Per entendre la línia serpentina, parlem-ne PCB encaminament primer. No sembla que calgui introduir aquest concepte. L’enginyer de maquinari no fa treballs de cablejat cada dia? L’enginyer de maquinari dibuixa cada rastre de la PCB un per un. Què es pot dir? De fet, aquest senzill enrutament també conté molts punts de coneixement que normalment ignorem. Per exemple, el concepte de microstrip line i stripline. En poques paraules, la línia de microstrip és la traça que s’executa a la superfície de la placa de PCB, i la línia de tira és la traça que s’executa a la capa interna de la placa PCB. Quina diferència hi ha entre aquestes dues línies?

El pla de referència de la línia de microstrip és el pla de terra de la capa interna del PCB, i l’altre costat de la traça està exposat a l’aire, cosa que fa que la constant dielèctrica al voltant de la traça sigui inconsistent. Per exemple, la constant dielèctrica del nostre substrat FR4 que s’utilitza habitualment és al voltant de 4.2, la constant dielèctrica de l’aire és 1. Hi ha plans de referència tant a la part superior com a la inferior de la línia de tira, tota la traça està incrustada al substrat PCB, i la constant dielèctrica al voltant de la traça és la mateixa. Això també fa que l’ona TEM es transmeti a la línia de tira, mentre que l’ona quasi-TEM es transmet a la línia de microstrip. Per què és una ona quasi-TEM? Això es deu al desajust de fase a la interfície entre l’aire i el substrat del PCB. Què és l’ona TEM? Si aprofundeixes en aquest tema, no el podràs acabar en deu mesos i mig.

En resum, ja sigui una línia de microstrip o una línia de banda, el seu paper no és més que transportar senyals, ja siguin senyals digitals o analògics. Aquests senyals es transmeten en forma d’ones electromagnètiques d’un extrem a l’altre en la traça. Com que és una ona, hi ha d’haver velocitat. Quina és la velocitat del senyal a la traça del PCB? Segons la diferència de constant dielèctrica, la velocitat també és diferent. La velocitat de propagació de les ones electromagnètiques a l’aire és la coneguda velocitat de la llum. La velocitat de propagació en altres mitjans s’ha de calcular mitjançant la fórmula següent:

V=C/Er0.5

Entre ells, V és la velocitat de propagació en el medi, C és la velocitat de la llum i Er és la constant dielèctrica del medi. Mitjançant aquesta fórmula, podem calcular fàcilment la velocitat de transmissió del senyal a la traça del PCB. Per exemple, simplement prenem la constant dielèctrica del material base FR4 a la fórmula per calcular-la, és a dir, la velocitat de transmissió del senyal al material base FR4 és la meitat de la velocitat de la llum. Tanmateix, com que la meitat de la línia de microstrip traçada a la superfície es troba a l’aire i la meitat al substrat, la constant dielèctrica es reduirà lleugerament, de manera que la velocitat de transmissió serà lleugerament més ràpida que la de la línia de cinta. Les dades empíriques que s’utilitzen habitualment són que el retard de traça de la línia de microstrip és d’uns 140ps/polzada i el retard de traça de la línia de tira és d’uns 166ps/polzada.

Com he dit abans, només hi ha un propòsit, és a dir, la transmissió del senyal al PCB es retarda! És a dir, el senyal no es transmet a l’altre pin a través del cablejat en un instant després d’enviar un pin. Tot i que la velocitat de transmissió del senyal és molt ràpida, sempre que la longitud del rastre sigui prou llarga, encara afectarà la transmissió del senyal. Per exemple, per a un senyal d’1 GHz, el període és d’1 ns i el temps del front ascendent o descendent és aproximadament una desena part del període, llavors és de 100 ps. Si la longitud de la nostra traça supera 1 polzada (aproximadament 2.54 cm), el retard de transmissió serà més que una vora ascendent. Si la traça supera les 8 polzades (aproximadament 20 cm), el retard serà un cicle complet!

Resulta que el PCB té un impacte tan gran, és molt comú que les nostres plaques tinguin traces de més d’1 polzada. El retard afectarà el funcionament normal de la junta? Mirant el sistema real, si només és un senyal i no voleu apagar altres senyals, sembla que el retard no tingui cap efecte. Tanmateix, en un sistema d’alta velocitat, aquest retard es farà efectiu. Per exemple, les nostres partícules de memòria comunes estan connectades en forma de bus, amb línies de dades, línies d’adreces, rellotges i línies de control. Fes una ullada a la nostra interfície de vídeo. No importa quants canals siguin HDMI o DVI, contindrà canals de dades i canals de rellotge. O alguns protocols de bus, tots ells transmissió sincrònica de dades i rellotge. Aleshores, en un sistema real d’alta velocitat, aquests senyals de rellotge i senyals de dades s’envien de manera sincrònica des del xip principal. Si el nostre disseny de traça de PCB és deficient, la longitud del senyal de rellotge i el senyal de dades són molt diferents. És fàcil provocar un mostreig incorrecte de dades i, aleshores, tot el sistema no funcionarà amb normalitat.

