Оформлението е едно от най-основните работни умения за инженерите по проектиране на печатни платки. Качеството на окабеляването ще повлияе пряко на работата на цялата система. Повечето теории за високоскоростно проектиране трябва най-накрая да бъдат приложени и проверени чрез Layout. Вижда се, че окабеляването е много важно в високоскоростна печатна платка дизайн. Следващото ще анализира рационалността на някои ситуации, които могат да се срещнат при действителното окабеляване, и ще даде някои по-оптимизирани стратегии за маршрутизиране.

Обяснява се главно от три аспекта: окабеляване под прав ъгъл, диференциално окабеляване и змиевидно окабеляване.

1. Фрезиране под прав ъгъл

Окабеляването под прав ъгъл обикновено е ситуация, която трябва да се избягва колкото е възможно повече при окабеляването на печатни платки и почти се превърна в един от стандартите за измерване на качеството на окабеляването. И така, колко влияние ще има правоъгълното окабеляване върху предаването на сигнал? По принцип, трасирането под прав ъгъл ще промени ширината на линията на преносната линия, причинявайки прекъсване на импеданса. Всъщност не само фрезирането под прав ъгъл, но и ъглите и фрезирането под остър ъгъл може да предизвика промени в импеданса.

Влиянието на маршрута под прав ъгъл върху сигнала се отразява главно в три аспекта:

Единият е, че ъгълът може да бъде еквивалентен на капацитивното натоварване на преносната линия, което забавя времето на нарастване; второто е, че прекъсването на импеданса ще причини отражение на сигнала; третото е EMI, генерирано от правоъгълния връх.

Паразитният капацитет, причинен от правия ъгъл на преносната линия, може да се изчисли по следната емпирична формула:

C = 61 W (Er) 1/2/Z0

В горната формула C се отнася до еквивалентния капацитет на ъгъла (единица: pF), W се отнася до ширината на следата (единица: инч), εr се отнася до диелектричната константа на средата, а Z0 е характеристичният импеданс на преносната линия. Например, за преносна линия 4Mils 50 ома (εr е 4.3), капацитетът, донесен от прав ъгъл, е около 0.0101 pF и след това промяната във времето на нарастване, причинена от това, може да бъде оценена:

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

Чрез изчисление може да се види, че ефектът на капацитета, предизвикан от правоъгълната следа, е изключително малък.

С увеличаване на ширината на линията на правоъгълната следа, импедансът там ще намалее, така че ще възникне известен феномен на отражение на сигнала. Можем да изчислим еквивалентния импеданс, след като ширината на линията се увеличи според формулата за изчисление на импеданса, посочена в главата за предавателната линия, и след това да изчислим коефициента на отражение според емпиричната формула:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Обикновено промяната на импеданса, причинена от окабеляване под прав ъгъл, е между 7%-20%, така че максималният коефициент на отражение е около 0.1. Освен това, както може да се види от фигурата по-долу, импедансът на предавателната линия се променя до минимума в рамките на дължината на линията W/2 и след това се връща към нормалния импеданс след времето на W/2. Цялото време за промяна на импеданса е изключително кратко, често в рамките на 10ps. Вътре такива бързи и малки промени са почти незначителни за общо предаване на сигнала.

Много хора имат това разбиране за окабеляване под прав ъгъл. Те смятат, че върхът е лесен за предаване или приемане на електромагнитни вълни и генерира EMI. Това се превърна в една от причините, поради които много хора смятат, че окабеляването под прав ъгъл не може да бъде прекарано. Въпреки това, много действителни резултати от теста показват, че правоъгълните следи няма да произведат очевидни EMI, отколкото прави линии. Може би текущата производителност на инструмента и тестовото ниво ограничават точността на теста, но поне илюстрира проблем. Излъчването на правоъгълното окабеляване вече е по-малко от грешката на измерване на самия инструмент.

