Raspored je jedna od najosnovnijih radnih vještina za inženjere PCB dizajna. Kvalitet ožičenja direktno će uticati na performanse cijelog sistema. Većina teorija dizajna velike brzine mora se konačno implementirati i verificirati kroz Layout. Vidi se da je ožičenje veoma važno u PCB velike brzine dizajn. U nastavku će se analizirati racionalnost nekih situacija koje se mogu susresti u stvarnom ožičenju i dati neke optimizirane strategije rutiranja.

Uglavnom se objašnjava sa tri aspekta: ožičenje pod pravim uglom, diferencijalno ožičenje i serpentinasto ožičenje.

1. Usmjeravanje pod pravim kutom

Ožičenje pod pravim uglom je općenito situacija koju treba izbjegavati koliko god je to moguće u ožičenju PCB-a, i gotovo je postao jedan od standarda za mjerenje kvaliteta ožičenja. Dakle, koliki će utjecaj ožičenja pod pravim kutom imati na prijenos signala? U principu, usmeravanje pod pravim uglom će promeniti širinu linije prenosa, uzrokujući diskontinuitet u impedansi. Zapravo, ne samo usmjeravanje pod pravim uglom, već i uglovi i usmjeravanje pod oštrim kutom mogu uzrokovati promjene impedanse.

Utjecaj usmjeravanja pod pravim kutom na signal se uglavnom ogleda u tri aspekta:

Jedan je da ugao može biti ekvivalentan kapacitivnom opterećenju na dalekovodu, što usporava vrijeme porasta; drugi je da će diskontinuitet impedanse uzrokovati refleksiju signala; treći je EMI koji generiše vrh pod pravim uglom.

Parazitni kapacitet uzrokovan pravim kutom dalekovoda može se izračunati sljedećom empirijskom formulom:

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

U gornjoj formuli, C se odnosi na ekvivalentnu kapacitivnost ugla (jedinica: pF), W se odnosi na širinu traga (jedinica: inč), εr se odnosi na dielektričnu konstantu medija, a Z0 je karakteristična impedancija dalekovoda. Na primjer, za prijenosni vod od 4Mils 50 ohma (εr je 4.3), kapacitivnost koju donosi pravi ugao iznosi oko 0.0101pF, a onda se promjena vremena porasta uzrokovana ovim može procijeniti:

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

Proračunom se može vidjeti da je učinak kapacitivnosti koji donosi pravokutni trag izuzetno mali.

Kako se širina linije pravokutnog traga povećava, impedancija će se smanjivati, pa će se pojaviti određeni fenomen refleksije signala. Možemo izračunati ekvivalentnu impedanciju nakon što se širina linije poveća prema formuli za proračun impedanse spomenutoj u poglavlju o dalekovodu, a zatim izračunati koeficijent refleksije prema empirijskoj formuli:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Generalno, promjena impedanse uzrokovana ožičenjem pod pravim uglom je između 7%-20%, tako da je maksimalni koeficijent refleksije oko 0.1. Štaviše, kao što se može vidjeti sa donje slike, impedansa dalekovoda se mijenja na minimum unutar dužine W/2 linije, a zatim se vraća na normalnu impedanciju nakon vremena od W/2. Cijelo vrijeme promjene impedanse je izuzetno kratko, često unutar 10ps. Unutra su tako brze i male promjene gotovo zanemarljive za opći prijenos signala.

Mnogi ljudi imaju ovo razumijevanje ožičenja pod pravim uglom. Smatraju da je vrh lako prenositi ili primati elektromagnetne valove i stvarati EMI. Ovo je postao jedan od razloga zašto mnogi ljudi misle da se ožičenje pod pravim uglom ne može usmjeriti. Međutim, mnogi stvarni rezultati testiranja pokazuju da tragovi pod pravim uglom neće proizvesti očigledan EMI nego prave linije. Možda trenutne performanse instrumenta i nivo testiranja ograničavaju tačnost testa, ali to barem ilustruje problem. Zračenje pravokutnog ožičenja je već manje od greške mjerenja samog instrumenta.

