التخطيط هو أحد المهارات الوظيفية الأساسية لمهندسي تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور. ستؤثر جودة الأسلاك بشكل مباشر على أداء النظام بأكمله. يجب تنفيذ معظم نظريات التصميم عالي السرعة بشكل نهائي والتحقق من صحتها من خلال التخطيط. يمكن ملاحظة أن الأسلاك مهمة جدًا في PCB عالي السرعة التصميم. سيحلل ما يلي منطق بعض المواقف التي قد تتم مواجهتها في الأسلاك الفعلية ، ويعطي بعض استراتيجيات التوجيه الأكثر تحسينًا.

It is mainly explained from three aspects: right-angle wiring, differential wiring, and serpentine wiring.

1. توجيه الزاوية اليمنى

تعتبر الأسلاك ذات الزاوية اليمنى بشكل عام حالة يجب تجنبها قدر الإمكان في أسلاك ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، وقد أصبحت تقريبًا أحد معايير قياس جودة الأسلاك. إذن ما مدى تأثير الأسلاك ذات الزاوية اليمنى على نقل الإشارة؟ من حيث المبدأ ، سيؤدي توجيه الزاوية اليمنى إلى تغيير عرض خط خط النقل ، مما يتسبب في انقطاع المعاوقة. في الواقع ، ليس فقط توجيه الزاوية اليمنى ، ولكن أيضًا توجيه الزوايا والزاوية الحادة قد يتسبب في حدوث تغييرات في المعاوقة.

ينعكس تأثير توجيه الزاوية اليمنى على الإشارة بشكل أساسي في ثلاثة جوانب:

الأول هو أن الزاوية يمكن أن تكون مكافئة للحمل السعوي على خط النقل ، مما يؤدي إلى إبطاء وقت الارتفاع ؛ والثاني هو أن انقطاع المقاومة سوف يتسبب في انعكاس الإشارة ؛ والثالث هو EMI الناتج عن طرف الزاوية اليمنى.

يمكن حساب السعة الطفيلية الناتجة عن الزاوية اليمنى لخط النقل بالصيغة التجريبية التالية:

C = 61 واط (Er) 1/2 / Z0

في الصيغة أعلاه ، تشير C إلى السعة المكافئة للزاوية (الوحدة: pF) ، W تشير إلى عرض التتبع (الوحدة: بوصة) ، εr تشير إلى ثابت العزل الكهربائي للوسيط ، و Z0 هي الممانعة المميزة من خط النقل. على سبيل المثال ، بالنسبة لخط نقل 4Mils 50 أوم (εr = 4.3) ، السعة الناتجة عن الزاوية اليمنى حوالي 0.0101pF ، ومن ثم يمكن تقدير تغيير وقت الارتفاع الناتج عن ذلك:

T10-90%=2.2CZ0/2=2.20.010150/2=0.556ps

يمكن ملاحظة أن تأثير السعة الناتج عن تتبع الزاوية اليمنى صغير للغاية من خلال الحساب.

كلما زاد عرض خط تتبع الزاوية اليمنى ، ستنخفض المقاومة هناك ، لذلك ستحدث ظاهرة انعكاس إشارة معينة. يمكننا حساب المعاوقة المكافئة بعد زيادة عرض الخط وفقًا لصيغة حساب المعاوقة المذكورة في فصل خط النقل ، ثم حساب معامل الانعكاس وفقًا للصيغة التجريبية:

ρ = (Zs-Z0) / (Z + Z0)

بشكل عام ، يكون تغيير المعاوقة الناتج عن الأسلاك ذات الزاوية اليمنى بين 7٪ -20٪ ، وبالتالي فإن أقصى معامل انعكاس هو حوالي 0.1. علاوة على ذلك ، كما يتضح من الشكل أدناه ، تتغير مقاومة خط النقل إلى الحد الأدنى داخل طول خط W / 2 ، ثم تعود إلى المعاوقة العادية بعد وقت W / 2. وقت تغيير الممانعة بالكامل قصير للغاية ، غالبًا في حدود 10ps. في الداخل ، هذه التغييرات السريعة والصغيرة تكاد لا تكاد تُذكر لنقل الإشارات العامة.

