Raspored je jedna od najosnovnijih radnih vještina Dizajn PCB-a inženjer. Kvaliteta ožičenja izravno će utjecati na performanse cijelog sistema, većina teorije projektiranja velikih brzina mora konačno biti shvaćena i provjerena pomoću Layout-a, pa se može vidjeti da je ožičenje ključno u dizajnu PCB-a velike brzine. Sljedeće će biti uzeto u obzir da bi ožičenje moglo naići na neke situacije, analizirati njegovu racionalnost i dati neke optimiziranije strategije usmjeravanja. Uglavnom s desne kutne linije, linije razlike, zmijske linije i tako dalje tri aspekta za razradu.

1. Pravokutna go linija

Pravokutno ožičenje općenito je potrebno kako bi se izbjegla situacija u ožičenju PCB-a, i gotovo je postalo jedan od standarda za mjerenje kvalitete ožičenja, pa koliki će utjecaj imati pravokutno ožičenje na prijenos signala? U načelu, pravokutno ožičenje promijenit će širinu linije dalekovoda, što će rezultirati diskontinuitetom impedanse. Zapravo, ne samo prava kutna linija, tona kutna, oštra kutna linija može uzrokovati promjene impedanse.

Utjecaj poravnanja pod pravim kutom na signal uglavnom se ogleda u tri aspekta: prvo, ugao može biti ekvivalentan kapacitivnom opterećenju dalekovoda, usporavajući vrijeme porasta; Drugo, diskontinuitet impedanse uzrokovat će refleksiju signala; Treće, EMI generiran vrhom pod pravim uglom.

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

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

U gornjoj formuli, C se odnosi na ekvivalentni kapacitet na uglu (pF), W se odnosi na širinu linije (inč), ε R se odnosi na dielektričnu konstantu medija, a Z0 je karakteristična impedancija prijenosa linija. Na primjer, za 4 Mils 50 ohmski dalekovod (εr 4.3), kapacitet pravog ugla je oko 0.0101pF, a varijacija u vremenu porasta može se procijeniti:

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

Iz proračuna se može vidjeti da je učinak kapacitivnosti koji donosi pravokutno ožičenje izuzetno mali.

Kako se širina linije pravokutne linije povećava, impedancija će se u ovom trenutku smanjivati, pa će doći do određenog fenomena refleksije signala. Možemo izračunati ekvivalentnu impedanciju nakon povećanja širine voda prema formuli za proračun impedancije spomenute u odjeljku dalekovoda, a zatim izračunati koeficijent refleksije prema empirijskoj formuli: ρ = (Zs-Z0)/(Zs+Z0), općenito pravokutno ožičenje rezultira promjenom impedancije između 7%-20%, pa 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 voda, a zatim se vraća na normalnu impedanciju nakon W/2 vremena. Vrijeme za cijelu promjenu impedancije je vrlo kratko, obično unutar 10ps. Takva brza i mala promjena gotovo je zanemariva za opći prijenos signala.

Mnogi ljudi imaju takvo razumijevanje usmjeravanja pod pravim kutom, vjerujući da je vrh lako emitirati ili primiti elektromagnetske valove i proizvesti EMI, što je postalo jedan od razloga zašto mnogi misle da pravokutno usmjeravanje nije moguće. Međutim, mnogi praktični rezultati ispitivanja pokazuju da pravokutna linija ne proizvodi mnogo EMI nego ravna linija. Možda trenutne performanse instrumenta i nivo testa ograničavaju tačnost testa, ali barem pokazuju da je zračenje pravokutne linije manje od greške mjerenja samog instrumenta. Općenito, poravnanje pod pravim kutom nije tako strašno kako se može činiti. Barem u aplikacijama ispod GHz, svi efekti kao što su kapacitet, refleksija, EMI, itd. Gotovo se ne odražavaju u TDR testovima. Inženjer dizajna brzih PCB-a trebao bi se usredotočiti na raspored, dizajn napajanja/tla, dizajn ožičenja, perforiranje itd. Iako, naravno, učinci pravokutne linije kretanja nisu jako ozbiljni, ali ne znači da možemo hodati pravokutnom linijom, pažnja prema detaljima bitna je kvaliteta svakog dobrog inženjera, a uz brzi razvoj digitalnih kola , Inženjeri PCB -a obradu frekvencije signala također će nastaviti poboljšavati, na više od 10 GHZ RF dizajn područja, Ovi mali pravi kutovi mogu postati fokus problema velikih brzina.