Като цяло, маршрутизацията под прав ъгъл не е толкова ужасна, колкото си представяте. Поне в приложения под GHz, всякакви ефекти като капацитет, отражение, EMI и т.н. почти не се отразяват при TDR тестване. Инженерите по проектиране на високоскоростни печатни платки все още трябва да се фокусират върху оформлението, дизайна на захранване/земя и дизайна на окабеляването. Чрез дупки и други аспекти. Разбира се, въпреки че въздействието на окабеляването под прав ъгъл не е много сериозно, това не означава, че всички можем да използваме окабеляване под прав ъгъл в бъдеще. Вниманието към детайла е основното качество, което всеки добър инженер трябва да притежава. Освен това, с бързото развитие на цифровите схеми, PCB Честотата на сигнала, обработван от инженерите, ще продължи да се увеличава. В областта на RF дизайна над 10 GHz, тези малки прави ъгли могат да се превърнат във фокус на проблеми с висока скорост.

2. Диференциално маршрутизиране

Диференциалният сигнал (DifferentialSignal) се използва все по-широко в дизайна на високоскоростни вериги. Най-критичният сигнал във веригата често е проектиран с диференциална структура. Какво го прави толкова популярен? Как да гарантираме доброто му представяне в дизайна на печатни платки? С тези два въпроса преминаваме към следващата част от дискусията.

Какво е диференциален сигнал? Казано на лаик, задвижващият край изпраща два равни и обърнати сигнала, а приемащият край преценява логическото състояние „0” или „1”, като сравнява разликата между двете напрежения. Двойката следи, носещи диференциални сигнали, се наричат ​​диференциални следи.

В сравнение с обикновените еднопосочни сигнални следи, диференциалните сигнали имат най-очевидните предимства в следните три аспекта:

а. Силна способност срещу смущения, тъй като свързването между двете диференциални следи е много добро. Когато има шумови смущения отвън, те са почти свързани към двете линии едновременно и приемащата страна се грижи само за разликата между двата сигнала. Следователно външният общ шум може да бъде напълно отменен. б. Може ефективно да потиска EMI. По същата причина, поради противоположната полярност на двата сигнала, излъчваните от тях електромагнитни полета могат да се компенсират взаимно. Колкото по-стегнато е връзката, толкова по-малко електромагнитна енергия се изпуска към външния свят. ° С. Позиционирането на времето е точно. Тъй като промяната на превключвателя на диференциалния сигнал се намира в пресечната точка на двата сигнала, за разлика от обикновения еднолицев сигнал, който зависи от високото и ниското прагово напрежение за определяне, той е по-малко засегнат от процеса и температурата, които могат да намаляване на грешката във времето. , Но също така е по-подходящ за сигнални вериги с ниска амплитуда. Настоящата популярна LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling) се отнася до тази технология за диференциален сигнал с малка амплитуда.

За инженерите на печатни платки най-голямото притеснение е как да се гарантира, че тези предимства на диференциалното окабеляване могат да бъдат напълно използвани в действителното окабеляване. Може би всеки, който е бил във връзка с Layout, ще разбере общите изисквания за диференциално окабеляване, тоест „равна дължина и еднакво разстояние“. Еднаква дължина трябва да гарантира, че двата диференциални сигнала поддържат противоположни полярности през цялото време и намаляват компонента на общ режим; равното разстояние е главно да се гарантира, че диференциалните импеданси на двете са последователни и намаляват отраженията. „Възможно най-близо“ понякога е едно от изискванията на диференциалното окабеляване. Но всички тези правила не се прилагат механично и изглежда много инженери все още не разбират същността на високоскоростното диференциално предаване на сигнала.

Следното се фокусира върху няколко често срещани недоразумения в дизайна на диференциалния сигнал на печатни платки.

Недоразумение 1: Смята се, че диференциалният сигнал не се нуждае от земна равнина като обратен път или че диференциалните следи осигуряват обратен път една за друга. Причината за това недоразумение е, че те са объркани от повърхностни явления или механизмът на високоскоростно предаване на сигнала не е достатъчно дълбок. От структурата на приемния край на фигура 1-8-15 може да се види, че емитерните токове на транзисторите Q3 и Q4 са равни и противоположни и техните токове в земята точно се компенсират взаимно (I1=0), така че диференциалната верига е Подобни отскачания и други шумови сигнали, които могат да съществуват в захранването и заземяването, са нечувствителни. Частичното отмяна на връщането на заземяващата равнина не означава, че диференциалната верига не използва референтната равнина като път за връщане на сигнала. Всъщност, при анализа на връщането на сигнала, механизмът на диференциалното окабеляване и обикновеното окабеляване е един и същ, тоест високочестотните сигнали винаги се преобразуват по веригата с най-малка индуктивност, най-голямата разлика е, че в допълнение към свързването към земята, диференциалната линия също има взаимно свързване. Кой вид свързване е силен, кое става основен обратен път. Фигура 1-8-16 е схематична диаграма на разпределението на геомагнитното поле на еднопосочни сигнали и диференциални сигнали.

