Diseinua PCB diseinuko ingeniarientzako lan trebetasun oinarrizkoenetako bat da. Kablearen kalitateak zuzenean eragingo du sistema osoaren errendimenduan. Abiadura handiko diseinuaren teoria gehienak Layout bidez inplementatu eta egiaztatu behar dira azkenean. Ikusten da kableatzea oso garrantzitsua dela abiadura handiko PCBa diseinua. Jarraian, benetako kableatuan aurki daitezkeen egoera batzuen arrazionaltasuna aztertuko da, eta bideratze estrategia optimizatuago batzuk emango dira.

Batez ere hiru alderditatik azaltzen da: angelu zuzeneko kableamendua, kable diferentziala eta kableatu sugetsua.

1. Angelu zuzeneko bideratzea

Angelu zuzeneko kableamendua, oro har, PCB kableatuetan ahalik eta gehien saihestu behar den egoera da, eta kablearen kalitatea neurtzeko estandarretako bat bihurtu da ia. Beraz, zenbat eragin izango du angelu zuzeneko kableatuak seinalearen transmisioan? Printzipioz, angelu zuzeneko bideratzeak transmisio-lerroaren linearen zabalera aldatuko du, inpedantzian etena eraginez. Izan ere, angelu zuzeneko bideratzeak ez ezik, izkinek eta angelu zorrotzeko bideratzeak ere inpedantzia aldaketak eragin ditzakete.

Angelu zuzeneko bideratzearen eragina seinalean batez ere hiru alderditan islatzen da:

Bata da izkina transmisio-lerroaren karga kapazitiboaren baliokidea izan daitekeela, eta horrek igoera denbora moteltzen du; bigarrena da inpedantzia etenak seinalearen isla eragingo duela; hirugarrena angelu zuzeneko puntak sortutako EMI da.

Transmisio-lerroaren angelu zuzenak eragindako kapazitantzia parasitoa honako formula enpiriko honen bidez kalkula daiteke:

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

Goiko formulan, C izkinaren kapazitate baliokideari egiten dio erreferentzia (unitatea: pF), W aztarnaren zabalerari (unitatea: hazbetea), εr medioaren konstante dielektrikoari eta Z0 inpedantzia ezaugarria da. transmisio-lerroarena. Esate baterako, 4Mils 50 ohm-ko transmisio-lerro baterako (εr 4.3 da), angelu zuzen batek ekarritako kapazitatea 0.0101pF ingurukoa da, eta orduan honek eragindako igoera-denbora-aldaketa kalkula daiteke:

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

Kalkulu bidez ikus daiteke angelu zuzenaren arrastoak dakarren kapazitate-efektua oso txikia dela.

Angelu zuzenaren arrastoaren lerro-zabalera handitzen den heinean, hango inpedantzia gutxitu egingo da, beraz, seinalearen islapen fenomeno jakin bat gertatuko da. Linearen zabalera handitu ondoren inpedantzia baliokidea kalkula dezakegu transmisio-linearen kapituluan aipatutako inpedantzia kalkulatzeko formularen arabera, eta, ondoren, kalkulatu islapen-koefizientea formula enpirikoaren arabera:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Oro har, angelu zuzeneko kableatuak eragindako inpedantzia-aldaketa % 7-20 artekoa da, beraz, islapen koefiziente maximoa 0.1 ingurukoa da. Gainera, beheko irudian ikus daitekeenez, transmisio-lerroaren inpedantzia minimora aldatzen da W/2 linearen luzeraren barruan, eta gero inpedantzia normalera itzultzen da W/2-ren denboraren ondoren. Inpedantzia aldatzeko denbora osoa oso laburra da, askotan 10 ps-en barruan. Barruan, halako aldaketa azkar eta txikiak ia arbuiagarriak dira seinalearen transmisio orokorrerako.

Jende askok angelu zuzeneko kableatuaren ulermen hori du. Punta uhin elektromagnetikoak transmititzeko edo jasotzeko eta EMI sortzeko erraza dela uste dute. Jende askok angelu zuzeneko kableatuak bideratu ezin daitezkeela pentsatzeko arrazoietako bat bihurtu da. Hala ere, benetako probaren emaitz askok erakusten dute angelu zuzeneko arrastoek ez dutela lerro zuzenek baino EMI nabaririk sortuko. Beharbada, egungo tresnaren errendimenduak eta proba mailak probaren zehaztasuna mugatzen dute, baina arazo bat adierazten du behintzat. Angelu zuzeneko kablearen erradiazioa tresnaren beraren neurketa-errorea baino txikiagoa da jada.