كثير من الناس لديهم هذا الفهم لأسلاك الزاوية اليمنى. يعتقدون أن الطرف من السهل نقل أو استقبال الموجات الكهرومغناطيسية وتوليد EMI. لقد أصبح هذا أحد الأسباب التي تجعل الكثير من الناس يعتقدون أن الأسلاك ذات الزاوية اليمنى لا يمكن توجيهها. ومع ذلك ، تظهر العديد من نتائج الاختبار الفعلية أن الآثار ذات الزاوية اليمنى لن تنتج EMI واضحًا من الخطوط المستقيمة. ربما يقيد أداء الجهاز الحالي ومستوى الاختبار دقة الاختبار ، لكنه على الأقل يوضح مشكلة. إن إشعاع الأسلاك الزاوية اليمنى أصغر بالفعل من خطأ القياس الخاص بالجهاز نفسه.

بشكل عام ، توجيه الزاوية اليمنى ليس سيئًا كما يتصور. على الأقل في التطبيقات التي تقل عن GHz ، فإن أي تأثيرات مثل السعة ، والانعكاس ، و EMI ، وما إلى ذلك ، لا تنعكس في اختبار TDR. يجب أن يظل مهندسو تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة يركزون على التخطيط وتصميم الطاقة / الأرض وتصميم الأسلاك. عبر الثقوب والجوانب الأخرى. بالطبع ، على الرغم من أن تأثير الأسلاك ذات الزاوية اليمنى ليس خطيرًا للغاية ، إلا أن هذا لا يعني أنه يمكننا جميعًا استخدام الأسلاك ذات الزاوية اليمنى في المستقبل. الاهتمام بالتفاصيل هو الجودة الأساسية التي يجب أن يتمتع بها كل مهندس جيد. علاوة على ذلك ، مع التطور السريع للدوائر الرقمية ، ثنائي الفينيل متعدد الكلور سيستمر تواتر الإشارة التي يعالجها المهندسون في الزيادة. في مجال تصميم الترددات الراديوية فوق 10 جيجاهرتز ، قد تصبح هذه الزوايا اليمنى الصغيرة محور مشاكل السرعة العالية.

2. التوجيه التفاضلي

تستخدم الإشارة التفاضلية (الإشارات التفاضلية) على نطاق واسع في تصميم الدوائر عالية السرعة. غالبًا ما يتم تصميم الإشارة الأكثر أهمية في الدائرة بهيكل تفاضلي. ما يجعل من شعبية إلى هذا الحد؟ كيف تضمن الأداء الجيد في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور؟ مع هذين السؤالين ، ننتقل إلى الجزء التالي من المناقشة.

What is a differential signal? In layman’s terms, the driving end sends two equal and inverted signals, and the receiving end judges the logic state “0” or “1” by comparing the difference between the two voltages. The pair of traces carrying differential signals is called differential traces.

بالمقارنة مع تتبع الإشارات العادية أحادية الطرف ، تتمتع الإشارات التفاضلية بالمزايا الأكثر وضوحًا في الجوانب الثلاثة التالية:

أ. قدرة قوية على مقاومة التداخل ، لأن الاقتران بين الأثرين التفاضليين جيد جدًا. عندما يكون هناك تداخل ضوضاء من الخارج ، فإنهما يقترنان تقريبًا بالخطين في نفس الوقت ، ويهتم الطرف المستقبل فقط بالفرق بين الإشارتين. لذلك ، يمكن إلغاء ضوضاء الوضع المشترك الخارجي تمامًا. ب. يمكن أن يقمع بشكل فعال EMI. للسبب نفسه ، نظرًا للقطبية المعاكسة للإشارتين ، يمكن للمجالات الكهرومغناطيسية المشعة بواسطتهما إلغاء بعضها البعض. كلما كانت أداة التوصيل أكثر إحكامًا ، قلت الطاقة الكهرومغناطيسية المنبعثة من العالم الخارجي. ج. توقيت تحديد المواقع دقيق. نظرًا لأن تغيير تبديل الإشارة التفاضلية يقع عند تقاطع الإشارتين ، على عكس الإشارة أحادية الطرف العادية ، والتي تعتمد على الفولتية العالية والمنخفضة لتحديدها ، فهي أقل تأثرًا بالعملية ودرجة الحرارة ، والتي يمكن تقليل الخطأ في التوقيت. ، ولكن أيضًا أكثر ملاءمة لدارات الإشارة ذات السعة المنخفضة. يشير LVDS الشائع الحالي (الإشارات التفاضلية المنخفضة الفولتية) إلى تقنية الإشارة التفاضلية ذات السعة الصغيرة هذه.