Què hem de fer per resoldre aquest problema? Naturalment, podríem pensar que si les traces de curta longitud s’allarguen de manera que les longituds de traça del mateix grup siguin iguals, llavors el retard serà el mateix? Com allargar el cablejat? Fer una volta! Bingo! No és fàcil tornar finalment al tema. Aquesta és la funció principal de la línia serpentina en el sistema d’alta velocitat. Enrotllament, igual longitud. És així de senzill. La línia serpentina s’utilitza per enrotllar la longitud igual. En dibuixar la línia serpentina, podem fer que el mateix grup de senyals tingui la mateixa longitud, de manera que després que el xip receptor rebi el senyal, les dades no seran causades pels diferents retards a la traça del PCB. Elecció equivocada. La línia serpentina és la mateixa que les traces d’altres plaques de PCB.

S’utilitzen per connectar els senyals, però són més llargs i no en tenen. Per tant, la línia serpentina no és profunda ni massa complicada. Com que és el mateix que altres cablejats, algunes regles de cablejat d’ús habitual també són aplicables a les línies serpentines. Al mateix temps, a causa de l’estructura especial de les línies serpentines, hauríeu de parar-hi atenció quan feu el cablejat. Per exemple, intenteu mantenir les línies serpentines paral·leles entre si més lluny. Més curt, és a dir, fer un revolt gran com diu la dita, no anar massa dens i massa petit en una zona petita.

Tot això ajuda a reduir la interferència del senyal. La línia serpentina tindrà una mala influència en el senyal a causa de l’augment artificial de la longitud de la línia, de manera que, sempre que pugui complir els requisits de temporització del sistema, no l’utilitzeu. Alguns enginyers utilitzen senyals DDR o d’alta velocitat per fer que tot el grup tingui la mateixa longitud. Les línies serpentines volen per tot el tauler. Sembla que això és millor cablejat. De fet, això és mandrós i irresponsable. Molts llocs que no necessiten ser enrotllats estan ferits, cosa que malgasta l’àrea del tauler i també redueix la qualitat del senyal. Hem de calcular la redundància del retard segons els requisits reals de velocitat del senyal, per tal de determinar les regles de cablejat de la placa.

A més de la funció d’igual longitud, moltes altres funcions de la línia serpentina s’esmenten sovint als articles a Internet, així que també en parlaré breument aquí.

1. Una de les paraules que veig sovint és el paper de la concordança d’impedància. Aquesta afirmació és molt estranya. La impedància de la traça del PCB està relacionada amb l’amplada de la línia, la constant dielèctrica i la distància del pla de referència. Quan es relaciona amb la línia serpentina? Quan la forma de la traça afecta la impedància? No sé d’on ve la font d’aquesta afirmació.

2. també es diu que és la funció de filtrar. No es pot dir que aquesta funció estigui absent, però no hi hauria d’haver cap funció de filtrat en circuits digitals o no cal que utilitzem aquesta funció en circuits digitals. En el circuit de radiofreqüència, la traça serpentina pot formar un circuit LC. Si té un efecte de filtratge en un senyal de freqüència determinada, encara és el passat.

3. Antena receptora. Això pot ser. Podem veure aquest efecte en alguns telèfons mòbils o ràdios. Algunes antenes estan fetes amb traces de PCB.

4. Inductància. Això pot ser. Totes les traces del PCB tenen originalment inductància paràsit. És possible fer alguns inductors de PCB.

5. Fusible. Aquest efecte em deixa desconcertat. Com funciona el cable serpentí curt i estret com a fusible? S’esgoten quan el corrent és alt? El tauler no està descartat, el preu d’aquest fusible és massa alt, realment no sé en quin tipus d’aplicació s’utilitzarà.

A través de la introducció anterior, podem aclarir que en circuits analògics o de radiofreqüència, les línies serpentines tenen algunes funcions especials, que estan determinades per les característiques de les línies de microstrip. En el disseny de circuits digitals, la línia serpentina s’utilitza per a la mateixa longitud per aconseguir la concordança de temps. A més, la línia serpentina afectarà la qualitat del senyal, de manera que els requisits del sistema s’han d’aclarir al sistema, la redundància del sistema s’ha de calcular segons els requisits reals i la línia serpentina s’ha d’utilitzar amb precaució.