Oro har, angelu zuzeneko bideratzea ez da imajinatu bezain izugarria. Gutxienez, GHz-tik beherako aplikazioetan, gaitasunik, islapena, EMI eta abar bezalako efekturik ez da ia islatzen TDR probetan. Abiadura handiko PCB diseinuko ingeniariek diseinuan, potentzia/lurraren diseinuan eta kableatu diseinuan arreta jarri beharko lukete. Zuloen eta beste alderdi batzuen bidez. Jakina, angelu zuzeneko kableatuaren eragina oso larria ez den arren, horrek ez du esan nahi etorkizunean denok angelu zuzeneko kableatua erabil dezakegunik. Xehetasunei arreta ingeniari on orok izan behar duen oinarrizko kalitatea da. Gainera, zirkuitu digitalen garapen azkarrarekin, PCB Ingeniariek prozesatutako seinalearen maiztasuna handitzen joango da. 10GHz-tik gorako RF diseinuaren arloan, angelu zuzen txiki hauek abiadura handiko arazoen foku bihur daitezke.

2. Bideratze diferentziala

Seinale diferentziala (DifferentialSignal) gero eta gehiago erabiltzen da abiadura handiko zirkuituaren diseinuan. Zirkuituko seinalerik kritikoena egitura diferentzial batekin diseinatu ohi da. Zerk egiten du hain ezaguna? Nola ziurtatu bere errendimendu ona PCB diseinuan? Bi galdera hauekin, eztabaidaren hurrengo zatiari ekingo diogu.

Zer da seinale diferentziala? Jendearen esanetan, muturrak bi seinale berdin eta alderantziz bidaltzen ditu, eta muturrak hartzaileak “0” edo “1” egoera logikoa epaitzen du bi tentsioen arteko aldea alderatuz. Seinale diferentzialak daramatzaten arrastoen bikoteari arrasto diferentziala deitzen zaio.

Amaiera bakarreko seinaleen arrasto arruntekin alderatuta, seinale diferentzialek abantaila nabarmenenak dituzte hiru alderdi hauetan:

a. Interferentziaren aurkako gaitasun sendoa, bi arrasto diferentzialen arteko akoplamendua oso ona delako. Kanpotik zarata interferentziak daudenean, ia bi lerroetara akoplatzen dira aldi berean, eta hartzaileak bi seinaleen arteko ezberdintasuna baino ez du arduratzen. Hori dela eta, kanpoko modu komuneko zarata guztiz ezezta daiteke. b. EMI eraginkortasunez kendu dezake. Arrazoi beragatik, bi seinaleen kontrako polaritatea dela eta, haiek irradiatutako eremu elektromagnetikoak elkar ezeztatu daitezke. Akoplamendua zenbat eta estuagoa izan, orduan eta energia elektromagnetiko gutxiago aireratzen da kanpoko mundura. c. Denboraren kokapen zehatza da. Seinale diferentzialaren etengailuaren aldaketa bi seinaleen elkargunean kokatzen denez, amaiera bakarreko seinale arrunta ez bezala, zeina atalase handiko eta baxuko tentsioen araberakoa dena, prozesuak eta tenperaturak gutxiago eragiten du, eta horrek eragin dezake. denboraren akatsa murriztea. , Baina anplitude baxuko seinale-zirkuituetarako ere egokiagoa. Gaur egungo LVDS ezagunak (lowvoltageddifferentialsignaling) anplitude txikiko seinale diferentzialaren teknologiari egiten dio erreferentzia.

PCB ingeniarientzat, kezka handiena kable diferentzialaren abantaila horiek benetako kableatuetan guztiz erabil daitezkeela ziurtatzea da. Agian Layout-ekin harremanetan egon den edonork ulertuko ditu kableatu diferentzialaren baldintza orokorrak, hau da, “luzera berdina eta distantzia berdina”. Luzera berdina bi seinale diferentzialek une oro kontrako polaritateei eusten dietela eta modu komuneko osagaia murrizten dute; distantzia berdina, batez ere, bien inpedantzia diferentzialak koherenteak direla eta islak murriztea da. “Ahalik eta gertuen” kable diferentzialaren eskakizunetako bat da batzuetan. Baina arau horiek guztiak ez dira mekanikoki aplikatzeko erabiltzen, eta badirudi ingeniari askok oraindik ez dutela ulertzen abiadura handiko seinale diferentzialaren transmisioaren funtsa.

Jarraian, PCB seinale diferentzialaren diseinuan ohikoak diren gaizki-ulertu batzuetan zentratzen da.