2. Razlika od

Diferencijalni signal se široko koristi u dizajnu kola velike brzine. Najvažniji signal u kolu je Diferencijalni dizajn signala. Kako osigurati dobre performanse u dizajnu PCB -a? Imajući ova dva pitanja na umu, prelazimo na sljedeći dio naše rasprave.

Šta je diferencijalni signal? Na običnom engleskom jeziku, upravljački program šalje dva ekvivalentna i invertirajuća signala, a prijemnik uspoređuje razliku između dva napona kako bi utvrdio je li logičko stanje “0” ili “1”. Par žica koje nose diferencijalne signale nazivamo diferencijalne žice.

U usporedbi s običnim usmjeravanjem jednostrukih signala, diferencijalni signal ima najočiglednije prednosti u sljedeća tri aspekta:

O. Snažna sposobnost protiv smetnji, jer je sprega između dvije diferencijalne linije vrlo dobra, kada postoje smetnje šumom, one su gotovo povezane na dvije linije istovremeno, a prijemnik brine samo o razlici između dva signala, tako da se vanjska zajednička buka može potpuno poništiti.

B. Može efikasno suzbiti EMI. Slično, budući da su dva signala suprotnog polariteta, elektromagnetsko polje koje zrače mogu se međusobno poništiti. Što je spojnica bliža, manje se elektromagnetske energije oslobađa u vanjski svijet.

C. Postavljanje vremena je tačno. Budući da se promjenljiva promjena diferencijalnih signala nalazi na sjecištu dva signala, za razliku od uobičajenih jednostrukih signala koji se procjenjuju visokim i niskim pragom napona, na nju manje utječu proces i temperatura, što može smanjiti greške u mjerenju vremena i prikladniji je za kola sa signalima niske amplitude. LVDS (niskonaponska diferencijalna signalizacija) odnosi se na ovu tehnologiju diferencijalnog signala male amplitude.

Za inženjere PCB -a najvažnija briga je kako osigurati da se ove prednosti diferencijalnog usmjeravanja u potpunosti iskoriste u stvarnom usmjeravanju. Možda će ljudi, dok su u kontaktu s Layout -om, razumjeti opće zahtjeve diferencijalnog usmjeravanja, odnosno “jednake dužine, jednake udaljenosti”. Izometrijski treba osigurati da dva diferencijalna signala uvijek održavaju suprotni polaritet, smanjujući komponentu zajedničkog moda; Izometrijska je uglavnom za osiguravanje iste diferencijalne impedancije, smanjenje refleksije. „Što je moguće bliže“ ponekad je jedan od zahtjeva za diferencijalno usmjeravanje. No nijedno od ovih pravila nije namijenjeno mehaničkoj primjeni, a čini se da mnogi inženjeri ne razumiju prirodu diferencijalne signalizacije velike brzine. Slijedi fokus na nekoliko uobičajenih grešaka u dizajnu diferencijalnog signala PCB -a.

Zabluda 1: Diferencijalnim signalima nije potrebna uzemljena ravnina kao put povratnog toka, ili mislite da diferencijalni vodovi pružaju putanju povratnog toka jedni drugima. Uzrok ovog nesporazuma zbunjuje površinski fenomen ili mehanizam prijenosa signala velike brzine nije dovoljno dubok. Kao što se može vidjeti iz strukture prijemnog kraja na Sl. 1-8-15, emitorske struje tranzistora Q3 i Q4 su ekvivalentne i suprotne, a njihova se struja na spoju međusobno potpuno poništava (I1 = 0). Stoga je diferencijalni krug neosjetljiv na slične zemljane projektile i druge signale šuma koji mogu postojati u napajanju i ravnini zemlje. Djelomično poništavanje povratnog toka uzemljenja ne znači da diferencijalni krug ne uzima referentnu ravninu kao povratnu putanju signala. U stvari, u analizi povratnog toka signala, mehanizam diferencijalnog usmjeravanja je isti kao i kod običnog usmjeravanja s jednim krajem, naime, visoki

Frekvencijski signal uvijek teče natrag duž kruga s najmanjim induktivitetom. Najveća razlika leži u tome što linija razlike ne samo da je spojena na tlo, već ima i međusobnu spregu. Jaka sprega postaje glavni put povratnog toka.

