التخطيط هو أحد أهم مهارات العمل الأساسية في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور مهندس. ستؤثر جودة الأسلاك بشكل مباشر على أداء النظام بأكمله ، ويجب أخيرًا تحقيق معظم نظرية التصميم عالي السرعة والتحقق منها بواسطة Layout ، لذلك يمكن ملاحظة أن الأسلاك ضرورية في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة. سيكون ما يلي في ضوء الأسلاك الفعلية التي قد تواجه بعض المواقف ، وتحليل عقلانيتها ، وإعطاء بعض استراتيجيات التوجيه الأمثل. بشكل أساسي من خط الزاوية اليمنى وخط الاختلاف وخط الثعبان وما إلى ذلك من ثلاثة جوانب للتوضيح.

1. خط الذهاب المستطيل

مطلوب بشكل عام الأسلاك ذات الزاوية اليمنى لتجنب الموقف في أسلاك PCB ، وقد أصبحت تقريبًا أحد المعايير لقياس جودة الأسلاك ، فما مدى تأثير الأسلاك ذات الزاوية اليمنى على نقل الإشارة؟ من حيث المبدأ ، ستغير الأسلاك ذات الزاوية اليمنى عرض خط خط النقل ، مما يؤدي إلى انقطاع المقاومة. في الواقع ، ليس فقط خط الزاوية اليمنى ، وزاوية الطن ، وخط الزاوية الحاد قد يتسببان في حدوث تغييرات في المعاوقة.

ينعكس تأثير محاذاة الزاوية اليمنى على الإشارة بشكل أساسي في ثلاثة جوانب: أولاً ، يمكن أن تكون الزاوية مكافئة للحمل السعوي على خط النقل ، مما يؤدي إلى إبطاء وقت الارتفاع ؛ ثانيًا ، سيؤدي انقطاع المقاومة إلى انعكاس الإشارة ؛ ثالثًا ، تم إنشاء EMI بواسطة 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 في الزاوية (pF) ، W تشير إلى عرض الخط (بوصة) ، ε R تشير إلى ثابت العزل للوسيط ، و Z0 هي الممانعة المميزة للإرسال خط. على سبيل المثال ، بالنسبة لخط نقل 4Mils 50 أوم (εr 4.3) ، تبلغ سعة الزاوية اليمنى حوالي 0.0101pF ، ويمكن تقدير اختلاف وقت الارتفاع:

T10-90٪ = 2.2 * C * z0 / 2 = 2.2 * 0.0101 * 50/2 = 0.556ps

يمكن أن نرى من الحساب أن تأثير السعة الناتج عن الأسلاك ذات الزاوية اليمنى صغير للغاية.

كلما زاد عرض خط الزاوية اليمنى ، ستنخفض المقاومة عند هذه النقطة ، لذلك ستكون هناك ظاهرة انعكاس إشارة معينة. يمكننا حساب المعاوقة المكافئة بعد زيادة عرض الخط وفقًا لصيغة حساب الممانعة المذكورة في قسم خطوط النقل ، ثم حساب معامل الانعكاس وفقًا للصيغة التجريبية: ρ = (Zs-Z0) / (Zs + Z0) ، الأسلاك ذات الزاوية اليمنى العامة تؤدي إلى تغيرات المعاوقة بين 7٪ -20٪ ، لذا 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 تستعيد المعاوقة العادية بعد W / 2 مرة. وقت تغيير الممانعة بالكامل قصير جدًا ، عادةً في غضون 10ps. مثل هذا التغيير السريع والصغير يكاد يكون مهملاً بالنسبة لنقل الإشارات العامة.