Općenito, usmjeravanje pod pravim kutom nije tako strašno kao što se zamišlja. Barem u aplikacijama ispod GHz, bilo koji efekti kao što su kapacitivnost, refleksija, EMI, itd. se jedva odražavaju u TDR testiranju. Inženjeri za dizajn PCB-a velike brzine bi se i dalje trebali fokusirati na raspored, dizajn napajanja/uzemljenja i dizajn ožičenja. Preko rupa i drugih aspekata. Naravno, iako uticaj ožičenja pod pravim uglom nije jako ozbiljan, to ne znači da svi možemo koristiti ožičenje pod pravim uglom u budućnosti. Pažnja prema detaljima je osnovni kvalitet koji svaki dobar inženjer mora imati. Štaviše, sa brzim razvojem digitalnih kola, PCB frekvencija signala koji obrađuju inženjeri nastaviće da raste. U području RF dizajna iznad 10 GHz, ovi mali pravi uglovi mogu postati fokus problema velikih brzina.

2. Diferencijalno rutiranje

Diferencijalni signal (DifferentialSignal) se sve više koristi u dizajnu kola velikih brzina. Najkritičniji signal u kolu je često dizajniran sa diferencijalnom strukturom. Šta ga čini tako popularnim? Kako osigurati njegove dobre performanse u dizajnu PCB-a? Sa ova dva pitanja prelazimo na sljedeći dio rasprave.

Šta je diferencijalni signal? Laički rečeno, pogonska strana šalje dva jednaka i obrnuta signala, a strana koja prima procjenjuje logičko stanje “0” ili “1” upoređujući razliku između dva napona. Par tragova koji nose diferencijalne signale nazivaju se diferencijalni tragovi.

U poređenju sa običnim jednostranim signalnim tragovima, diferencijalni signali imaju najočitije prednosti u sljedeća tri aspekta:

a. Jaka sposobnost protiv smetnji, jer je spoj između dva diferencijalna traga vrlo dobar. Kada postoji šum smetnje izvana, oni su gotovo spojeni na dvije linije u isto vrijeme, a prijemnoj strani je samo stalo do razlike između dva signala. Stoga se vanjski zajednički šum može potpuno poništiti. b. Može efikasno potisnuti EMI. Iz istog razloga, zbog suprotnog polariteta dva signala, elektromagnetna polja koja zrače mogu jedno drugo poništiti. Što je veza čvršća, to se manje elektromagnetne energije ispušta u vanjski svijet. c. Vremensko pozicioniranje je tačno. Budući da se promjena prekidača diferencijalnog signala nalazi na sjecištu dva signala, za razliku od običnog jednosmjernog signala, koji ovisi o visokom i niskom pragu napona za određivanje, na njega manje utiču proces i temperatura, što može smanjiti grešku u vremenu. , Ali i pogodniji za signalne krugove niske amplitude. Trenutni popularni LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling) odnosi se na ovu tehnologiju diferencijalnog signala male amplitude.

Za PCB inženjere, najviše brine kako osigurati da se ove prednosti diferencijalnog ožičenja mogu u potpunosti iskoristiti u stvarnom ožičenju. Možda će svako ko je bio u kontaktu sa Layout-om razumjeti opšte zahtjeve diferencijalnog ožičenja, odnosno „jednake dužine i jednake udaljenosti“. Jednaka dužina osigurava da dva diferencijalna signala održavaju suprotne polaritete u svakom trenutku i smanjuju komponentu zajedničkog moda; jednaka udaljenost je uglavnom da bi se osiguralo da su diferencijalne impedanse ove dvije konzistentne i smanjile refleksije. „Što bliže“ je ponekad jedan od zahtjeva za diferencijalno ožičenje. Ali sva ova pravila se ne koriste mehanički, a čini se da mnogi inženjeri još uvijek ne razumiju suštinu diferencijalnog prijenosa signala velike brzine.

Sljedeće se fokusira na nekoliko uobičajenih nesporazuma u dizajnu diferencijalnog signala PCB-a.

Nesporazum 1: Vjeruje se da diferencijalnom signalu nije potrebna uzemljena ploča kao povratna putanja, ili da diferencijalni tragovi obezbeđuju povratnu putanju jedni za druge. Razlog za ovaj nesporazum je to što su zbunjeni površnim pojavama, ili mehanizam brzog prenosa signala nije dovoljno dubok. Iz strukture prijemnog kraja sa slike 1-8-15 se vidi da su emiterske struje tranzistora Q3 i Q4 jednake i suprotne, a njihove struje u zemlji tačno jedna drugu poništavaju (I1=0), pa diferencijalni krug je Slični odskoci i drugi signali šuma koji mogu postojati na ravnima napajanja i uzemljenja su neosjetljivi. Djelomično poništavanje povrata uzemljenja ne znači da diferencijalni krug ne koristi referentnu ravninu kao povratnu putanju signala. Zapravo, u analizi povratnog signala, mehanizam diferencijalnog ožičenja i običnog jednoslojnog ožičenja je isti, odnosno visokofrekventni signali se uvijek reflow duž petlje s najmanjom induktivnošću, najveća razlika je u tome što pored spojnica sa zemljom, diferencijalna linija također ima međusobno spajanje. Koja vrsta sprege je jaka, koja postaje glavni povratni put. Slika 1-8-16 je šematski dijagram distribucije geomagnetskog polja jednostranih i diferencijalnih signala.

