c t i o n s d u e t o a n

i m p e d a n c e c h a n g e . F i g u r e 1 5 s h o w s , h o w g o o d v i a p l a c e m e n t a v o i d s l o o p a r e a s , i f t h e r e i s n e e d f o r m u l t i p l e v i a s .




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F i g u r e 1 5 . P o o r a n d G o o d V i a P l a c e m e n t

F i g u r e 1 5 : B e c a u s e o f w r o n g v i a p l a c e m e n t , e s p e c i a l l y w i t h b u s s i g n a l s , s l o t s i n t h e g r o u n d p l a n e c a n a r i s e . F u r t h e r , t h e r e t u r n c u r r e n t c a n c r e a t e a l o o p a r e a w h e n p l a c i n g t h e v i a s i n t h e w r o n g d i r e c t i o n . T h r e e d i f f e r e n t r o u t i n g s a r e s h o w n o n t h e l e f t . O n t h e r i g h t , s o m e t r a c e s a r e m a s k e d o u t t o s e e h o w t h e r e t u r n c u r r e n t ( g r e e n t r a c e ) w i l l f l o w .

I n F i g u r e 1 6 , a f o u r - l a y e r s t a c k u p c a n b e s e e n . T h e s i g n a l c h a n g e s f r o m l a y e r 1 t o l a y e r 2 . T h e v i a p a s s e s t h r o u g h a l l f o u r l a y e r s . T h u s , w e g e t t h e s t r u c t u r e o f a n o p e n - e n d t r a n s m i s s i o n l i n e w i t h n o t e r m i n a t i o n




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2 . 6 C l o c k D i s t r i b u t i o n


a n d t h e r e b y a 1 0 0 % r e f l e c t i o n . D u e t o t h e l e n g t h o f t h e s t u b , a d e l a y a l s o o c c u r s . T h e w o r s t c a s e i s n o w t h a t t h e t w o s i g n a l s ( o r i g i n a l o n e r e d a n d r e f l e c t e d o n e g r a y ) o n l a y e r 2 h a v e a p h a s e s h i f t o f 1 8 0 ,a n d s o t h e y c a n c e l e a c h o t h e r . T h e p h a s e s h i f t i s d u e t o t h e d e l a y w h i c h a r i s e s f r o m t h e s t u b l e n g t h . T h e t i m e d e l a y i s t w i c e t h e s t u b l e n g t h d i v i d e d b y t h e s i g n a l s p e e d . T o a v o i d t h i s p r o b l e m , u s e b l i n d v i a s o r b u r i e d v i a s .

F i g u r e 1 6 . R e f l e c t i o n C a u s e d b y S t u b s i n a V i a

T i p s f o r r o u t i n g t r a c e s a n d t h e u s e o f v i a s :

D o n o t u s e r i g h t - a n g l e b e n d s o n t r a c e s w i t h c o n t r o l l e d i m p e d a n c e a n d f a s t r i s e t i m e , r e s p e c t i v e l y .

R o u t e t h e t r a c e s o r t h o g o n a l l y t o e a c h o t h e r o n a d j a c e n t l a y e r s t o a v o i d c o u p l i n g .

T o m i n i m i z e c r o s s t a l k , t h e d i s t a n c e b e t w e e n t w o t r a c e s s h o u l d b e a p p r o x i m a t e l y 2 t o 3 t i m e s t h e w i d t h o f t h e t r a c e .

D i f f e r e n t i a l t r a c e s s h o u l d b e r o u t e d a s c l o s e a s p o s s i b l e t o g e t a h i g h c o u p l i n g f a c t o r . A s a r e s u l t o f t h i s , i n f l u e n c e d n o i s e i s t h e n a c o m m o n - m o d e n o i s e a n d i s n o t a p r o b l e m f o r a d i f f e r e n t i a l i n p u t s t a g e .

D o n o t u s e v i a s o n t r a c e s w i t h s e n s i t i v e s i g n a l s , i f u n n e c e s s a r y .