بالنسبة لمهندسي ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، فإن الشاغل الأكبر هو كيفية ضمان إمكانية الاستفادة الكاملة من مزايا الأسلاك التفاضلية هذه في الأسلاك الفعلية. ربما يفهم أي شخص كان على اتصال بـ Layout المتطلبات العامة للأسلاك التفاضلية ، أي “الطول المتساوي والمسافة المتساوية”. الطول المتساوي هو التأكد من أن الإشارتين التفاضليتين تحافظان على أقطاب متقابلة في جميع الأوقات وتقليل مكون الأسلوب المشترك ؛ تهدف المسافة المتساوية بشكل أساسي إلى التأكد من أن الممانعات التفاضلية للاثنين متسقة وتقلل من الانعكاسات. “أقرب ما يمكن” هو في بعض الأحيان أحد متطلبات الأسلاك التفاضلية. لكن كل هذه القواعد لا تُستخدم للتطبيق ميكانيكيًا ، ويبدو أن العديد من المهندسين لا يزالون لا يفهمون جوهر نقل الإشارات التفاضلية عالي السرعة.

يركز ما يلي على العديد من سوء الفهم الشائع في تصميم الإشارات التفاضلية لثنائي الفينيل متعدد الكلور.

سوء الفهم 1: يُعتقد أن الإشارة التفاضلية لا تحتاج إلى مستوى أرضي كمسار عودة ، أو أن الآثار التفاضلية توفر مسار عودة لبعضها البعض. والسبب في سوء الفهم هذا هو الخلط بينهم بسبب الظواهر السطحية ، أو أن آلية نقل الإشارات عالية السرعة ليست عميقة بما يكفي. يمكن أن نرى من هيكل الطرف المستقبل للشكل 1-8-15 أن تيارات الباعث للترانزستورات Q3 و Q4 متساوية ومتعاكسة ، وأن تياراتها على الأرض تلغي بعضها البعض تمامًا (I1 = 0) ، لذا فإن الدائرة التفاضلية هي ارتدادات مماثلة وإشارات الضوضاء الأخرى التي قد تكون موجودة على مستويات الطاقة والأرض غير حساسة. لا يعني الإلغاء الجزئي للعودة لمستوى الأرض أن الدائرة التفاضلية لا تستخدم المستوى المرجعي كمسار عودة الإشارة. في الواقع ، في تحليل عودة الإشارة ، فإن آلية الأسلاك التفاضلية والأسلاك العادية أحادية الطرف هي نفسها ، أي أن الإشارات عالية التردد دائمًا ما تنحسر على طول الحلقة مع أصغر محاثة ، والفرق الأكبر هو أنه بالإضافة إلى الاقتران بالأرض ، يحتوي الخط التفاضلي أيضًا على اقتران متبادل. أي نوع من الاقتران قوي ، أي واحد يصبح مسار العودة الرئيسي. الشكل 1-8-16 مخطط تخطيطي لتوزيع المجال المغنطيسي الأرضي للإشارات أحادية الطرف والإشارات التفاضلية.

In PCB circuit design, the coupling between differential traces is generally small, often only accounting for 10 to 20% of the coupling degree, and more is the coupling to the ground, so the main return path of the differential trace still exists on the ground plane . When the ground plane is discontinuous, the coupling between the differential traces will provide the main return path in the area without a reference plane, as shown in Figure 1-8-17. Although the influence of the discontinuity of the reference plane on the differential trace is not as serious as that of the ordinary single-ended trace, it will still reduce the quality of the differential signal and increase EMI, which should be avoided as much as possible. Some designers believe that the reference plane under the differential trace can be removed to suppress some common mode signals in differential transmission. However, this approach is not desirable in theory. How to control the impedance? Not providing a ground impedance loop for the common-mode signal will inevitably cause EMI radiation. This approach does more harm than good.

