Paigutus on PCB projekteerimisinseneride jaoks üks põhilisemaid tööoskusi. Juhtmete kvaliteet mõjutab otseselt kogu süsteemi jõudlust. Enamik kiire disaini teooriaid tuleb lõplikult rakendada ja kontrollida Layouti kaudu. On näha, et juhtmestik on selles väga oluline kiire PCB disain. Järgnevalt analüüsitakse mõningate olukordade ratsionaalsust, mida tegelikul juhtmestikul võib ette tulla, ja esitatakse veel optimeeritud marsruutimisstrateegiad.

Seda selgitatakse peamiselt kolmest aspektist: täisnurkne juhtmestik, diferentsiaaljuhtmestik ja serpentiinjuhtmestik.

1. Täisnurkne marsruutimine

Täisnurkne juhtmestik on üldiselt olukord, mida tuleb PCB juhtmestikus võimalikult palju vältida ja sellest on saanud peaaegu üks juhtmestiku kvaliteedi mõõtmise standard. Niisiis, kui palju mõjutab täisnurkne juhtmestik signaali edastamisele? Põhimõtteliselt muudab täisnurkne marsruutimine ülekandeliini liini laiust, põhjustades impedantsi katkestust. Tegelikult võivad impedantsi muutusi põhjustada mitte ainult täisnurkne marsruutimine, vaid ka nurgad ja teravnurkne marsruutimine.

Täisnurga suunamise mõju signaalile kajastub peamiselt kolmes aspektis:

Üks on see, et nurk võib olla samaväärne ülekandeliini mahtuvusliku koormusega, mis aeglustab tõusuaega; teine ​​on see, et impedantsi katkestus põhjustab signaali peegeldumise; kolmas on täisnurga otsa genereeritud EMI.

Edastusliini täisnurgast põhjustatud parasiitmahtuvust saab arvutada järgmise empiirilise valemiga:

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

Ülaltoodud valemis tähistab C nurga ekvivalentset mahtuvust (ühik: pF), W tähistab jälje laiust (ühik: tolli), εr tähistab keskkonna dielektrilist konstanti ja Z0 on iseloomulik takistus. ülekandeliinist. Näiteks 4Mils 50-oomise ülekandeliini puhul (εr on 4.3) on täisnurga poolt toodud mahtuvus umbes 0.0101pF ja siis saab hinnata sellest põhjustatud tõusuaja muutust:

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

Arvutuste abil on näha, et täisnurga jäljest tulenev mahtuvuse efekt on äärmiselt väike.

Täisnurga jälje joone laiuse suurenedes väheneb sealne takistus, mistõttu ilmneb teatud signaali peegeldusnähtus. Ekvivalendi impedantsi saame arvutada pärast liini laiuse suurenemist vastavalt ülekandeliini peatükis mainitud impedantsi arvutamise valemile ja seejärel arvutada peegelduskoefitsient vastavalt empiirilisele valemile:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Üldiselt on täisnurkse juhtmestiku põhjustatud impedantsi muutus vahemikus 7–20%, seega on maksimaalne peegeldustegur umbes 0.1. Veelgi enam, nagu on näha allolevalt jooniselt, muutub ülekandeliini impedants W/2 liini pikkuses minimaalseks ja naaseb seejärel normaalsele takistusele pärast W/2 aega. Kogu impedantsi muutumise aeg on äärmiselt lühike, sageli 10 ps. Sees on sellised kiired ja väikesed muutused üldise signaaliedastuse jaoks peaaegu tühised.

Paljudel inimestel on selline arusaam täisnurksest juhtmestikust. Nad arvavad, et otsa on lihtne elektromagnetlaineid edastada või vastu võtta ning elektromagnetlaineid tekitada. Sellest on saanud üks põhjusi, miks paljud arvavad, et täisnurkseid juhtmeid ei saa vedada. Paljud tegelikud testitulemused näitavad aga, et täisnurksed jäljed ei tekita selget EMI-d kui sirgjooned. Võib-olla piiravad praegune instrumendi jõudlus ja testi tase testi täpsust, kuid vähemalt illustreerib see probleemi. Täisnurkse juhtmestiku kiirgus on juba väiksem kui instrumendi enda mõõtmisviga.

Üldiselt pole täisnurkne marsruutimine nii kohutav, kui ette kujutatakse. Vähemalt alla GHz sagedusega rakendustes ei kajastu TDR-testides peaaegu kõik efektid, nagu mahtuvus, peegeldus, EMI jne. Kiire PCB projekteerimisinsenerid peaksid siiski keskenduma paigutusele, toite-/maakujundusele ja juhtmestiku disainile. Läbi aukude ja muude aspektide. Kuigi täisnurkse juhtmestiku mõju ei ole väga tõsine, ei tähenda see muidugi, et me kõik saaksime tulevikus kasutada täisnurkseid juhtmeid. Tähelepanu detailidele on põhiline kvaliteet, mis peab olema igal heal inseneril. Veelgi enam, digitaalsete vooluahelate kiire arenguga kasvab PCB Inseneride poolt töödeldud signaali sagedus jätkuvalt. Üle 10 GHz raadiosagedusliku disaini valdkonnas võivad need väikesed täisnurgad muutuda suure kiirusega seotud probleemide keskmeks.

