Da bismo razumjeli serpentinsku liniju, razgovarajmo o tome PCB prvo rutiranje. Čini se da ovaj koncept nije potrebno uvoditi. Zar hardverski inženjer ne radi svaki dan na ožičenju? Svaki trag na PCB-u izvlači jedan po jedan od strane hardverskog inženjera. Šta se može reći? U stvari, ovo jednostavno rutiranje također sadrži mnogo točaka znanja koje obično ignoriramo. Na primjer, koncept mikrotrakaste linije i trakaste linije. Jednostavno rečeno, mikrotrakasta linija je trag koji se proteže na površini PCB ploče, a trakasta linija je trag koji se proteže na unutrašnjem sloju PCB-a. Koja je razlika između ove dvije linije?

Referentna ravnina mikrotrakaste linije je uzemljena ravnina unutrašnjeg sloja PCB-a, a druga strana traga je izložena zraku, što uzrokuje da dielektrična konstanta oko traga bude nedosljedna. Na primjer, dielektrična konstanta naše najčešće korištene FR4 podloge je oko 4.2, dielektrična konstanta zraka je 1. Postoje referentne ravni i na gornjoj i na donjoj strani trakaste linije, cijeli trag je ugrađen u PCB supstrat, a dielektrična konstanta oko traga je ista. Ovo takođe uzrokuje da se TEM talas prenosi na trakastu liniju, dok se kvazi-TEM talas prenosi na mikrotrakastu liniju. Zašto je to kvazi-TEM talas? To je zbog neusklađenosti faza na interfejsu između vazduha i PCB podloge. Šta je TEM talas? Ako dublje zadubite po ovom pitanju, nećete ga moći završiti za deset i po mjeseci.

Da skratimo priču, bilo da se radi o mikrotrakastoj liniji ili trakastoj liniji, njihova uloga nije ništa drugo do prenošenje signala, bilo digitalnih ili analognih signala. Ovi signali se prenose u obliku elektromagnetnih talasa s jednog kraja na drugi u tragu. Pošto je talas, mora postojati brzina. Koja je brzina signala na tragu PCB-a? U zavisnosti od razlike u dielektričnoj konstanti, razlikuje se i brzina. Brzina širenja elektromagnetnih talasa u vazduhu je dobro poznata brzina svetlosti. Brzina širenja u drugim medijima mora se izračunati po sljedećoj formuli:

V=C/Er0.5

Među njima, V je brzina širenja u mediju, C je brzina svjetlosti, a Er je dielektrična konstanta medija. Kroz ovu formulu možemo lako izračunati brzinu prijenosa signala na tragu PCB-a. Na primjer, jednostavno uzimamo dielektričnu konstantu osnovnog materijala FR4 u formulu da bismo je izračunali, to jest, brzina prijenosa signala u osnovnom materijalu FR4 je polovina brzine svjetlosti. Međutim, budući da se polovina mikrotrakaste linije koja se prati na površini nalazi u zraku, a polovina u supstratu, dielektrična konstanta će biti malo smanjena, pa će brzina prijenosa biti nešto veća od brzine trakaste linije. Uobičajeni empirijski podaci su da je kašnjenje u tragovima mikrotrakaste linije oko 140ps/inč, a kašnjenje u tragovima trakaste linije je oko 166ps/in.

Kao što sam već rekao, postoji samo jedna svrha, to jest, prijenos signala na PCB kasni! To znači da se signal ne prenosi na drugi pin kroz ožičenje u trenutku nakon što se jedan pin pošalje. Iako je brzina prijenosa signala vrlo velika, sve dok je dužina traga dovoljno duga, to će i dalje utjecati na prijenos signala. Na primjer, za signal od 1GHz, period je 1ns, a vrijeme rastuće ili opadajuće ivice je oko jedne desetine perioda, tada je 100ps. Ako dužina našeg traga prelazi 1 inč (otprilike 2.54 cm), onda će kašnjenje prijenosa biti više od rastuće ivice. Ako trag prelazi 8 inča (otprilike 20 cm), onda će kašnjenje biti puni ciklus!

Ispostavilo se da PCB ima tako veliki uticaj, da je vrlo uobičajeno da naše ploče imaju više od 1 inča tragova. Hoće li kašnjenje uticati na normalan rad ploče? Gledajući stvarni sistem, ako je to samo signal i ne želite da isključite druge signale, onda se čini da kašnjenje nema nikakvog efekta. Međutim, u sistemu velike brzine, ovo kašnjenje će stvarno stupiti na snagu. Na primjer, naše uobičajene memorijske čestice su povezane u obliku magistrale, sa linijama podataka, adresnim linijama, satovima i kontrolnim linijama. Pogledajte naš video interfejs. Bez obzira na to koliko je kanala HDMI ili DVI, on će sadržavati kanale podataka i kanale sata. Ili neki protokoli sabirnice, od kojih su svi sinhroni prijenos podataka i sata. Zatim, u stvarnom sistemu velike brzine, ovi signali sata i signali podataka se sinhrono šalju sa glavnog čipa. Ako je naš dizajn tragova PCB-a loš, dužina signala takta i signala podataka su vrlo različiti. Lako je izazvati pogrešno uzorkovanje podataka i tada cijeli sistem neće raditi normalno.

