Rozvržení je jednou z nejzákladnějších pracovních dovedností konstruktérů PCB. Kvalita elektroinstalace přímo ovlivní výkon celého systému. Většina teorií vysokorychlostního návrhu musí být nakonec implementována a ověřena prostřednictvím Layout. Je vidět, že elektroinstalace je velmi důležitá v vysokorychlostní PCB design. Následující bude analyzovat racionalitu některých situací, se kterými se lze ve skutečném zapojení setkat, a poskytne některé optimalizovanější strategie směrování.

Vysvětluje se hlavně ze tří hledisek: pravoúhlé vedení, diferenciální vedení a hadovité vedení.

1. Pravoúhlé směrování

Pravoúhlé zapojení je obecně situace, které je potřeba se u plošných spojů co nejvíce vyvarovat a téměř se stala jedním ze standardů pro měření kvality vedení. Jak velký vliv tedy bude mít pravoúhlé vedení na přenos signálu? V zásadě pravoúhlé směrování změní šířku vedení přenosového vedení, což způsobí diskontinuitu impedance. Ve skutečnosti nejen pravoúhlé vedení, ale také rohy a vedení v ostrém úhlu mohou způsobit změny impedance.

Vliv pravoúhlého směrování na signál se projevuje především ve třech aspektech:

Jedním z nich je, že roh může být ekvivalentní kapacitnímu zatížení přenosového vedení, což zpomaluje dobu náběhu; druhá je, že impedanční diskontinuita způsobí odraz signálu; třetí je EMI generované pravoúhlým hrotem.

Parazitní kapacitu způsobenou pravým úhlem přenosového vedení lze vypočítat podle následujícího empirického vzorce:

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

Ve výše uvedeném vzorci C označuje ekvivalentní kapacitu rohu (jednotka: pF), W označuje šířku stopy (jednotka: palec), εr označuje dielektrickou konstantu média a Z0 je charakteristická impedance přenosové linky. Například pro přenosovou linku 4Mils 50 ohmů (εr je 4.3) je kapacita způsobená pravým úhlem asi 0.0101 pF, a pak lze odhadnout změnu doby náběhu způsobenou tímto:

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

Výpočtem lze vidět, že kapacitní efekt způsobený pravoúhlou stopou je extrémně malý.

Jak se šířka čáry pravoúhlé stopy zvětšuje, impedance tam klesá, takže dochází k určitému jevu odrazu signálu. Můžeme vypočítat ekvivalentní impedanci po zvýšení šířky vedení podle vzorce pro výpočet impedance uvedeného v kapitole přenosové vedení a poté vypočítat koeficient odrazu podle empirického vzorce:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Obecně je změna impedance způsobená pravoúhlým zapojením mezi 7%-20%, takže maximální koeficient odrazu je asi 0.1. Navíc, jak je vidět z obrázku níže, impedance přenosového vedení se změní na minimum v délce vedení W/2 a poté se vrátí na normální impedanci po čase W/2. Celá doba změny impedance je extrémně krátká, často do 10 ps. Uvnitř jsou tak rychlé a malé změny pro obecný přenos signálu téměř zanedbatelné.

Mnoho lidí má toto chápání pravoúhlého zapojení. Myslí si, že hrot snadno přenáší nebo přijímá elektromagnetické vlny a generuje EMI. To se stalo jedním z důvodů, proč si mnoho lidí myslí, že pravoúhlé vedení nelze vést. Mnoho skutečných výsledků testů však ukazuje, že pravoúhlé stopy nevyvolají zjevné EMI než rovné čáry. Možná aktuální výkon přístroje a úroveň testu omezují přesnost testu, ale alespoň to ilustruje problém. Vyzařování pravoúhlého vedení je již menší než chyba měření samotného přístroje.

Obecně platí, že pravoúhlé směrování není tak hrozné, jak si představujete. Přinejmenším v aplikacích pod GHz se jakékoli vlivy jako kapacita, odraz, EMI atd. při testování TDR téměř neprojeví. Konstruktéři vysokorychlostních desek plošných spojů by se měli stále soustředit na uspořádání, návrh napájení / uzemnění a návrh kabeláže. Přes díry a další aspekty. Samozřejmě, i když dopad pravoúhlého vedení není příliš vážný, neznamená to, že v budoucnu můžeme používat pravoúhlé vedení všichni. Pozornost věnovaná detailům je základní kvalita, kterou musí mít každý dobrý inženýr. Navíc, s rychlým rozvojem digitálních obvodů, PCB Frekvence signálu zpracovávaného inženýry se bude i nadále zvyšovat. V oblasti RF designu nad 10 GHz se tyto malé pravé úhly mohou stát ohniskem vysokorychlostních problémů.