В дизайна на печатни платки, свързването между диференциалните следи обикновено е малко, често представлява само 10 до 20% от степента на свързване и повече е свързването със земята, така че основният обратен път на диференциалната следа все още съществува на земята самолет . Когато земната равнина е прекъсната, свързването между диференциалните следи ще осигури главния връщащ път в зоната без референтна равнина, както е показано на Фигура 1-8-17. Въпреки че влиянието на прекъсването на референтната равнина върху диференциалната следа не е толкова сериозно, колкото това на обикновената едностранна траса, то все пак ще намали качеството на диференциалния сигнал и ще увеличи EMI, което трябва да се избягва колкото е възможно повече . Някои дизайнери смятат, че референтната равнина под диференциалната следа може да бъде премахната, за да се потиснат някои сигнали с общ режим при диференциално предаване. Този подход обаче не е желателен на теория. Как да контролирам импеданса? Неосигуряването на контур за импеданс на земята за сигнала в общ режим неизбежно ще причини EMI излъчване. Този подход носи повече вреда, отколкото полза.

Недоразумение 2: Смята се, че запазването на еднакво разстояние е по-важно от съвпадението на дължината на линиите. В реалното оформление на печатни платки често не е възможно да се изпълнят изискванията за диференциално проектиране едновременно. Поради наличието на разпределение на щифтове, междинни връзки и пространство за окабеляване, целта за съвпадение на дължината на линията трябва да бъде постигната чрез правилно навиване, но резултатът трябва да бъде, че някои области на диференциалната двойка не могат да бъдат успоредни. Какво трябва да правим в този момент? Кой избор? Преди да направим заключения, нека да разгледаме следните резултати от симулацията.

От горните резултати от симулацията може да се види, че вълновите форми на Схема 1 и Схема 2 почти съвпадат, тоест влиянието, причинено от неравномерното разстояние, е минимално. За сравнение, влиянието на несъответствието на дължината на линията върху времето е много по-голямо. (схема 3). От теоретичния анализ, въпреки че непоследователното разстояние ще доведе до промяна на диференциалния импеданс, тъй като свързването между самата диференциална двойка не е значително, диапазонът на промяна на импеданса също е много малък, обикновено в рамките на 10%, което е еквивалентно само на един проход . Отражението, причинено от дупката, няма да окаже значително влияние върху предаването на сигнала. След като дължината на линията не съвпада, в допълнение към изместването на времето, в диференциалния сигнал се въвеждат компоненти с общ режим, което намалява качеството на сигнала и увеличава EMI.

Може да се каже, че най-важното правило при проектирането на диференциални следи на печатни платки е дължината на съвпадение на линията, а други правила могат да бъдат гъвкаво боравени според изискванията на дизайна и практическите приложения.

Недоразумение 3: Помислете, че диференциалното окабеляване трябва да е много близо. Поддържането на диференциалните следи близо не е нищо повече от засилване на тяхното свързване, което може не само да подобри имунитета срещу шум, но и да използва пълноценно противоположния полярност на магнитното поле, за да компенсира електромагнитните смущения към външния свят. Въпреки че този подход е много полезен в повечето случаи, той не е абсолютен. Ако можем да гарантираме, че те са напълно защитени от външни смущения, тогава не е необходимо да използваме силно свързване, за да постигнем анти-смущения. И целта за потискане на EMI. Как можем да осигурим добра изолация и екраниране на диференциални следи? Увеличаването на разстоянието с други сигнални следи е един от най-основните начини. Енергията на електромагнитното поле намалява с квадрата на разстоянието. Като цяло, когато разстоянието между редовете надвишава 4 пъти ширината на линията, интерференцията между тях е изключително слаба. Може да се игнорира. В допълнение, изолацията от заземената равнина също може да играе добра екранираща роля. Тази структура често се използва при проектиране на печатни платки на високочестотни (над 10G) IC пакети. Нарича се CPW структура, която може да осигури строг диференциален импеданс. Контрол (2Z0), както е показано на Фигура 1-8-19.