B e c a r e f u l w i t h t h e r e t u r n c u r r e n t w h e n c h a n g i n g t h e l a y e r s . U s e g r o u n d v i a s a r o u n d t h e s i g n a l v i a t o m a k e s u r e t h a t t h e r e t u r n c u r r e n t c a n f l o w a s c l o s e a s p o s s i b l e t o t h e s i g n a l ( F i g u r e 1 4 ) .

D o n o t c r e a t e s l o t s , f o r e x a m p l e i n t h e g r o u n d p l a n e , b y u s i n g c l o s e l y p l a c e d v i a s ( F i g u r e 1 5 ) .

C o n s i d e r s t u b s c r e a t e d b y v i a s . I f n e c e s s a r y , u s e b l i n d v i a s o r b u r i e d v i a s ( F i g u r e 1 6 ) .

F i g u r e 1 7 s h o w s f o u r p o s s i b l e c l o c k d i s t r i b u t i o n c i r c u i t s . T h e p r o b l e m s i n F i g u r e 1 7 a a r e t h e e n o r m o u s r e f l e c t i o n s a t t h e b r a n c h e s a n d t h e d i f f e r e n t t r a c e l e n g t h t o t h e d e v i c e s . B e c a u s e o f t h e d e l a y , i t i s p o s s i b l e t h a t t h e s y s t e m c a n n o t f u n c t i o n p r o p e r l y . T o a v o i d t h e r e f l e c t i o n a t t h e b r a n c h e s , d o n o t u s e t h e m ( F i g u r e 1 7 b ) . R o u t e t h e s i g n a l i n a c h a i n f r o m o n e d e v i c e t o t h e o t h e r a n d r e a l i z e a p r o p e r t e r m i n a t i o n . B e c a r e f u l w i t h t h e d e l a y . I n a h i g h - s p e e d e n v i r o n m e n t , i t i s p o s s i b l e t h a t t h e d a t a , s e n t f r o m d e v i c e A t o d e v i c e B , i s o u t o f d a t e w h e n t h e c l o c k s i g n a l a r r i v e s a t d e v i c e B . A s t a r c o n n e c t i o n a s s h o w n i n F i g u r e 1 7 c i s a g o o d s o l u t i o n t o m i n i m i z e t h e d e l a y . A c l o c k d r i v e r i s u s e d t o d i s t r i b u t e t h e c l o c k s i g n a l s t o t h e d i f f e r e n t d e v i c e s . T o m i n i m i z e t h e s k e w , t h e s a m e t r a c e l e n g t h f o r e v e r y c l o c k s i g n a l s h o u l d b e u s e d . F i g u r e 1 7 d i l l u s t r a t e s a s o l u t i o n f o r a c o m p l e x s y s t e m . A m a i n c l o c k f e e d s s e v e r a l c l o c k d r i v e r s . A g a i n , t o r e a c h l o w s k e w , i m p l e m e n t d e l a y - t i m e c o m p e n s a t i o n a n d u s e a p r o p e r t e r m i n a t i o n t o a v o i d r e f l e c t i o n s .

B e c a r e f u l w i t h t r a c e l e n g t h i n a c l o c k d i s t r i b u t i o n l a y o u t . C o n s i d e r t h e d e l a y f o r e a c h t r a c e . T h e b e s t s o l u t i o n i s t o r o u t e t h e s e s i g n a l s w i t h t h e s a m e l e n g t h .

A v o i d b r a n c h e s t o r e d u c e r e f l e c t i o n s . U s e a c l o c k d r i v e r t o d i s t r i b u t e t h e s i g n a l t o e v e r y d e v i c e a n d c o n s i d e r a p r o p e r t e r m i n a t i o n .