كثير من الناس لديهم مثل هذا الفهم لتوجيه الزاوية اليمنى ، معتقدين أن الطرف من السهل إصدار أو استقبال الموجات الكهرومغناطيسية وإنتاج EMI ، والذي أصبح أحد الأسباب التي تجعل الكثير من الناس يعتقدون أن التوجيه في الزاوية اليمنى غير ممكن. ومع ذلك ، تظهر العديد من نتائج الاختبارات العملية أن خط الزاوية اليمنى لا ينتج الكثير من EMI من الخط المستقيم. ربما يقيد أداء الجهاز الحالي ومستوى الاختبار دقة الاختبار ، لكنه يظهر على الأقل أن إشعاع خط الزاوية اليمنى أقل من خطأ القياس للأداة نفسها. بشكل عام ، محاذاة الزاوية اليمنى ليست رهيبة كما قد تبدو. على الأقل في التطبيقات التي تقل عن GHz ، فإن أي تأثيرات مثل السعة ، والانعكاس ، و EMI ، وما إلى ذلك لا تنعكس تقريبًا في اختبارات TDR. يجب أن يركز مهندس تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة على التخطيط وتصميم الطاقة / الأرض وتصميم الأسلاك والتثقيب وما إلى ذلك. على الرغم من أن تأثيرات خط الانتقال المستطيل ليست خطيرة للغاية ، ولكن لا يعني ذلك أنه يمكننا السير في خط الزاوية اليمنى ، فإن الاهتمام بالتفاصيل هو الجودة الأساسية لكل مهندس جيد ، ومع التطور السريع للدوائر الرقمية ، سيستمر أيضًا مهندسو PCB في معالجة تردد الإشارة في التحسين ، إلى مجال تصميم RF أكثر من 10 GHZ ، يمكن أن تصبح هذه الزوايا اليمنى الصغيرة محور مشاكل السرعة العالية.

2. الفرق

تستخدم الإشارة التفاضلية على نطاق واسع في تصميم الدوائر عالية السرعة. أهم إشارة في الدائرة هي تصميم الإشارات المختلفة. كيف تضمن الأداء الجيد في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور؟ مع وضع هذين السؤالين في الاعتبار ، ننتقل إلى الجزء التالي من مناقشتنا.

ما هي الإشارة التفاضلية؟ في اللغة الإنجليزية البسيطة ، يرسل السائق إشارتين مكافئتين ومقلوبة ، ويقارن جهاز الاستقبال الفرق بين الفولتية لتحديد ما إذا كانت الحالة المنطقية “0” أو “1”. يسمى زوج الأسلاك الذي يحمل إشارات تفاضلية بالأسلاك التفاضلية.

بالمقارنة مع التوجيه العادي للإشارة أحادية الطرف ، تتمتع الإشارة التفاضلية بالمزايا الأكثر وضوحًا في الجوانب الثلاثة التالية:

قدرة قوية على مقاومة التداخل ، لأن الاقتران بين خطين تفاضليين جيد جدًا ، فعند وجود تداخل ضوضاء ، يقترنان تقريبًا بخطين في نفس الوقت ، ولا يهتم المستقبل إلا بالفرق بين الإشارتين ، لذلك يمكن إلغاء الضوضاء الخارجية المشتركة تمامًا.

B. يمكنها قمع EMI بشكل فعال. وبالمثل ، لأن إشارتين لهما قطبية متعاكسة ، فإن المجال الكهرومغناطيسي المشع بواسطتهما يمكن أن يلغي بعضهما البعض. كلما اقترب اقتران ، قلت الطاقة الكهرومغناطيسية المنبعثة من العالم الخارجي.

توقيت تحديد المواقع دقيقة. نظرًا لأن تغيير تبديل الإشارات التفاضلية يقع عند تقاطع إشارتين ، على عكس الإشارات أحادية النهاية الشائعة التي يتم الحكم عليها من خلال الفولتية العالية والمنخفضة ، فهي أقل تأثرًا بالعملية ودرجة الحرارة ، مما قد يقلل من أخطاء التوقيت ويكون أكثر ملاءمة للدوائر ذات إشارات السعة المنخفضة. يشير LVDS (اختلاف الجهد المنخفض TIalsignaling) إلى تقنية الإشارة التفاضلية ذات السعة الصغيرة هذه.