سوء الفهم 2: يُعتقد أن الحفاظ على مسافات متساوية أكثر أهمية من مطابقة طول الخط. في تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور الفعلي ، غالبًا ما يكون من غير الممكن تلبية متطلبات التصميم التفاضلي في نفس الوقت. نظرًا لوجود توزيع دبوس ، وفتحات ، ومساحة من الأسلاك ، يجب تحقيق الغرض من مطابقة طول الخط من خلال لف مناسب ، ولكن يجب أن تكون النتيجة أن بعض مناطق الزوج التفاضلي لا يمكن أن تكون متوازية. ماذا يجب ان نفعل في هذا الوقت؟ أي خيار؟ قبل استخلاص النتائج ، دعنا نلقي نظرة على نتائج المحاكاة التالية.

من نتائج المحاكاة المذكورة أعلاه ، يمكن ملاحظة أن الأشكال الموجية للمخطط 1 والمخطط 2 متطابقة تقريبًا ، أي أن التأثير الناجم عن التباعد غير المتكافئ ضئيل. وبالمقارنة ، فإن تأثير عدم تطابق طول الخط على التوقيت يكون أكبر بكثير. (مخطط 3). من التحليل النظري ، على الرغم من أن التباعد غير المتسق سيؤدي إلى تغيير الممانعة التفاضلية ، لأن الاقتران بين الزوج التفاضلي نفسه ليس مهمًا ، فإن نطاق تغيير المعاوقة صغير جدًا أيضًا ، عادةً في حدود 10٪ ، وهو ما يعادل تمريرة واحدة فقط . لن يكون للانعكاس الناجم عن الثقب تأثير كبير على إرسال الإشارة. بمجرد أن لا يتطابق طول الخط ، بالإضافة إلى إزاحة التوقيت ، يتم إدخال مكونات الوضع المشترك في الإشارة التفاضلية ، مما يقلل من جودة الإشارة ويزيد من EMI.

يمكن القول أن أهم قاعدة في تصميم الآثار التفاضلية لثنائي الفينيل متعدد الكلور هي طول الخط المطابق ، ويمكن التعامل مع القواعد الأخرى بمرونة وفقًا لمتطلبات التصميم والتطبيقات العملية.

سوء الفهم 3: أعتقد أن الأسلاك التفاضلية يجب أن تكون قريبة جدًا. إن إبقاء الآثار التفاضلية قريبة ليس أكثر من تعزيز اقترانها ، والذي لا يمكن فقط تحسين المناعة ضد الضوضاء ، ولكن أيضًا الاستفادة الكاملة من القطبية المعاكسة للمجال المغناطيسي لتعويض التداخل الكهرومغناطيسي مع العالم الخارجي. على الرغم من أن هذا النهج مفيد جدًا في معظم الحالات ، إلا أنه ليس مطلقًا. إذا تمكنا من التأكد من أنها محمية تمامًا من التدخل الخارجي ، فلن نحتاج إلى استخدام اقتران قوي لتحقيق منع التداخل. والغرض من قمع EMI. كيف يمكننا ضمان عزل جيد وحماية للآثار التفاضلية؟ تعد زيادة التباعد مع آثار الإشارات الأخرى إحدى الطرق الأساسية. تتناقص طاقة المجال الكهرومغناطيسي مع مربع المسافة. بشكل عام ، عندما يتجاوز تباعد الأسطر 4 أضعاف عرض الخط ، يكون التداخل بينهما ضعيفًا للغاية. يمكن تجاهله. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للعزل عن طريق المستوى الأرضي أن يلعب دور حماية جيد. غالبًا ما يستخدم هذا الهيكل في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور لحزمة IC عالية التردد (فوق 10G). يطلق عليه هيكل CPW ، والذي يمكن أن يضمن مقاومة تفاضلية صارمة. عنصر تحكم (2Z0) ، كما هو موضح بالشكل 1-8-19.