2. Diferentsiaalne marsruutimine

Diferentsiaalsignaali (DifferentialSignal) kasutatakse üha laiemalt kiirete vooluahelate projekteerimisel. Skeemi kõige kriitilisem signaal on sageli kujundatud diferentsiaalstruktuuriga. Mis teeb selle nii populaarseks? Kuidas tagada selle hea jõudlus PCB projekteerimisel? Nende kahe küsimusega liigume edasi arutelu järgmise osa juurde.

Mis on diferentsiaalsignaal? Tavapäraselt saadab juhtots kaks võrdset ja ümberpööratud signaali ning vastuvõttev ots hindab loogilist olekut “0” või “1”, võrreldes kahe pinge erinevust. Diferentsiaalsignaale kandvat jälgede paari nimetatakse diferentsiaaljälgedeks.

Võrreldes tavaliste üheotsaliste signaalijälgedega on diferentsiaalsignaalidel kõige ilmsemad eelised järgmises kolmes aspektis:

a. Tugev häiretevastane võime, kuna kahe diferentsiaaljälje vaheline ühendus on väga hea. Kui väljastpoolt on müra häiritud, on need peaaegu samaaegselt ühendatud kahe liiniga ja vastuvõtuots hoolib ainult kahe signaali erinevusest. Seetõttu saab välise ühisrežiimi müra täielikult tühistada. b. See võib EMI tõhusalt maha suruda. Samal põhjusel võivad kahe signaali vastupidise polaarsuse tõttu nende poolt kiiratavad elektromagnetväljad üksteist kustutada. Mida tihedam on ühendus, seda vähem elektromagnetilist energiat välismaailma välja voolab. c. Ajastuse positsioneerimine on täpne. Kuna diferentsiaalsignaali lüliti vahetus asub kahe signaali ristumiskohas, erinevalt tavalisest üheotsalisest signaalist, mille määramine sõltub kõrgest ja madalast lävipingest, mõjutab see protsess ja temperatuur seda vähem. vähendada ajastusviga. , Aga sobib paremini ka madala amplituudiga signaaliahelate jaoks. Praegune populaarne LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling) viitab sellele väikese amplituudiga diferentsiaalsignaali tehnoloogiale.

PCB-inseneride jaoks on kõige rohkem muret see, kuidas tagada, et neid diferentsiaaljuhtmestiku eeliseid saaks tegelikus juhtmestikus täielikult ära kasutada. Võib-olla saavad kõik, kes on Layoutiga kokku puutunud, aru diferentsiaaljuhtmestiku üldnõuetest, see tähendab “võrdne pikkus ja võrdne vahemaa”. Võrdne pikkus on tagamaks, et kaks diferentsiaalsignaali säilitavad kogu aeg vastandliku polaarsuse ja vähendavad ühisrežiimi komponenti; võrdne vahemaa on peamiselt selleks, et tagada nende kahe diferentsiaaltakistused ühtlus ja vähendada peegeldusi. “Võimalikult lähedal” on mõnikord üks diferentsiaaljuhtmestiku nõudeid. Kuid kõiki neid reegleid ei kasutata mehaaniliseks kohaldamiseks ja tundub, et paljud insenerid ei mõista endiselt kiire diferentsiaalsignaali edastamise olemust.

Järgnev keskendub mitmetele levinud arusaamatustele PCB diferentsiaalsignaali kujundamisel.

Arusaamatus 1: Arvatakse, et diferentsiaalsignaal ei vaja tagasiteeks aluspinda või et diferentsiaaljäljed pakuvad üksteisele tagasiteed. Selle arusaamatuse põhjuseks on see, et neid segavad pindmised nähtused või ei ole kiire signaaliedastuse mehhanism piisavalt sügav. Joonise 1-8-15 vastuvõtuotsa struktuurist on näha, et transistoride Q3 ja Q4 emitteri voolud on võrdsed ja vastandlikud ning nende voolud maapinnal tühistavad üksteist täpselt (I1=0), seega diferentsiaalahel on Sarnased põrked ja muud mürasignaalid, mis võivad esineda toite- ja maandustasandil, on tundlikud. Alusplaadi osaline tagasivoolu tühistamine ei tähenda, et diferentsiaallülitus ei kasuta signaali tagasivooluteeks võrdlustasapinda. Tegelikult on signaali tagastusanalüüsis diferentsiaaljuhtmestiku ja tavalise ühe otsaga juhtmestiku mehhanism sama, st kõrgsageduslikud signaalid on alati Reflow piki väikseima induktiivsusega silmust, suurim erinevus on see, et lisaks ühendus maapinnaga, diferentsiaalliinil on ka vastastikune sidestus. Milline haakeseadis on tugev, milline saab peamiseks tagasiteeks. Joonis 1-8-16 on skemaatiline diagramm ühe otsaga signaalide ja diferentsiaalsignaalide geomagnetväljade jaotusest.