2. Diferenciální směrování

Diferenciální signál (DifferentialSignal) je stále více používán v konstrukci vysokorychlostních obvodů. Nejkritičtější signál v obvodu je často navržen s diferenciální strukturou. Proč je tak populární? Jak zajistit jeho dobrý výkon v návrhu PCB? S těmito dvěma otázkami přejdeme k další části diskuse.

Co je to diferenciální signál? Laicky řečeno, hnací konec vysílá dva stejné a invertované signály a přijímací konec posuzuje logický stav „0“ nebo „1“ porovnáním rozdílu mezi dvěma napětími. Dvojice stop nesoucích rozdílové signály se nazývá diferenciální stopy.

Ve srovnání s běžnými jednokoncovými signálovými trasami mají diferenciální signály nejviditelnější výhody v následujících třech aspektech:

A. Silná odolnost proti rušení, protože vazba mezi dvěma diferenciálními stopami je velmi dobrá. Když dochází k rušení zvenčí, jsou téměř spojeny se dvěma linkami současně a přijímací strana se stará pouze o rozdíl mezi těmito dvěma signály. Proto lze zcela potlačit externí šum v běžném režimu. b. Dokáže účinně potlačit EMI. Ze stejného důvodu se díky opačné polaritě obou signálů mohou jimi vyzařovaná elektromagnetická pole vzájemně rušit. Čím těsnější je spojení, tím méně elektromagnetické energie je odváděno do vnějšího světa. C. Načasování je přesné. Protože změna spínače rozdílového signálu je umístěna v průsečíku dvou signálů, na rozdíl od běžného jednokoncového signálu, jehož určení závisí na vysokém a nízkém prahovém napětí, je méně ovlivněna procesem a teplotou, která může snížit chybu v načasování. , Ale také vhodnější pro obvody signálu s nízkou amplitudou. Současné populární LVDS (lowvoltageddifferentialsignaling) odkazuje na tuto technologii diferenciálního signálu s malou amplitudou.

Pro inženýry PCB je největší starost, jak zajistit, aby tyto výhody diferenciálního zapojení mohly být plně využity ve skutečném zapojení. Možná každý, kdo byl v kontaktu s Layout, porozumí obecným požadavkům na diferenciální zapojení, tedy „stejná délka a stejná vzdálenost“. Stejná délka má zajistit, že dva diferenciální signály si vždy udrží opačné polarity a sníží součinitelskou složku; stejná vzdálenost má hlavně zajistit, že rozdílové impedance obou jsou konzistentní a sníží odrazy. „Co nejblíže“ je někdy jedním z požadavků diferenciálního zapojení. Všechna tato pravidla se však nepoužívají k mechanickému použití a zdá se, že mnoho inženýrů stále nechápe podstatu vysokorychlostního diferenciálního přenosu signálu.

Následující text se zaměřuje na několik běžných nedorozumění v návrhu diferenciálního signálu PCB.

Nedorozumění 1: Má se za to, že diferenciální signál nepotřebuje zemní plochu jako zpětnou cestu, nebo že diferenciální stopy poskytují zpětnou cestu jedna pro druhou. Důvodem tohoto nedorozumění je, že jsou zmateni povrchovými jevy, nebo mechanismus vysokorychlostního přenosu signálu není dostatečně hluboký. Ze struktury přijímacího konce na obrázku 1-8-15 je vidět, že emitorové proudy tranzistorů Q3 a Q4 jsou stejné a opačné a jejich proudy na zemi se přesně ruší (I1=0), takže diferenciální obvod je Podobné odrazy a další šumové signály, které se mohou vyskytovat na napájecí a zemní ploše, jsou necitlivé. Zrušení částečného zpětného vedení zemní plochy neznamená, že diferenciální obvod nepoužívá referenční rovinu jako cestu zpětného signálu. Ve skutečnosti je v analýze zpětného signálu mechanismus diferenciálního zapojení a běžného jednokoncového vedení stejný, to znamená, že vysokofrekvenční signály jsou vždy Reflow podél smyčky s nejmenší indukčností, největší rozdíl je v tom, že kromě spojení se zemí, vedení diferenciálu má také vzájemnou vazbu. Který druh spojení je silný, který se stává hlavní návratovou cestou. Obrázek 1-8-16 je schematický diagram rozložení geomagnetického pole signálů s jedním zakončením a diferenciálních signálů.

