За да разберем серпентинната линия, нека да поговорим за PCB първо маршрутизиране. Тази концепция изглежда не трябва да се въвежда. Хардуерният инженер не върши ли окабеляване всеки ден? Всяка следа върху печатната платка се изчертава една по една от хардуерния инженер. Какво може да се каже? Всъщност това просто маршрутизиране съдържа и много точки от знания, които обикновено игнорираме. Например концепцията за микролентова линия и лентова линия. Най-просто казано, микролентовата линия е следата, която минава по повърхността на платката, а лентовата е следата, която минава върху вътрешния слой на печатната платка. Каква е разликата между тези два реда?

Референтната равнина на микролентовата линия е заземяващата равнина на вътрешния слой на печатната платка, а другата страна на следата е изложена на въздух, което причинява несъответствие на диелектричната константа около следата. Например, диелектричната константа на нашия често използван субстрат FR4 е около 4.2, диелектричната константа на въздуха е 1. Има референтни равнини както от горната, така и от долната страна на лентовата линия, цялата следа е вградена в субстрата на печатната платка, и диелектричната константа около следата е същата. Това също води до предаване на TEM вълната по лентовата линия, докато квази-TEM вълната се предава по микролентовата линия. Защо това е квази-TEM вълна? Това се дължи на несъответствието на фазите на интерфейса между въздуха и субстрата на печатната платка. Какво е TEM вълна? Ако се задълбочите в този въпрос, няма да можете да го завършите за десет месеца и половина.

Накратко, независимо дали става дума за микролентова или лентова линия, тяхната роля не е нищо повече от това да пренасят сигнали, независимо дали са цифрови или аналогови сигнали. Тези сигнали се предават под формата на електромагнитни вълни от единия до другия край в следата. Тъй като е вълна, трябва да има скорост. Каква е скоростта на сигнала върху трасето на печатната платка? Според разликата в диелектричната константа скоростта също е различна. Скоростта на разпространение на електромагнитните вълни във въздуха е добре познатата скорост на светлината. Скоростта на разпространение в други среди трябва да се изчисли по следната формула:

V=C/Er0.5

Сред тях V е скоростта на разпространение в средата, C е скоростта на светлината, а Er е диелектричната константа на средата. Чрез тази формула можем лесно да изчислим скоростта на предаване на сигнала върху трасето на печатната платка. Например, ние просто вземаме диелектричната константа на основния материал FR4 във формулата, за да я изчислим, тоест скоростта на предаване на сигнала в основния материал FR4 е половината от скоростта на светлината. Въпреки това, тъй като половината от микролентовата линия, проследена на повърхността, е във въздуха, а половината в субстрата, диелектричната константа ще бъде леко намалена, така че скоростта на предаване ще бъде малко по-бърза от тази на лентата. Често използваните емпирични данни са, че закъснението на микролентовата линия е около 140ps/inch, а забавянето на следата на лентовата линия е около 166ps/inch.

Както казах преди, има само една цел, тоест предаването на сигнала на печатната платка се забавя! Това означава, че сигналът не се предава към другия щифт през окабеляването за миг след изпращане на един щифт. Въпреки че скоростта на предаване на сигнала е много бърза, докато дължината на следата е достатъчно дълга, тя все пак ще повлияе на предаването на сигнала. Например, за 1GHz сигнал, периодът е 1ns, а времето на нарастващия или спадащия фронт е около една десета от периода, след което е 100ps. Ако дължината на нашата следа надвишава 1 инч (приблизително 2.54 см), тогава забавянето на предаването ще бъде повече от нарастващ фронт. Ако следата надвишава 8 инча (приблизително 20 см), тогава забавянето ще бъде пълен цикъл!

Оказва се, че печатните платки имат толкова голямо влияние, че е много често нашите платки да имат повече от 1 инч следи. Ще повлияе ли забавянето на нормалната работа на платката? Ако погледнете действителната система, ако това е само сигнал и не искате да изключите други сигнали, тогава забавянето изглежда няма никакъв ефект. Въпреки това, при високоскоростна система това забавяне действително ще влезе в сила. Например, нашите общи частици памет са свързани под формата на шина, с линии за данни, адресни линии, часовници и контролни линии. Разгледайте нашия видео интерфейс. Без значение колко канала са HDMI или DVI, той ще съдържа канали за данни и часовникови канали. Или някои протоколи за шина, всички от които са синхронно предаване на данни и часовник. След това, в действителна високоскоростна система, тези часовникови сигнали и сигнали за данни се изпращат синхронно от главния чип. Ако нашият дизайн на печатната платка е лош, дължината на тактовия сигнал и сигнала за данни е много различна. Лесно е да предизвикате грешно вземане на проби от данни и тогава цялата система няма да работи нормално.