بالنسبة لمهندسي ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، فإن الشاغل الأكثر أهمية هو كيفية ضمان إمكانية الاستفادة الكاملة من مزايا التوجيه التفاضلي هذه في التوجيه الفعلي. ربما طالما كان على اتصال بـ Layout ، سيفهم الأشخاص المتطلبات العامة للتوجيه التفاضلي ، أي “الطول المتساوي والمسافة المتساوية”. متساوي القياس هو التأكد من أن الإشارتين التفاضليتين تحافظان دائمًا على قطبية معاكسة ، وتقليل مكون الوضع المشترك ؛ متساوي القياس هو في الأساس لضمان نفس الممانعة التفاضلية ، وتقليل الانعكاس. “أقرب ما يمكن” هو أحيانًا أحد متطلبات التوجيه التفاضلي. ولكن لا يُقصد من أي من هذه القواعد أن يتم تطبيقها ميكانيكيًا ، ولا يبدو أن العديد من المهندسين يفهمون طبيعة الإشارات التفاضلية عالية السرعة. يركز ما يلي على العديد من الأخطاء الشائعة في تصميم الإشارات التفاضلية لثنائي الفينيل متعدد الكلور.

المفهوم الخاطئ الأول: لا تحتاج الإشارات التفاضلية إلى مستوى أرضي كمسار تدفق عكسي ، أو تعتقد أن الخطوط التفاضلية توفر مسارًا عكسيًا لبعضها البعض. سبب سوء الفهم هذا مشوش بسبب الظاهرة السطحية ، أو أن آلية نقل الإشارات عالية السرعة ليست عميقة بما يكفي. كما يتضح من هيكل الطرف المستقبل في الشكل. 1-8-15 ، تيارات باعث الترانزستورات Q3 و Q4 متكافئة ومتعاكسة ، وتيارها عند التقاطع يلغي بعضها البعض تمامًا (I1 = 0). لذلك ، فإن الدائرة التفاضلية غير حساسة للمقذوفات الأرضية المماثلة وإشارات الضوضاء الأخرى التي قد تكون موجودة في مصدر الطاقة والمستوى الأرضي. لا يعني الإلغاء الجزئي للتدفق العكسي لمستوى الأرض أن الدائرة التفاضلية لا تأخذ المستوى المرجعي كمسار عودة الإشارة. في الواقع ، في تحليل التدفق العكسي للإشارة ، فإن آلية التوجيه التفاضلي هي نفس آلية التوجيه العادي أحادي الطرف ، أي عالي

تتدفق إشارة التردد دائمًا مرة أخرى على طول الدائرة بأصغر محاثة. يكمن الاختلاف الأكبر في أن خط الاختلاف لا يقتصر على اقتران بالأرض فحسب ، بل يحتوي أيضًا على اقتران بين بعضها البعض. يصبح الاقتران القوي مسار التدفق العكسي الرئيسي.

في تصميم دائرة PCB ، يكون الاقتران بين الأسلاك التفاضلية صغيرًا بشكل عام ، وعادة ما يمثل 10 ~ 20 ٪ فقط من درجة الاقتران ، ومعظم أدوات التوصيل على الأرض ، لذلك لا يزال مسار التدفق العكسي الرئيسي للأسلاك التفاضلية موجودًا في الأرض طائرة. في حالة عدم الاستمرارية في المستوى المحلي ، يوفر الاقتران بين المسارات التفاضلية مسار التدفق العكسي الرئيسي في المنطقة بدون المستوى المرجعي ، كما هو موضح في الشكل. 1-8-17. على الرغم من أن تأثير انقطاع المستوى المرجعي على الأسلاك التفاضلية ليس خطيرًا مثل تأثير الأسلاك أحادية الطرف العادية ، إلا أنه سيظل يقلل من جودة الإشارة التفاضلية ويزيد EMI ، والذي يجب تجنبه قدر الإمكان. يعتقد بعض المصممين أنه يمكن إزالة المستوى المرجعي لخط الإرسال التفاضلي لمنع جزء من إشارة النمط المشترك في الإرسال التفاضلي ، ولكن من الناحية النظرية هذا النهج غير مرغوب فيه. كيف تتحكم في الممانعة؟ بدون توفير حلقة مقاومة الأرض لإشارة الوضع المشترك ، لا بد أن يكون سبب إشعاع EMI ، والذي يضر أكثر مما ينفع.