يمكن أيضًا تشغيل الآثار التفاضلية في طبقات إشارة مختلفة ، ولكن لا يوصى بهذه الطريقة عمومًا ، لأن الاختلافات في الممانعة وفتحات التوصيل التي تنتجها الطبقات المختلفة ستدمر تأثير نقل الوضع التفاضلي وإدخال ضوضاء النمط المشترك. بالإضافة إلى ذلك ، إذا لم تكن الطبقتان المتجاورتان متقاربتين بإحكام ، فسيؤدي ذلك إلى تقليل قدرة التتبع التفاضلي على مقاومة الضوضاء ، ولكن إذا تمكنت من الحفاظ على مسافة مناسبة من الآثار المحيطة ، فإن الحديث المتبادل لا يمثل مشكلة. في الترددات العامة (أقل من جيجاهرتز) ، لن تكون EMI مشكلة خطيرة. أظهرت التجارب أن توهين الطاقة المشعة على مسافة 500 ميل من أثر تفاضلي قد وصل إلى 60 ديسيبل على مسافة 3 أمتار ، وهو ما يكفي لتلبية معيار لجنة الاتصالات الفيدرالية للإشعاع الكهرومغناطيسي ، لذلك لا داعي للقلق أيضًا. الكثير عن عدم التوافق الكهرومغناطيسي الناجم عن عدم كفاية اقتران الخط التفاضلي.

3. خط اعوج

خط الثعبان هو نوع من طرق التوجيه التي تستخدم غالبًا في التخطيط. والغرض الرئيسي منه هو ضبط التأخير لتلبية متطلبات تصميم توقيت النظام. يجب أن يكون لدى المصمم هذا الفهم أولاً: سوف يدمر الخط السربنتين جودة الإشارة ، ويغير تأخير الإرسال ، ويحاول تجنب استخدامه عند توصيل الأسلاك. ومع ذلك ، في التصميم الفعلي ، من أجل ضمان أن للإشارة وقت انتظار كافٍ ، أو لتقليل إزاحة الوقت بين نفس مجموعة الإشارات ، غالبًا ما يكون من الضروري لف السلك عمدًا.

إذن ، ما هو تأثير الخط السربنتين على إرسال الإشارات؟ ما الذي يجب علي الانتباه إليه عند توصيل الأسلاك؟ أهم معلمتين هما طول الاقتران المتوازي (Lp) ومسافة الاقتران (S) ، كما هو موضح في الشكل 1-8-21. من الواضح ، عندما يتم إرسال الإشارة على التتبع السربنتين ، سيتم إقران مقاطع الخط المتوازي في وضع تفاضلي. كلما كان S أصغر وأكبر Lp ، زادت درجة الاقتران. قد يتسبب ذلك في تقليل تأخير الإرسال ، وتقليل جودة الإشارة بشكل كبير بسبب الحديث المتبادل. يمكن للآلية أن تشير إلى تحليل الأسلوب المشترك والنمط التفاضلي الحديث المتبادل في الفصل 3.

فيما يلي بعض الاقتراحات لمهندسي Layout عند التعامل مع خطوط اعوج:

1. حاول زيادة المسافة (S) لمقاطع الخط المتوازي ، على الأقل أكبر من 3H ، يشير H إلى المسافة من تتبع الإشارة إلى المستوى المرجعي. من منظور الشخص العادي ، هو الالتفاف حول منعطف كبير. طالما أن S كبيرة بدرجة كافية ، يمكن تجنب تأثير الاقتران المتبادل بشكل شبه كامل. 2. تقليل طول اقتران Lp. عندما يقترب تأخير Lp المزدوج من وقت ارتفاع الإشارة أو يتجاوزه ، فإن الحديث المتبادل المتولد سيصل إلى التشبع. 3. تأخر إرسال الإشارة الناجم عن الخط السربنتيني للخط الشريطي أو الشريط الصغير المضمن هو أقل من تأخر الشريط المجهري. من الناحية النظرية ، لن يؤثر الخط الخطي على معدل الإرسال بسبب الحديث المتبادل للوضع التفاضلي. 4. بالنسبة لخطوط الإشارة عالية السرعة وتلك التي تتطلب متطلبات توقيت صارمة ، حاول ألا تستخدم خطوط السربنتين ، خاصة في المناطق الصغيرة. 5. يمكنك غالبًا استخدام آثار السربنتين في أي زاوية ، مثل البنية C في الشكل 1-8-20 ، والتي يمكن أن تقلل بشكل فعال من الاقتران المتبادل. 6. في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة ، لا يمتلك خط السربنتين ما يسمى بقدرة الترشيح أو مقاومة التداخل ، ويمكنه فقط تقليل جودة الإشارة ، لذلك فهو يستخدم فقط لمطابقة التوقيت وليس له أي غرض آخر. 7. في بعض الأحيان يمكنك التفكير في التوجيه الحلزوني لللف. تظهر المحاكاة أن تأثيرها أفضل من التوجيه العادي السربنتين.