V návrhu obvodu plošných spojů je vazba mezi diferenciálními stopami obecně malá, často představuje pouze 10 až 20 % stupně vazby a více je vazba k zemi, takže hlavní zpětná cesta diferenciální stopy stále existuje na zemi. letadlo . Když je základní rovina nespojitá, spojení mezi diferenciálními křivkami poskytne hlavní zpětnou cestu v oblasti bez referenční roviny, jak je znázorněno na obrázku 1-8-17. Přestože vliv diskontinuity referenční roviny na diferenciální křivku není tak závažný jako u běžné jednokoncové křivky, stále bude snižovat kvalitu diferenciálního signálu a zvyšovat EMI, čemuž je třeba se co nejvíce vyhnout. . Někteří konstruktéři se domnívají, že referenční rovinu pod křivkou diferenciálu lze odstranit, aby se potlačily některé signály společného režimu v diferenciálním přenosu. Tento přístup však není teoreticky žádoucí. Jak ovládat impedanci? Neposkytnutí zemní impedanční smyčky pro společný signál nevyhnutelně způsobí EMI záření. Tento přístup přináší více škody než užitku.

Nedorozumění 2: Má se za to, že zachování stejné vzdálenosti je důležitější než shoda délky čáry. Ve skutečném uspořádání DPS často není možné současně splnit požadavky diferenciálního návrhu. Vzhledem k existenci rozmístění kolíků, průchodů a prostoru pro kabeláž musí být účelu přizpůsobení délky vedení dosaženo správným vinutím, ale výsledkem musí být, že některé oblasti diferenciálního páru nemohou být paralelní. Co bychom měli v tuto chvíli dělat? Jakou volbu? Než uděláme závěry, podívejme se na následující výsledky simulace.

Z výše uvedených výsledků simulace je vidět, že průběhy schématu 1 a schématu 2 jsou téměř shodné, to znamená, že vliv způsobený nestejným rozestupem je minimální. Ve srovnání s tím je vliv nesouladu délky vedení na časování mnohem větší. (Schéma 3). Z teoretické analýzy, i když nekonzistentní rozestup způsobí změnu diferenciální impedance, protože vazba mezi diferenciálním párem sama o sobě není významná, rozsah změny impedance je také velmi malý, obvykle do 10 %, což je ekvivalentní pouze jednomu průchodu. . Odraz způsobený otvorem nebude mít významný dopad na přenos signálu. Jakmile se délka linky neshoduje, kromě časového posunu jsou do diferenciálního signálu zavedeny složky společného režimu, což snižuje kvalitu signálu a zvyšuje EMI.

Dá se říci, že nejdůležitějším pravidlem při návrhu diferenciálních tras DPS je přizpůsobení délky vedení a další pravidla lze flexibilně řešit podle požadavků návrhu a praktických aplikací.

Nedorozumění 3: Myslete na to, že kabeláž diferenciálu musí být velmi blízko. Udržet diferenciální stopy blízko není nic jiného, ​​než zlepšit jejich vazbu, což může nejen zlepšit odolnost vůči šumu, ale také plně využít opačnou polaritu magnetického pole k vyrovnání elektromagnetického rušení okolního světa. Přestože je tento přístup ve většině případů velmi výhodný, není absolutní. Pokud dokážeme zajistit, že jsou plně odstíněny před vnějším rušením, pak k dosažení ochrany proti rušení nemusíme používat silnou vazbu. A účel potlačení EMI. Jak můžeme zajistit dobrou izolaci a stínění diferenciálních stop? Zvětšení rozestupu s jinými stopami signálu je jedním z nejzákladnějších způsobů. Energie elektromagnetického pole klesá s druhou mocninou vzdálenosti. Obecně platí, že když řádkování překročí 4násobek šířky řádku, interference mezi nimi je extrémně slabá. Lze ignorovat. Kromě toho může izolace zemní plochou také hrát dobrou roli stínění. Tato struktura se často používá ve vysokofrekvenčním (nad 10G) návrhu PCB balíčku IC. Říká se tomu struktura CPW, která dokáže zajistit přísnou diferenciální impedanci. Kontrola (2Z0), jak je znázorněno na obrázku 1-8-19.

