Выравнивание длин

Сигнал по дорожке идёт не мгновенно. Если несколько сигналов должны прийти к приёмнику одновременно, а дорожки разной длины, один опоздает. Иногда это неважно, иногда ломает работу интерфейса. Выравнивание длин (length tuning) — удлинение коротких дорожек «зигзагом», чтобы задержки совпали.

Сколько это — миллиметр дорожки

Скорость сигнала в дорожке v = c / √εэфф, где c — скорость света, εэфф — эффективная диэлектрическая проницаемость. Для FR-4 получается примерно 15 см/нс (Богатин даёт удобное правило — около 6 дюймов в наносекунду):

Где дорожка	Скорость, примерно	Задержка на 1 мм
внешний слой (часть поля в воздухе)	16–17 см/нс	≈ 6 пс
внутренний слой (всё поле в FR-4)	≈ 14–15 см/нс	≈ 7 пс

Значит, разница длин в 10 мм — это всего около 60–70 пикосекунд.

Когда выравнивать, а когда нет

Сравни разницу задержек с длительностью одного бита или с допустимым перекосом интерфейса:

• USB Full Speed (12 Мбит/с): бит длится около 83 нс. Разница в 70 пс — меньше 0,1 % бита. Выравнивать не нужно, достаточно вести пару симметрично.
• USB High Speed (480 Мбит/с): бит около 2 нс. Внутри пары перекос уже заметен и превращается в синфазную помеху. Длины D+ и D− выравнивают. Допуск — из рекомендаций производителя микросхемы.
• Параллельные шины памяти, RGMII, DDR: много сигналов должны прийти вместе с тактовым. Здесь выравнивание по группам обязательно, допуски задаёт даташит.

💡Совет

Не выравнивай «на всякий случай». Каждый меандр занимает место, добавляет изломы и может ухудшить сигнал. Сначала посчитай разницу задержек и сравни с требованием интерфейса из даташита или app note.

Меандры

Рис. 9.5. Чтобы удлинить дорожку до нужной длины, в неё вставляют меандр. Accordion (гармошка) — классический вариант. Trombone (тромбон) — одна большая петля, удобна для дифференциальных пар. Sawtooth (пила) — пологие зубцы. Параметры: амплитуда (высота зубца) и шаг (Space) между витками; шаг должен быть не меньше нескольких зазоров, иначе соседние витки начинают наводить друг на друга.

Дорожку удлиняют меандром одной из трёх форм. Несколько практических правил:

• Шаг между витками не делай слишком маленьким: соседние витки «чувствуют» друг друга, и реальная задержка получается меньше расчётной. Распространённое практическое правило — шаг не меньше 3–4 ширин дорожки (уточняй по рекомендациям производителя микросхемы).
• Меандр ставь рядом с источником рассогласования. Например, для пары — там, где одна дорожка стала длиннее другой на изгибе, а не в другом конце платы.
• Для дифференциальной пары меандр делают на более короткой дорожке, небольшими «бугорками», чтобы зазор пары нарушался как можно меньше.

Правила длины в Altium

В категории High Speed редактора правил (Design›Rules) есть два главных правила:

• Length — допустимые минимальная и максимальная длина для цепей из области действия;
• Matched Lengths — цепи из области должны совпадать по длине с заданным допуском. Для пар есть отдельные режимы: согласование между парами и внутри пары.

Правило Matched Lengths можно создать мастером из панели PCB (Differential Pairs Editor → Rule Wizard, урок 9.5).

🛠Особенность Altium

Если сигнал проходит через последовательный резистор, на плате это две разные цепи. Чтобы считать длину «от вывода до вывода» через резистор, в Altium используют xSignals — объекты, описывающие путь сигнала через пассивные компоненты. Правило Matched Lengths можно направить на класс xSignals.

Интерактивное выравнивание

1. Разведи цепи обычным способом.
2. Запусти Route›Interactive Length Tuning (для пары — Route›Interactive Differential Pair Length Tuning).
3. Нажми Tab, чтобы открыть свойства в панели Properties. Выбери форму меандра (Accordion, Trombone или Sawtooth) и способ задания цели:
   • Manual — длина вводится вручную;
   • From Net / From Diff Pairs — по уже разведённой цепи или паре;
   • From Rules — из правил Length и Matched Lengths.
4. Включи Clip to Target, чтобы Altium перестал добавлять витки, когда длина войдёт в допуск.
5. Щёлкни по дорожке и веди курсор вдоль неё — меандр будет расти. Клавиши во время работы:
   • 1 / 2 — уменьшить/увеличить скос углов (Miter);
   • 3 / 4 — уменьшить/увеличить шаг (Space);
   • Запятая / Точка — уменьшить/увеличить амплитуду;
   • Shift+G — показать или скрыть индикатор длины.

[СКРИНШОТ: Interactive Length Tuning: меандр Accordion и индикатор длины относительно цели]public/screenshots/m09-advanced/l06-length-tuning.png

Есть и автоматический вариант — Route›Automatic Length Tuning (Ctrl+Alt+T), но новичку полезнее сначала сделать это руками и увидеть, как меандр меняет длину.

🧯 Типичные ошибки

Меандр с очень маленьким шагом, а длина «не сходится» с измерением

Почему Соседние витки связаны, и сигнал частично «срезает» углы — реальная задержка меньше расчётной.

Как исправить Увеличь шаг меандра (клавиши 3/4) и амплитуду, уменьши количество витков.

Выровняли длины USB Full Speed и потратили час

Почему Для 12 Мбит/с разница в сантиметр не играет роли.

Как исправить Перед выравниванием сравни разницу задержек с длительностью бита и требованием даташита.

Длина цепи через последовательный резистор считается неправильно

Почему На плате это две разные цепи, и правило видит только одну из них.

Как исправить Используй xSignals и правило Matched Lengths для класса xSignals.

Проверь себя

1. 1. Какова примерная задержка сигнала на 10 мм дорожки на FR-4?

   ≈ 0,6 пс≈ 60–70 пс≈ 6 нс≈ 1 мкс
2. 2. Нужно ли тщательно выравнивать длины D+ и D− для USB Full Speed (12 Мбит/с) на маленькой плате?

   Да, с точностью 0,1 ммНет: бит длится ~83 нс, а разница длин даёт пикосекунды; достаточно симметричной парыДа, иначе USB не заработает
3. 3. Какой режим цели в Interactive Length Tuning берёт длину из правил Length и Matched Lengths?

   ManualFrom NetFrom Rules
4. 4. Почему шаг меандра не делают слишком маленьким?

   Завод не изготовитСоседние витки связаны, и реальная задержка получается меньше расчётнойAltium запрещает

🎯Практическое задание~30 мин

На учебной плате разведи две цепи от одного разъёма к одной микросхеме так, чтобы одна была длиннее на 8–10 мм.

1. Посчитай разницу задержек по таблице урока.
2. Создай правило Matched Lengths для этих двух цепей с допуском 0,5 мм.
3. Выровняй длины через Interactive Length Tuning с режимом From Rules и Clip to Target. Сделай скриншот с индикатором длины.