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ClockDriver

ClockDriver

ClockDriver

ClockDriver

ClockGenerator

Matching ofLine Length

ImpedanceMatching

ClockDriver

Clocka) c)

d)

data-line

ClockDriver

b)Clock

1 nF

100

A

B

3 S u m m a r y

S u m m a r y

F i g u r e 1 7 . P o o r a n d G o o d C l o c k D i s t r i b u t i o n o n a P C B

T h i s d o c u m e n t p r e s e n t s a n i n t r o d u c t i o n t o d e s i g n i n g a P C B , a c o m p l e x t o p i c . H o w e v e r , t h e r u l e s p r e s e n t e d i n t h i s i n t r o d u c t i o n c a n a s s i s t t h e d e s i g n e r i n c r e a t i n g p r o p e r P C B d e s i g n s . T h e h i g h e r t h e

s i g n a l f r e q u e n c y w i t h w h i c h t h e d e s i g n e r m u s t c o n t e n d , t h e m o r e c o m p l i c a t e d w i l l b e t h e P C B d e s i g n . C o m p l i c a t e d P C B d e s i g n s r e q u i r e a d e e p k n o w l e d g e , e x p e r i e n c e , a n d s i m u l a t i o n t o o l s . H o w e v e r , i t i s n o t a l w a y s n e c e s s a r y t o r o u t e t r a c e s a s s h o r t a s p o s s i b l e , d i f f e r e n t i a l s i g n a l s a s c l o s e a s p o s s i b l e , o r t o a v o i d c r o s s t a l k a s m u c h a s p o s s i b l e . R a t h e r , i t d e p e n d s o n t h e s i g n a l o n t h e t r a c e . B a s i c a l l y , t h e d e s i g n e r m u s t k n o w w h i c h a r e t h e s e n s i t i v e p a r t s i n t h e c i r c u i t o r w h e r e p r o b l e m s d u e t o r e f l e c t i o n s c a n o c c u r . W i t h t h i s k n o w l e d g e , a g o o d p l a c e m e n t o f t h e d e v i c e s c a n b e m a d e . B e c a u s e p l a c e m e n t i s s u c h a n i m p o r t a n t s t e p i n h i g h - s p e e d d e s i g n , t h e d e s i g n e r w i l l d o w e l l t o a l w a y s k e e p i t a n d t h e r e t u r n c u r r e n t i n m i n d .

H i g h - S p e e d L a y o u t G u i d e l i n e s 1 8 S C A A 0 8 2 N o v e m b e r 2 0 0 6



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4 R e f e r e n c e s

R e f e r e n c e s

1 . H i g h - S p e e d D S P S y s t e m s D e s i g n R e f e r e n c e G u i d e ( S P R U 8 8 9 )

2 . C r o s s t a l k , P a r t 1 : T h e c o n v e r s i o n w e w i s h w o u l d s t o p , D o u g l a s B r o o k s , h t t p : / / w w w . u l t r a c a d . c o m / a r t i c l e s / c r o s s t l k . p d f

3 . C r o s s t a l k , P a r t 2 : H o w l o u d i s y o u r c r o s s t a l k ? , D o u g l a s B r o o k s , h t t p : / / w w w . u l t r a c a d . c o m / a r t i c l e s / c r o s s t l k . p d f

4 . C r o s s t a l k , E M I a n d d i f f e r e n t i a l Z , D o u g l a s B r o o k s , h t t p : / / w w w . u l t r a c a d . c o m / a r t i c l e s / c r o s s e m i a n d d i f f e r e n t i a l z . p d f

5 . C r o s s t a l k , P a r t 1 : U n d e r s t a n d i n g F o r w a r d v s B a c k w a r d , D o u g l a s B r o o k s , h t t p : / / w w w . u l t r a c a d . c o m / m e n t o r / m e n t o r % 2 0 c r o s s t a l k % 2 0 p a r t 1 . p d f

6 . D i f f e r e n t i a l I m p e d a n c e : W h a t ' s t h e d i f f e r e n c e , D o u g l a s B r o o k s , h t t p : / / w w w . u l t r a c a d . c o m / a r t i c l e s / d i f f _ z . p d f

7 . D i f f e r e n t i a l S i g n a l s , D o u g l a s B r o o k s , h t t p : / / w w w . u l t r a c a d . c o m / a r t i c l e s / d i f f e r e n t i a l r u l e s . p d f

8 . A d j u s t i n g s i g n a l t i m i n g ( p a r t 1 ) , D o u g l a s B r o o k s , h t t p : / / w w w . u l t r a c a d . c o m / m

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