PCB vooluahela projekteerimisel on diferentsiaaljälgede vaheline sidestus üldiselt väike, moodustades sageli vaid 10–20% sidestusastmest ja rohkem on sidestus maapinnaga, nii et diferentsiaaljälje peamine tagasitee on endiselt maapinnal olemas. lennuk . Kui alustasapind on katkendlik, tagab diferentsiaaljälgede vaheline ühendus peamise tagasitee tugitasandita piirkonnas, nagu on näidatud joonisel 1-8-17. Kuigi võrdlustasandi katkestuse mõju diferentsiaaljäljele ei ole nii tõsine kui tavalisel üheotsalisel jäljel, vähendab see siiski diferentsiaalsignaali kvaliteeti ja suurendab elektromagnetilist signaali, mida tuleks nii palju kui võimalik vältida. . Mõned disainerid usuvad, et diferentsiaaljälje all oleva võrdlustasapinna saab eemaldada, et summutada mõningaid diferentsiaaledastuse tavarežiimi signaale. See lähenemine pole aga teoreetiliselt soovitav. Kuidas impedantsi juhtida? Maandustakistussilmuse mittepakkumine ühisrežiimi signaalile põhjustab paratamatult EMI-kiirgust. Selline lähenemine toob rohkem kahju kui kasu.

Arusaam 2: Arvatakse, et võrdsete vahekauguste hoidmine on olulisem kui rea pikkuse sobitamine. Tegeliku PCB paigutuse korral ei ole sageli võimalik diferentsiaaldisaini nõudeid samal ajal täita. Pingete jaotuse, läbipääsude ja juhtmestiku olemasolu tõttu tuleb liini pikkuse sobitamise eesmärk saavutada õige mähise abil, kuid tulemuseks peab olema see, et mõned diferentsiaalpaari alad ei saa olla paralleelsed. Mida me peaksime sel ajal tegema? Milline valik? Enne järelduste tegemist vaadakem järgmisi simulatsiooni tulemusi.

Ülaltoodud simulatsioonitulemustest on näha, et skeemi 1 ja skeemi 2 lainekujud langevad peaaegu kokku, st ebavõrdse vahekauguse mõju on minimaalne. Võrdluseks, rea pikkuse mittevastavuse mõju ajastusele on palju suurem. (Skeem 3). Teoreetilisest analüüsist nähtub, et kuigi ebaühtlane vahekaugus põhjustab diferentsiaaltakistuse muutumise, kuna diferentsiaalpaari enda vaheline sidestus ei ole oluline, on impedantsi muutuste vahemik samuti väga väike, tavaliselt 10% piires, mis võrdub ainult ühe läbimisega. . Ava tekitatud peegeldus ei mõjuta oluliselt signaali edastamist. Kui liini pikkus ei ühti, sisestatakse diferentsiaalsignaali lisaks ajastuse nihkele ühisrežiimi komponendid, mis vähendab signaali kvaliteeti ja suurendab EMI-d.

Võib öelda, et PCB diferentsiaaljälgede projekteerimisel on kõige olulisem reegel sobituva joone pikkus ning teisi reegleid saab paindlikult käsitleda vastavalt projekteerimisnõuetele ja praktilistele rakendustele.

Arusaamatus 3: arvake, et diferentsiaali juhtmestik peab olema väga lähedal. Diferentsiaaljälgede lähedal hoidmine pole midagi muud kui nende sidestuse tugevdamine, mis mitte ainult ei paranda mürakindlust, vaid kasutab täielikult ära ka magnetvälja vastupidise polaarsuse välismaailma elektromagnetiliste häirete kompenseerimiseks. Kuigi see lähenemisviis on enamikul juhtudel väga kasulik, pole see absoluutne. Kui suudame tagada, et need on väliste häirete eest täielikult kaitstud, ei pea me häiretevastaseks saavutamiseks kasutama tugevat sidet. Ja EMI mahasurumise eesmärk. Kuidas tagada diferentsiaaljälgede hea isolatsioon ja varjestus? Vahekauguse suurendamine teiste signaalijälgedega on üks lihtsamaid viise. Elektromagnetvälja energia väheneb koos kauguse ruuduga. Üldiselt, kui reavahe ületab 4 korda rea ​​laiuse, on nende vaheline häire äärmiselt nõrk. Võib ignoreerida. Lisaks võib isolatsioon maapinna poolt mängida ka head varjestusrolli. Seda struktuuri kasutatakse sageli kõrgsageduslike (üle 10G) IC-paketi PCB projekteerimisel. Seda nimetatakse CPW struktuuriks, mis tagab range diferentsiaaltakistuse. Kontroll (2Z0), nagu on näidatud joonisel 1-8-19.