U dizajnu PCB kola, sprega između diferencijalnih tragova je općenito mala, često čini samo 10 do 20% stupnja spajanja, a više je veza sa zemljom, tako da glavni povratni put diferencijalnog traga još uvijek postoji na zemlji avion . Kada je uzemljena ravnina diskontinuirana, spajanje između diferencijalnih tragova će osigurati glavni povratni put u području bez referentne ravni, kao što je prikazano na slici 1-8-17. Iako utjecaj diskontinuiteta referentne ravnine na diferencijalni trag nije tako ozbiljan kao kod običnog jednostrukog traga, ipak će smanjiti kvalitetu diferencijalnog signala i povećati EMI, što bi trebalo izbjegavati koliko god je to moguće . Neki dizajneri vjeruju da se referentna ravan ispod diferencijalnog traga može ukloniti kako bi se potisnuli neki uobičajeni signali u diferencijalnom prijenosu. Međutim, ovaj pristup u teoriji nije poželjan. Kako kontrolisati impedanciju? Neomogućavanje petlje impedanse uzemljenja za signal zajedničkog moda neizbježno će uzrokovati EMI zračenje. Ovaj pristup donosi više štete nego koristi.

Nesporazum 2: Vjeruje se da je održavanje jednakog razmaka važnije od podudaranja dužine linije. U stvarnom rasporedu PCB-a, često nije moguće ispuniti zahtjeve diferencijalnog dizajna u isto vrijeme. Zbog postojanja distribucije pinova, prolaza i prostora za ožičenje, svrha usklađivanja dužine linije mora se postići pravilnim namotavanjem, ali rezultat mora biti da neke oblasti diferencijalnog para ne mogu biti paralelne. Šta da radimo u ovom trenutku? Koji izbor? Prije donošenja zaključaka, pogledajmo sljedeće rezultate simulacije.

Iz gornjih rezultata simulacije može se vidjeti da se valni oblici sheme 1 i sheme 2 gotovo podudaraju, odnosno da je utjecaj uzrokovan nejednakim razmakom minimalan. Za usporedbu, utjecaj neusklađenosti dužine linije na vrijeme je mnogo veći. (Šema 3). Iz teorijske analize, iako će nedosljedni razmak uzrokovati promjenu diferencijalne impedanse, jer sprega između diferencijalnog para sama po sebi nije značajna, raspon promjene impedanse je također vrlo mali, obično unutar 10%, što je ekvivalentno samo jednom prolazu . Refleksija uzrokovana rupom neće imati značajan utjecaj na prijenos signala. Kada se dužina linije ne poklapa, pored vremenskog pomaka, komponente zajedničkog moda se uvode u diferencijalni signal, što smanjuje kvalitet signala i povećava EMI.

Može se reći da je najvažnije pravilo u dizajnu diferencijalnih tragova PCB-a podudarna dužina linije, a drugim pravilima se može fleksibilno rukovati u skladu sa zahtjevima dizajna i praktičnim primjenama.

Nesporazum 3: Mislite da diferencijalno ožičenje mora biti vrlo blizu. Održavanje diferencijalnih tragova blizu nije ništa drugo nego da se poboljša njihovo spajanje, što ne samo da može poboljšati otpornost na buku, već i u potpunosti iskoristiti suprotan polaritet magnetnog polja za neutralizaciju elektromagnetnih smetnji prema vanjskom svijetu. Iako je ovaj pristup u većini slučajeva vrlo koristan, nije apsolutan. Ako možemo osigurati da su u potpunosti zaštićeni od vanjskih smetnji, onda ne trebamo koristiti jaku spregu da bismo postigli zaštitu od smetnji. I svrha suzbijanja EMI. Kako možemo osigurati dobru izolaciju i zaštitu diferencijalnih tragova? Povećanje razmaka sa drugim tragovima signala jedan je od najosnovnijih načina. Energija elektromagnetskog polja opada sa kvadratom udaljenosti. Općenito, kada razmak između linija prelazi 4 puta širinu linije, interferencija između njih je izuzetno slaba. Može se zanemariti. Osim toga, izolacija od strane uzemljenja također može igrati dobru zaštitnu ulogu. Ova struktura se često koristi u visokofrekventnom (iznad 10G) IC paketu PCB dizajna. Zove se CPW struktura, koja može osigurati strogu diferencijalnu impedanciju. Kontrola (2Z0), kao što je prikazano na slici 1-8-19.