U dizajnu sklopa PCB -a, sprega između diferencijalnog ožičenja je općenito mala, obično čini samo 10 ~ 20% stupnja spoja, a većina spojnice je na tlu, tako da glavni povratni tok diferencijalnog ožičenja još uvijek postoji u tlu avion. U slučaju diskontinuiteta u lokalnoj ravnini, sprega između diferencijalnih pravaca pruža glavnu putanju povratnog toka u području bez referentne ravnine, kao što je prikazano na Sl. 1-8-17. Iako utjecaj diskontinuiteta referentne ravnine na diferencijalno ožičenje nije tako ozbiljan kao kod običnog jednostrukog ožičenja, ipak će smanjiti kvalitetu diferencijalnog signala i povećati EMI, što treba izbjegavati koliko je god moguće. Neki dizajneri vjeruju da se referentna ravnina linije diferencijalnog prijenosa može ukloniti kako bi se potisnuo dio signala zajedničkog moda u diferencijalnom prijenosu, ali teoretski ovaj pristup nije poželjan. Kako kontrolirati impedanciju? Bez pružanja petlje impedanse zemlje za signal zajedničkog moda, EMI zračenje će se vjerojatno uzrokovati, što više šteti nego koristi.

Mit 2: Održavanje jednakog razmaka važnije je od podudaranja dužine linije. U stvarnom ožičenju PCB -a često nije u mogućnosti ispuniti zahtjeve diferencijalnog dizajna. Zbog raspodjele pinova, rupa i prostora za ožičenje i drugih faktora, potrebno je postići svrhu usklađivanja duljine vodova putem odgovarajućeg namota, ali rezultat je neizbježno da dio para para ne može biti paralelan, u ovom trenutku, kako izabrati? Prije nego što pređemo na zaključke, 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 nejednakog razmaka minimalan, a utjecaj neusklađenosti duljine linije mnogo veći na vremenski slijed (shema 3) . Iz perspektive teorijske analize, iako će nedosljedni razmaci dovesti do promjene impedanse razlike, ali zato što sprega između samog para razlika nije značajna, pa je i raspon promjena impedancije vrlo mali, obično unutar 10%, samo ekvivalentno na refleksiju uzrokovanu rupom, koja neće uzrokovati značajan utjecaj na prijenos signala. Nakon što se dužina linije ne podudara, pored pomaka vremenskog slijeda, u diferencijalni signal se unose komponente zajedničkog moda, što smanjuje kvalitetu signala i povećava EMI.

Može se reći da je najvažnije pravilo u dizajnu ožičenja za PCB diferencijale podudaranje duljine voda, a s ostalim se pravilima može fleksibilno rukovati prema zahtjevima dizajna i praktičnim primjenama.

Zabluda tri: linija razmišljanja o razlikama mora se oslanjati vrlo blizu. Smisao držanja linija razlike blizu nije ništa drugo do povećanje njihove sprege, kako za poboljšanje imuniteta na buku, tako i za iskorištavanje suprotnog polariteta magnetskog polja za poništavanje elektromagnetskih smetnji iz vanjskog svijeta. Iako je ovaj pristup u većini slučajeva vrlo povoljan, nije apsolutan. Ako se mogu u potpunosti zaštititi od vanjskih smetnji, onda ne moramo više ostvarivati ​​svrhu zaštite od smetnji i EMI-ja kroz snažno povezivanje jedno s drugim. Kako osigurati da diferencijalno usmjeravanje ima dobru izolaciju i zaštitu? Povećanje udaljenosti između vodova i drugih signala jedan je od najosnovnijih načina. Energija elektromagnetskog polja smanjuje se s kvadratnim odnosom udaljenosti. Općenito, kada je udaljenost između linija više od 4 puta širine linije, smetnje između njih su izuzetno slabe i u osnovi se mogu zanemariti. Osim toga, izolacija kroz ravninu tla također može pružiti dobar zaštitni učinak. Ova se struktura često koristi u visokofrekventnim (iznad 10G) IC pakiranim PCB izvedbama, poznatim kao CPW struktura, kako bi se osigurala stroga kontrola diferencijalne impedanse (2Z0), SL. 1-8-19.