الخرافة الثانية: الحفاظ على مسافات متساوية أكثر أهمية من مطابقة طول السطر. في أسلاك PCB الفعلية ، غالبًا ما تكون غير قادرة على تلبية متطلبات التصميم التفاضلي. نظرًا لتوزيع المسامير والثقوب ومساحة الأسلاك وعوامل أخرى ، من الضروري تحقيق الغرض من مطابقة طول الخط من خلال اللف المناسب ، ولكن النتيجة حتماً جزء من زوج الفرق لا يمكن أن تكون متوازية ، في هذا الوقت ، كيف لإختيار؟ قبل أن ننتقل إلى الاستنتاجات ، دعنا نلقي نظرة على نتائج المحاكاة التالية. يمكن أن نرى من نتائج المحاكاة المذكورة أعلاه أن أشكال الموجة للمخطط 1 والمخطط 2 تتطابق تقريبًا ، أي أن تأثير التباعد غير المتكافئ ضئيل للغاية ، وتأثير عدم تطابق طول الخط يكون أكبر بكثير على تسلسل التوقيت (المخطط 3) . من منظور التحليل النظري ، على الرغم من أن التباعد غير المتسق سيؤدي إلى اختلاف تغيرات المعاوقة ، ولكن لأن الاقتران بين زوج الاختلاف نفسه ليس مهمًا ، لذا فإن نطاق تغيرات المعاوقة صغير جدًا أيضًا ، عادةً في حدود 10٪ ، مكافئ فقط إلى انعكاس ناتج عن ثقب ، والذي لن يتسبب في تأثير كبير على إرسال الإشارة. بمجرد عدم تطابق طول الخط ، بالإضافة إلى إزاحة التسلسل الزمني ، يتم إدخال مكونات الوضع المشترك في الإشارة التفاضلية ، مما يقلل من جودة الإشارة ويزيد من EMI.

يمكن القول أن أهم قاعدة في تصميم الأسلاك التفاضلية PCB هي مطابقة طول الخط ، ويمكن التعامل مع القواعد الأخرى بمرونة وفقًا لمتطلبات التصميم والتطبيقات العملية.

المفهوم الخاطئ الثالث: أعتقد أن خط الاختلاف يجب أن يعتمد على قريب جدًا. إن نقطة إبقاء خطوط الاختلاف قريبة من بعضها ليست أكثر من زيادة اقترانها ، وذلك لتحسين مناعتها ضد الضوضاء والاستفادة من القطبية المعاكسة للمجال المغناطيسي لإلغاء التداخل الكهرومغناطيسي من العالم الخارجي. على الرغم من أن هذا النهج موات للغاية في معظم الحالات ، إلا أنه ليس مطلقًا. إذا كان من الممكن حمايتهم بالكامل من التدخل الخارجي ، فلن نحتاج إلى تحقيق الغرض من مكافحة التداخل وقمع EMI من خلال اقتران قوي مع بعضهم البعض بعد الآن. كيف تتأكد من أن التوجيه التفاضلي يتمتع بعزل وتدريع جيدين؟ تعد زيادة المسافة بين الخطوط والإشارات الأخرى إحدى الطرق الأساسية. تتناقص طاقة المجال الكهرومغناطيسي مع العلاقة المربعة للمسافة. بشكل عام ، عندما تكون المسافة بين السطور أكبر من 4 أضعاف عرض الخط ، يكون التداخل بينهما ضعيفًا للغاية ويمكن تجاهله بشكل أساسي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن توفر العزل عبر المستوى الأرضي أيضًا تأثير تدريع جيد. غالبًا ما يستخدم هذا الهيكل في تصميمات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المعبأة IC ذات التردد العالي (فوق 10G) ، والمعروفة باسم هيكل CPW ، لضمان التحكم الصارم في المعاوقة التفاضلية (2Z0) ، الشكل. 1-8-19.