Diferencijalni tragovi se također mogu izvoditi u različitim slojevima signala, ali ova metoda se općenito ne preporučuje, jer će razlike u impedansi i propusnosti koje proizvode različiti slojevi uništiti učinak diferencijalnog prijenosa i unijeti šum zajedničkog moda. Osim toga, ako dva susjedna sloja nisu čvrsto povezana, to će smanjiti sposobnost diferencijalnog traga da se odupre šumu, ali ako možete održavati odgovarajuću udaljenost od okolnih tragova, preslušavanje nije problem. Na opštim frekvencijama (ispod GHz), EMI neće predstavljati ozbiljan problem. Eksperimenti su pokazali da je slabljenje zračene energije na udaljenosti od 500 mils od diferencijalnog traga dostiglo 60 dB na udaljenosti od 3 metra, što je dovoljno da zadovolji FCC standard za elektromagnetsko zračenje, tako da projektant ne mora da brine previše. mnogo o elektromagnetnoj nekompatibilnosti uzrokovanoj nedovoljnom spregom diferencijalne linije.

3. Serpentinska linija

Snake line je vrsta metode usmjeravanja koja se često koristi u Layoutu. Njegova glavna svrha je da podesi kašnjenje kako bi zadovoljio zahtjeve dizajna vremena sistema. Dizajner prvo mora imati ovo razumijevanje: serpentinasta linija će uništiti kvalitet signala, promijeniti kašnjenje prijenosa i pokušati izbjeći korištenje pri ožičenju. Međutim, u stvarnom dizajnu, da bi se osiguralo da signal ima dovoljno vremena zadržavanja, ili da bi se smanjio vremenski pomak između iste grupe signala, često je potrebno namjerno namotati žicu.

Dakle, kakav uticaj ima serpentinasta linija na prenos signala? Na šta treba obratiti pažnju prilikom ožičenja? Dva najkritičnija parametra su paralelna dužina spajanja (Lp) i udaljenost spajanja (S), kao što je prikazano na slici 1-8-21. Očigledno, kada se signal prenosi na serpentinasti trag, segmenti paralelne linije će biti spojeni u diferencijalnom modu. Što je manji S i veći Lp, to je veći stepen sprege. To može uzrokovati smanjenje kašnjenja prijenosa, a kvalitet signala je znatno smanjen zbog preslušavanja. Mehanizam se može odnositi na analizu unakrsnih preslušavanja zajedničkog i diferencijalnog moda u Poglavlju 3.

Slijede neki prijedlozi za Layout inženjere kada rade sa serpentinskim linijama:

1. Pokušajte povećati rastojanje (S) paralelnih segmenata linije, barem veće od 3H, H se odnosi na udaljenost od traga signala do referentne ravni. Laički rečeno, to je obići veliku krivinu. Sve dok je S dovoljno velik, efekat uzajamnog spajanja može se gotovo u potpunosti izbjeći. 2. Smanjite dužinu spojnice Lp. Kada se dvostruko Lp kašnjenje približi ili premaši vrijeme porasta signala, generirano preslušavanje će dostići zasićenje. 3. Kašnjenje prijenosa signala uzrokovano serpentinastim linijama Strip-Line ili Embedded Micro-strip je manje od kašnjenja mikro-trake. U teoriji, trakasta linija neće utjecati na brzinu prijenosa zbog preslušavanja u diferencijalnom modu. 4. Za signalne linije velike brzine i one sa strogim vremenskim zahtjevima, pokušajte da ne koristite serpentinaste linije, posebno u malim područjima. 5. Često možete koristiti serpentinaste tragove pod bilo kojim uglom, kao što je C struktura na slici 1-8-20, koja može efikasno smanjiti međusobno spajanje. 6. U dizajnu PCB-a velike brzine, serpentinska linija nema takozvanu sposobnost filtriranja ili sprečavanja smetnji, i može samo smanjiti kvalitetu signala, tako da se koristi samo za usklađivanje vremena i nema drugu svrhu. 7. Ponekad možete razmisliti o spiralnom glodanju za namotavanje. Simulacija pokazuje da je njegov učinak bolji od normalnog usmjeravanja serpentinom.