Diferencijalno usmjeravanje također se može provesti u različitim slojevima signala, ali to se općenito ne preporučuje, jer razlike poput impedancije i prolaza kroz različite slojeve mogu uništiti učinak prijenosa diferencijalnog načina rada i uvesti šum zajedničkog moda. Osim toga, ako dva susjedna sloja nisu čvrsto povezana, sposobnost diferencijalnog usmjeravanja da se odupre šumu bit će smanjena, ali preslušavanje ne predstavlja problem ako se održava odgovarajući razmak s okolnim usmjeravanjem. Općenito, frekvencija (ispod GHz) EMI neće predstavljati ozbiljan problem. Eksperimenti pokazuju da je slabljenje energije zračenja na diferencijalnim vodovima na udaljenosti od 500 milja preko 3 metra doseglo 60 dB, što je dovoljno da zadovolji standard elektromagnetnog zračenja FCC -a. Stoga dizajneri ne trebaju previše brinuti o elektromagnetskoj nekompatibilnosti uzrokovanoj nedovoljnim spajanjem diferencijalnih vodova.

3. serpentina

U rasporedu se često koristi zmijolika linija. Njegova glavna svrha je prilagoditi vremensko kašnjenje i ispuniti zahtjeve sistemskog mjerenja vremena. Dizajneri bi prvo trebali shvatiti da će zmijolika žica uništiti kvalitetu signala, promijeniti kašnjenje prijenosa i treba ih izbjegavati pri ožičenju. Međutim, u praktičnom dizajnu, kako bi se osiguralo dovoljno vremena zadržavanja signala ili smanjilo odstupanje vremena između iste grupe signala, namotavanje se mora namjerno provesti.

Dakle, šta serpentina čini za prijenos signala? Na šta treba da obratim pažnju prilikom prelaska linije? Dva najkritičnija parametra su paralelna dužina spajanja (Lp) i udaljenost spajanja (S), kako je prikazano na Sl. 1-8-21. Očigledno, kada se signal prenosi u serpentinskoj liniji, doći će do sprege između segmenata paralelnih linija u obliku različitog načina rada. Što je S manji, veći je Lp i veći će biti stepen sprezanja. To može dovesti do smanjenja kašnjenja prijenosa i značajnog smanjenja kvalitete signala zbog preslušavanja, kako je opisano u poglavlju 3 za analizu preslušavanja zajedničkog i diferencijalnog načina rada.

Evo nekoliko savjeta za Layout inženjere kada se bave serpentinama:

1. Pokušajte povećati udaljenost (S) segmenta paralelne linije, koja je barem veća od 3H. H se odnosi na udaljenost od signalne linije do referentne ravnine. Uopšteno govoreći, potrebno je uzeti veliku krivulju. Sve dok je S dovoljno velik, učinak spajanja može se gotovo u potpunosti izbjeći.

2. Kada se duljina sprege Lp smanji, generirani preslušavanje će doći do zasićenja kada se kašnjenje Lp dva puta približi ili premaši vrijeme porasta signala.

3. Kašnjenje prijenosa signala uzrokovano zmijolikom linijom strip-linije ili ugrađenom mikrotrakom manje je od one mikro-trake. Teoretski, linija vrpce ne utječe na brzinu prijenosa zbog preslušavanja u diferencijalnom načinu rada.

4. Za brze i signalne linije sa strogim zahtjevima u pogledu vremena, pokušajte ne hodati serpentinskim linijama, posebno na malom području.

5. Zmijoliko usmjeravanje pod bilo kojim kutom često se može usvojiti. C struktura na Sl. 1-8-20 može efikasno smanjiti međusobno povezivanje.

6. U dizajnu PCB-a velike brzine, serpentine nema takozvanu sposobnost filtriranja ili zaštite od smetnji i može samo smanjiti kvalitetu signala, pa se koristi samo za usklađivanje vremena i nema druge svrhe.

7. Ponekad se može razmotriti spiralni namot. Simulacija pokazuje da je njen učinak bolji od normalnog namotaja.