Šta treba da uradimo da rešimo ovaj problem? Naravno, mislili bismo da ako se kratki tragovi produže tako da su dužine tragova iste grupe iste, onda će kašnjenje biti isto? Kako produžiti ožičenje? Idi okolo! Bingo! Nije lako konačno se vratiti na temu. Ovo je glavna funkcija serpentinske linije u sistemu velikih brzina. Namotavanje, jednake dužine. To je tako jednostavno. Serpentinska linija se koristi za namotavanje jednake dužine. Crtanjem zmijolike linije možemo učiniti da ista grupa signala ima istu dužinu, tako da nakon što prijemni čip primi signal, podaci neće biti uzrokovani različitim kašnjenjima na tragu PCB-a. Pogrešan izbor. Serpentinska linija je ista kao i tragovi na drugim PCB pločama.

Služe za povezivanje signala, ali su duži i nemaju ga. Dakle, serpentina nije duboka i nije previše komplikovana. Budući da je isto kao i druga ožičenja, neka uobičajena pravila ožičenja također su primjenjiva na serpentinaste vodove. Istovremeno, zbog posebne strukture serpentinastih linija, treba obratiti pažnju na to prilikom ožičenja. Na primjer, pokušajte da zmijolike linije budu paralelne jedna s drugom dalje. Kraće, odnosno obiđite veliku krivinu kako se kaže, ne idite pregusto i premalo na malom prostoru.

Sve ovo pomaže u smanjenju smetnji signala. Serpentinska linija će imati loš uticaj na signal zbog veštačkog povećanja dužine linije, pa sve dok može da zadovolji vremenske zahteve u sistemu, nemojte je koristiti. Neki inženjeri koriste DDR ili signale velike brzine kako bi cijela grupa bila jednake dužine. Zmijolike linije lete po cijeloj ploči. Čini se da je ovo bolje ožičenje. Zapravo, ovo je lijeno i neodgovorno. Namotana su mnoga mjesta koja ne moraju biti namotana, čime se gubi površina ploče, a ujedno i smanjuje kvalitet signala. Trebali bismo izračunati redundantnost kašnjenja prema stvarnim zahtjevima brzine signala, kako bismo odredili pravila ožičenja ploče.

Osim funkcije jednake dužine, u člancima na internetu se često spominje još nekoliko funkcija serpentine, pa ću i ovdje ukratko govoriti o tome.

1. Jedna od riječi koju često vidim je uloga usklađivanja impedanse. Ova izjava je veoma čudna. Impedansa traga PCB-a povezana je sa širinom linije, dielektričnom konstantom i udaljenosti referentne ravnine. Kada je to povezano sa serpentinskom linijom? Kada oblik traga utiče na impedanciju? Ne znam odakle je izvor ove izjave.

2. takođe se kaže da je to uloga filtriranja. Za ovu funkciju se ne može reći da je odsutna, ali ne bi trebalo postojati funkcija filtriranja u digitalnim kolima ili ne trebamo koristiti ovu funkciju u digitalnim kolima. U radiofrekvencijskom kolu, zmijolik može formirati LC kolo. Ako ima filterski učinak na signal određene frekvencije, to je još uvijek prošlost.

3. Prijemna antena. Ovo može biti. Ovaj efekat možemo vidjeti na nekim mobilnim telefonima ili radijima. Neke antene su napravljene sa PCB tragovima.

4. Induktivnost. Ovo može biti. Svi tragovi na PCB izvorno imaju parazitsku induktivnost. Ostvarljivo je napraviti neke PCB induktore.

5. Osigurač. Ovaj efekat me zbunjuje. Kako kratka i uska serpentinasta žica funkcionira kao osigurač? Izgorjeti kada je struja velika? Ploca nije rashodovana, cijena ovog osiguraca je previsoka, stvarno ne znam u kojoj vrsti primjene će se koristiti.

Kroz gornji uvod možemo razjasniti da u analognim ili radiofrekventnim kolima, serpentinasti vodovi imaju neke posebne funkcije, koje su određene karakteristikama mikrotrakastih vodova. U dizajnu digitalnog kola, serpentinasta linija se koristi za jednaku dužinu kako bi se postiglo usklađivanje vremena. Osim toga, serpentinasta linija će uticati na kvalitet signala, tako da sistemske zahtjeve treba pojasniti u sistemu, redundantnost sistema treba izračunati prema stvarnim zahtjevima, a serpentinastu liniju treba koristiti s oprezom.