Какво трябва да направим, за да разрешим този проблем? Естествено, бихме си помислили, че ако следите с къса дължина се удължат така, че дължините на следите на една и съща група да са еднакви, тогава забавянето ще бъде същото? Как да удължите окабеляването? Заобиколи! Бинго! Не е лесно най-накрая да се върнем към темата. Това е основната функция на серпентинната линия във високоскоростната система. Навиване, еднаква дължина. Толкова е просто. Серпантинната линия се използва за навиване на еднаква дължина. Чрез начертаване на серпентинната линия можем да направим една и съща група сигнали с еднаква дължина, така че след като приемащият чип получи сигнала, данните няма да бъдат причинени от различните закъснения на трасето на печатната платка. Грешен избор. Змиевидната линия е същата като следите на други печатни платки.

Използват се за свързване на сигналите, но са по-дълги и го нямат. Така че серпантинната линия не е дълбока и не е твърде сложна. Тъй като е същото като другите окабеляване, някои често използвани правила за окабеляване са приложими и за серпантинни линии. В същото време, поради специалната структура на серпантинни линии, трябва да обърнете внимание на това при окабеляване. Например, опитайте се да запазите змиевидните линии успоредни една на друга по-далеч. По-късо, тоест заобикаляйте голям завой, както се казва, не отивайте твърде плътно и твърде малко в малка площ.

Всичко това помага за намаляване на смущенията в сигнала. Змиевидната линия ще има лошо влияние върху сигнала поради изкуственото увеличаване на дължината на линията, така че стига да отговаря на изискванията за синхронизация в системата, не я използвайте. Някои инженери използват DDR или високоскоростни сигнали, за да направят цялата група с еднаква дължина. Серпентиновите линии летят по цялата дъска. Изглежда, че това е по-добро окабеляване. Всъщност това е мързеливо и безотговорно. Много места, които не трябва да се навиват, са навити, което губи площта на платката и също така намалява качеството на сигнала. Трябва да изчислим излишъка на забавяне според действителните изисквания за скорост на сигнала, за да определим правилата за окабеляване на платката.

В допълнение към функцията на еднаква дължина, няколко други функции на серпентинната линия често се споменават в статии в интернет, така че аз също ще говоря накратко за нея тук.

1. Една от думите, които често виждам, е ролята на съвпадението на импеданса. Това твърдение е много странно. Импедансът на печатната платка е свързан с ширината на линията, диелектричната константа и разстоянието на референтната равнина. Кога е свързано със серпантинната линия? Кога формата на следата влияе на импеданса? Не знам откъде идва източникът на това твърдение.

2. също така се казва, че е ролята на филтриране. Не може да се каже, че тази функция липсва, но не трябва да има функция за филтриране в цифровите схеми или не е необходимо да използваме тази функция в цифровите схеми. В радиочестотната верига змиевидната следа може да образува LC верига. Ако има филтриращ ефект върху определен честотен сигнал, това все още е минало.

3. Приемна антена. Това може да бъде. Можем да видим този ефект на някои мобилни телефони или радиостанции. Някои антени са направени с печатни платки.

4. Индуктивност. Това може да бъде. Всички следи на печатната платка първоначално имат паразитна индуктивност. Постижимо е да се направят някои PCB индуктори.

5. Предпазител. Този ефект ме озадачава. Как късата и тясна змиевидна жица функционира като предпазител? Изгори, когато токът е висок? Платката не е бракувана, цената на този предпазител е твърде висока, наистина не знам в какво приложение ще се използва.

Чрез горното въведение можем да изясним, че в аналоговите или радиочестотните вериги серпентинните линии имат някои специални функции, които се определят от характеристиките на микролентовите линии. В дизайна на цифрови схеми змиевидната линия се използва за еднаква дължина, за да се постигне съвпадение на времето. Освен това серпантинната линия ще повлияе на качеството на сигнала, така че системните изисквания трябва да бъдат изяснени в системата, излишъкът на системата трябва да се изчисли според действителните изисквания и серпентинната линия трябва да се използва с повишено внимание.