Диференциалните следи също могат да се изпълняват в различни сигнални слоеве, но този метод обикновено не се препоръчва, тъй като разликите в импеданса и ВИАС, произведени от различните слоеве, ще унищожат ефекта от предаването в диференциален режим и ще въведат шум в общ режим. Освен това, ако съседните два слоя не са плътно свързани, това ще намали способността на диференциалната следа да устои на шум, но ако можете да поддържате правилно разстояние от околните следи, кръстосаните смущения не са проблем. При общи честоти (под GHz) EMI няма да бъде сериозен проблем. Експериментите показват, че затихването на излъчваната енергия на разстояние 500 mils от диференциална следа е достигнало 60 dB на разстояние от 3 метра, което е достатъчно, за да отговори на стандарта за електромагнитно излъчване на FCC, така че дизайнерът също не трябва да се притеснява много за електромагнитната несъвместимост, причинена от недостатъчно свързване на диференциалната линия.

3. Серпентинна линия

Змийската линия е вид метод за маршрутизиране, често използван в Layout. Основната му цел е да коригира закъснението, за да отговори на изискванията за проектиране на времето на системата. Проектантът първо трябва да има това разбиране: серпантинната линия ще унищожи качеството на сигнала, ще промени забавянето на предаването и ще се опита да избегне използването й при окабеляване. Въпреки това, в действителния дизайн, за да се гарантира, че сигналът има достатъчно време за задържане, или за да се намали отместването във времето между една и съща група сигнали, често е необходимо умишлено да се навива жицата.

И така, какъв ефект има серпентинната линия върху предаването на сигнал? На какво трябва да обърна внимание при окабеляването? Двата най-критични параметъра са дължината на паралелно свързване (Lp) и разстоянието на свързване (S), както е показано на Фигура 1-8-21. Очевидно, когато сигналът се предава по змиевидната следа, успоредните линейни сегменти ще бъдат свързани в диференциален режим. Колкото по-малък е S и по-голям е Lp, толкова по-голяма е степента на свързване. Това може да доведе до намаляване на забавянето на предаването и значително намаляване на качеството на сигнала поради кръстосани смущения. Механизмът може да се отнася до анализа на кръстосаните смущения в общ режим и диференциален режим в глава 3.

Следват някои предложения за инженерите по оформление, когато се занимават със серпантин линии:

1. Опитайте се да увеличите разстоянието (S) на успоредни линейни сегменти, поне по-голямо от 3H, H се отнася до разстоянието от сигналната следа до референтната равнина. Казано на лаици, това е да се заобиколи голям завой. Докато S е достатъчно голям, ефектът на взаимното свързване може да бъде почти напълно избегнат. 2. Намалете дължината на съединителя Lp. Когато двойното закъснение на Lp се приближи или надвиши времето за нарастване на сигнала, генерираните кръстосани смущения ще достигнат насищане. 3. Закъснението при предаване на сигнала, причинено от змиевидната линия на Strip-Line или Embedded Micro-strip, е по-малко от това на Micro-strip. На теория лентовата линия няма да повлияе на скоростта на предаване поради кръстосани смущения в диференциалния режим. 4. За високоскоростни сигнални линии и такива със строги изисквания за времето, опитайте се да не използвате серпантин линии, особено в малки райони. 5. Често можете да използвате змиевидни следи под всякакъв ъгъл, като например C структурата на Фигура 1-8-20, която може ефективно да намали взаимното свързване. 6. При високоскоростния дизайн на печатни платки, серпентинната линия няма така наречената способност за филтриране или защита от смущения и може само да намали качеството на сигнала, така че се използва само за синхронизиране и няма друга цел. 7. Понякога можете да помислите за спирално фрезоване за навиване. Симулацията показва, че нейният ефект е по-добър от нормалното серпентинно трасиране.