Diferenciální stopy mohou také běžet v různých vrstvách signálu, ale tato metoda se obecně nedoporučuje, protože rozdíly v impedanci a prokovech produkované různými vrstvami zničí účinek přenosu v diferenciálním režimu a zavedou šum společného režimu. Kromě toho, pokud sousední dvě vrstvy nejsou pevně spojeny, sníží se schopnost diferenciální stopy odolávat šumu, ale pokud dokážete udržet správnou vzdálenost od okolních stop, přeslechy nepředstavují problém. Na obecných frekvencích (pod GHz) nebude EMI vážný problém. Experimenty ukázaly, že útlum vyzařované energie ve vzdálenosti 500 mil od diferenciální stopy dosáhl 60 dB na vzdálenost 3 metrů, což je dostatečné pro splnění normy FCC pro elektromagnetické záření, takže se projektant nemusí příliš obávat hodně o elektromagnetické nekompatibilitě způsobené nedostatečnou diferenciální vazbou vedení.

3. Hadovitá linie

Snake line je typ metody směrování často používaný v Layout. Jeho hlavním účelem je upravit zpoždění tak, aby vyhovovalo požadavkům návrhu časování systému. Konstruktér musí mít nejprve toto pochopení: hadovité vedení zničí kvalitu signálu, změní zpoždění přenosu a pokusí se vyhnout jeho použití při kabeláži. Avšak ve skutečném návrhu, aby bylo zajištěno, že signál má dostatečnou dobu zdržení, nebo aby se snížil časový posun mezi stejnou skupinou signálů, je často nutné záměrně navinout drát.

Jaký vliv má tedy hadovitá čára na přenos signálu? Na co si dát pozor při zapojování? Dva nejkritičtější parametry jsou délka paralelní spojky (Lp) a vzdálenost spojky (S), jak je znázorněno na obrázku 1-8-21. Je zřejmé, že když je signál přenášen na serpentinovou stopu, paralelní čárové segmenty budou spojeny v diferenciálním režimu. Čím menší je S a čím větší je Lp, tím větší je stupeň vazby. Může to způsobit snížení přenosového zpoždění a značně sníženou kvalitu signálu v důsledku přeslechů. Mechanismus může odkazovat na analýzu přeslechů v běžném a diferenciálním režimu v kapitole 3.

Níže jsou uvedeny některé návrhy pro inženýry Layout při práci s hadovitými liniemi:

1. Pokuste se zvětšit vzdálenost (S) paralelních úseček, alespoň větší než 3H, H označuje vzdálenost od stopy signálu k referenční rovině. Laicky řečeno je to projet velkou zatáčku. Dokud je S dostatečně velké, lze se vzájemnému vazebnímu efektu téměř úplně vyhnout. 2. Zkraťte délku spojky Lp. Když se dvojnásobné zpoždění Lp přiblíží nebo překročí dobu náběhu signálu, generovaný přeslech dosáhne saturace. 3. Zpoždění přenosu signálu způsobené serpentinovou linií Strip-Line nebo Embedded Micro-strip je menší než u Micro-stripu. Teoreticky páskové vedení neovlivní přenosovou rychlost kvůli přeslechům v diferenciálním režimu. 4. U vysokorychlostních signálních vedení a vedení s přísnými požadavky na časování se snažte nepoužívat hadovitá vedení, zejména v malých oblastech. 5. Často můžete použít hadovité stopy v libovolném úhlu, jako je struktura C na obrázku 1-8-20, která může účinně omezit vzájemné propojení. 6. Ve vysokorychlostním provedení PCB nemá hadovitá linka tzv. filtrační nebo antiinterferenční schopnost a může pouze snížit kvalitu signálu, takže se používá pouze pro přizpůsobení časování a nemá žádný jiný účel. 7. Někdy můžete zvážit spirálové vedení pro vinutí. Simulace ukazuje, že jeho účinek je lepší než normální hadovité vedení.