Diferentsiaaljäljed võivad kulgeda ka erinevates signaalikihtides, kuid seda meetodit üldiselt ei soovitata, kuna erinevate kihtide tekitatud takistuse ja läbipääsude erinevused hävitavad diferentsiaalrežiimi edastuse efekti ja tekitavad ühisrežiimi müra. Lisaks, kui kaks kõrvuti asetsevat kihti ei ole tihedalt ühendatud, vähendab see diferentsiaaljälje müra vastupanuvõimet, kuid kui suudate hoida ümbritsevatest jälgedest õiget kaugust, pole ülekanne probleemiks. Üldsagedustel (alla GHz) ei ole EMI tõsine probleem. Katsed on näidanud, et kiirgusenergia sumbumine diferentsiaaljäljest 500 miili kaugusel on 60 meetri kaugusel jõudnud 3 dB-ni, mis on FCC elektromagnetilise kiirguse standardi täitmiseks piisav, nii et disainer ei pea ka muretsema. palju elektromagnetilisest kokkusobimatusest, mis on põhjustatud ebapiisavast diferentsiaalliini sidumisest.

3. Serpentiinjoon

Snake line on teatud tüüpi marsruutimismeetod, mida sageli kasutatakse paigutuses. Selle peamine eesmärk on kohandada viivitust, et see vastaks süsteemi ajastuse kavandamise nõuetele. Disaineril peab esmalt olema see arusaam: serpentiinliin hävitab signaali kvaliteedi, muudab edastusviivitust ja proovib vältida selle kasutamist juhtmestiku ühendamisel. Kuid tegelikus projekteerimises on signaali piisava hoidmisaja tagamiseks või sama signaalirühma aja nihke vähendamiseks sageli vaja juhe tahtlikult üles kerida.

Niisiis, millist mõju avaldab serpentiinjoon signaali edastamisele? Millele peaksin juhtmestiku paigaldamisel tähelepanu pöörama? Kaks kõige kriitilisemat parameetrit on paralleelühenduse pikkus (Lp) ja sidestuskaugus (S), nagu on näidatud joonisel 1-8-21. Ilmselgelt, kui signaal edastatakse serpentiini jäljel, seotakse paralleelsed joonelõigud diferentsiaalrežiimis. Mida väiksem on S ja mida suurem on Lp, seda suurem on sidestusaste. See võib põhjustada edastusviivituse vähenemist ja signaali kvaliteeti ristkõne tõttu. Mehhanism võib viidata ühisrežiimi ja diferentsiaalrežiimi läbirääkimise analüüsile 3. peatükis.

Järgmised on mõned soovitused paigutusinseneridele serpentiinjoontega tegelemisel.

1. Püüdke suurendada paralleelsete joonelõikude kaugust (S) vähemalt rohkem kui 3H, H tähistab kaugust signaali jäljest võrdlustasandini. Võhiku mõistes tähendab see suure kurvi läbimist. Kuni S on piisavalt suur, saab vastastikust sidumisefekti peaaegu täielikult vältida. 2. Vähendage siduri pikkust Lp. Kui kahekordne Lp viivitus läheneb signaali tõusuajale või ületab selle, saavutab genereeritud ülekanne küllastumise. 3. Strip-Line’i või Embedded Micro-riba serpentiinjoonest põhjustatud signaali edastamise viivitus on väiksem kui Micro-ribal. Teoreetiliselt ei mõjuta ribaliin edastuskiirust diferentsiaalrežiimi ülekõla tõttu. 4. Kiirete signaaliliinide ja rangete ajastusnõuetega liinide puhul proovige mitte kasutada serpentiinliine, eriti väikestes piirkondades. 5. Sageli saate kasutada serpentiini jälgi mis tahes nurga all, näiteks C-struktuur joonisel 1-8-20, mis võib tõhusalt vähendada vastastikust sidumist. 6. Kiire PCB-disaini puhul ei ole serpentiinliinil nn filtreerimis- või häiretevastast võimet ning see võib ainult signaali kvaliteeti vähendada, seega kasutatakse seda ainult ajastuse sobitamiseks ja sellel pole muud eesmärki. 7. Mõnikord võite mähkimiseks kaaluda spiraalset marsruutimist. Simulatsioon näitab, et selle mõju on parem kui tavaline serpentiinmarsruutimine.