يمكن أيضًا تنفيذ التوجيه التفاضلي في طبقات إشارة مختلفة ، ولكن هذا غير موصى به بشكل عام ، لأن الاختلافات مثل الممانعة وعبر الثقوب في الطبقات المختلفة يمكن أن تدمر تأثير نقل الوضع التفاضلي وإدخال ضوضاء النمط المشترك. بالإضافة إلى ذلك ، إذا لم يتم اقتران الطبقتين المتجاورتين بإحكام ، فسيتم تقليل قدرة التوجيه التفاضلي على مقاومة الضوضاء ، لكن الحديث المتبادل لا يمثل مشكلة إذا تم الحفاظ على التباعد المناسب مع التوجيه المحيط. في التردد العام (أقل من جيجاهرتز) ، لن تكون EMI مشكلة خطيرة. تظهر التجارب أن التوهين بالطاقة الإشعاعية للخطوط التفاضلية بمسافة 500 ميل تتجاوز 3 أمتار قد وصل إلى 60 ديسيبل ، وهو ما يكفي لتلبية معيار الإشعاع الكهرومغناطيسي للجنة الاتصالات الفيدرالية. لذلك ، لا يحتاج المصممون إلى القلق كثيرًا بشأن عدم التوافق الكهرومغناطيسي الناجم عن عدم كفاية اقتران الخطوط التفاضلية.

3. اعوج

غالبًا ما يتم استخدام خط اعوج في التخطيط. والغرض الرئيسي منه هو ضبط التأخير الزمني وتلبية متطلبات تصميم توقيت النظام. يجب أن يفهم المصممون أولاً أن سلك السربنتين سيدمر جودة الإشارة ، ويغير تأخير الإرسال ، ويجب تجنبه عند توصيل الأسلاك. ومع ذلك ، في التصميم العملي ، من أجل ضمان وقت الاحتفاظ الكافي للإشارات ، أو لتقليل إزاحة الوقت بين نفس مجموعة الإشارات ، يجب تنفيذ اللف عن عمد.

إذن ما الذي يفعله السربنتين لإرسال الإشارات؟ ما الذي يجب علي الانتباه إليه عند المشي على الخط؟ أهم معلمتين هما طول الاقتران المتوازي (Lp) ومسافة الاقتران (S) ، كما هو موضح في الشكل. 1-8-21. من الواضح ، عندما يتم إرسال الإشارة في خط اعوج ، سيكون هناك اقتران بين مقاطع الخط المتوازي في شكل وضع الاختلاف. كلما كان S أصغر ، كلما كان Lp أكبر ، وكلما زادت درجة الاقتران. قد يؤدي ذلك إلى تقليل تأخيرات الإرسال وانخفاض كبير في جودة الإشارة بسبب الحديث المتبادل ، على النحو الموصوف في الفصل 3 لتحليل الحديث المتبادل للأسلوب المشترك والأسلوب التفاضلي.

فيما يلي بعض النصائح لمهندسي Layout عند التعامل مع السربنتين:

1. حاول زيادة المسافة (S) للقطعة المستقيمة المتوازية ، والتي تكون على الأقل أكبر من 3H. تشير H إلى المسافة من خط الإشارة إلى المستوى المرجعي. بشكل عام ، يجب أن تأخذ منحنى كبير. طالما أن S كبيرة بدرجة كافية ، يمكن تجنب تأثير الاقتران تمامًا تقريبًا.

2. عندما يتم تقليل طول الاقتران Lp ، سيصل الحديث المتبادل المتولد إلى التشبع عندما يقترب تأخير Lp مرتين أو يتجاوز وقت ارتفاع الإشارة.

3. يكون تأخير إرسال الإشارة الناجم عن الخط الشبيه بالأفعى لخط الشريط أو الشريط الصغير المدمج أصغر من ذلك الخاص بالشريط الصغير. من الناحية النظرية ، لا يؤثر خط الشريط على معدل الإرسال بسبب الحديث المتبادل للوضع التفاضلي.

4. بالنسبة للخطوط عالية السرعة والإشارة ذات المتطلبات الصارمة بشأن التوقيت ، حاول ألا تمشي في خطوط متعرجة ، خاصة في منطقة صغيرة.

5. يمكن غالبًا اعتماد التوجيه السربنتين في أي زاوية. الهيكل C في FIG. 1-8-20 يمكن أن تقلل بشكل فعال أداة التوصيل بين بعضها البعض.

6. في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة ، لا يحتوي السربنتين على ما يسمى بقدرة الترشيح أو مقاومة التداخل ، ويمكنه فقط تقليل جودة الإشارة ، لذلك يتم استخدامه فقط لمطابقة التوقيت وليس لأي غرض آخر.

7. في بعض الأحيان يمكن النظر في اللف الحلزوني. تظهر المحاكاة أن تأثيرها أفضل من اللف السربنتين العادي.