Gaizki-ulertzea 1: Seinale diferentzialak ez duela lurreko planorik behar itzulerako bide gisa edo arrasto diferentzialek elkarri itzulera bide bat ematen diotela uste da. Gaizki-ulertu honen arrazoia azaleko fenomenoek nahasten dituztela da, edo abiadura handiko seinaleen transmisioaren mekanismoa ez dela behar bezain sakona. 1-8-15 irudiko mutur hartzailearen egituratik ikus daiteke Q3 eta Q4 transistoreen igorle-korronteak berdinak eta aurkakoak direla, eta lurrean dauden korronteak elkarren artean zehatz-mehatz ezeztatzen direla (I1=0), beraz, Zirkuitu diferentziala Potentzia eta lurreko planoetan egon daitezkeen antzeko erreboteak eta beste zarata-seinaleak ez dira sentibera. Lur-planoaren itzulera partziala ezeztatzeak ez du esan nahi zirkuitu diferentzialak erreferentzia-planoa seinalearen itzulera bide gisa erabiltzen ez duenik. Izan ere, seinalearen itzuleran analisian, kableatu diferentzialaren eta kableatu arruntaren kableatuaren mekanismoa berdina da, hau da, maiztasun handiko seinaleak beti errefluxu egiten dira induktantzia txikienarekin begiztetan zehar, desberdintasun handiena hau da. lurrerako akoplamendua, lerro diferentzialak elkarrekiko akoplamendua ere badu. Zein akoplamendu mota sendoa den, zein bihurtzen den itzulerako bide nagusia. 1-8-16 irudia mutur bakarreko seinaleen eta seinale diferentzialen eremu geomagnetikoen banaketaren diagrama eskematiko bat da.

PCB zirkuituaren diseinuan, arrasto diferentzialen arteko akoplamendua, oro har, txikia da, askotan akoplamendu-graduaren % 10 eta 20 artean soilik hartzen du, eta lurrera akoplatzea gehiago da, beraz, arrasto diferentzialaren itzulera-bide nagusia lurrean dago oraindik. hegazkina . Lur-planoa etena denean, arrasto diferentzialen arteko akoplaketak erreferentzia-planorik gabeko eremuan itzulera-bide nagusia emango du, 1-8-17 irudian ikusten den bezala. Erreferentzia-planoaren etenaren eragina arrasto diferentzialaren gainean muturreko arrasto arruntarena bezain larria ez den arren, seinale diferentzialaren kalitatea murriztuko du eta EMI handituko du, ahal den neurrian saihestu beharko litzatekeena. . Diseinatzaile batzuen ustez, traza diferentzialaren azpian dagoen erreferentzia-planoa kendu daiteke transmisio diferentzialean modu komuneko seinale batzuk ezabatzeko. Hala ere, ikuspegi hori ez da desiragarria teorian. Nola kontrolatu inpedantzia? Modu arrunteko seinaleari lurreko inpedantzia-begizta ez emateak EMI erradiazioa eragingo du ezinbestean. Planteamendu honek on baino kalte gehiago egiten du.

Gaizki-ulertzea 2: uste da tarte berdina mantentzea lerroaren luzera bat etortzea baino garrantzitsuagoa dela. Benetako PCB diseinuan, askotan ezin da diseinu diferentzialaren baldintzak betetzea aldi berean. Pin banaketaren, bideen eta kablearen espazioaren existentzia dela eta, lerroaren luzera parekatzearen helburua harilketa egoki baten bidez lortu behar da, baina emaitza bikote diferentzialaren eremu batzuk ezin direla paraleloak izan. Zer egin behar dugu une honetan? Zein aukera? Ondorioak atera baino lehen, ikus ditzagun simulazioko emaitzei.

Goiko simulazio emaitzetatik, 1. eskemaren eta 2. eskemaren uhin-formak ia bat datozela ikus daiteke, hau da, tarte desorekatuak eragindako eragina gutxienekoa da. Konparatuz, lerroaren luzeraren desegokitzapenaren eragina denboran askoz handiagoa da. (3. eskema). Azterketa teorikotik, tarte ez-koherenteak inpedantzia diferentziala aldatzea eragingo duen arren, bikote diferentzialaren arteko akoplamendua bera ez baita esanguratsua, inpedantzia-aldaketaren tartea ere oso txikia da, normalean % 10aren barruan, hau da, pase bakarreko baliokidea. . Zuloak eragindako islak ez du eragin handirik izango seinalearen transmisioan. Linearen luzera bat ez datorrenean, denboraren desplazamenduaz gain, modu arrunteko osagaiak sartzen dira seinale diferentzialean, eta horrek seinalearen kalitatea murrizten du eta EMI handitzen du.

Esan daiteke PCB arrasto diferentzialen diseinuan arau garrantzitsuena bat datorren lerroaren luzera dela, eta beste arau batzuk malgutasunez kudeatu daitezkeela diseinu-eskakizunen eta aplikazio praktikoen arabera.

Gaizkiulertua 3: Pentsa kable diferentzialak oso hurbil egon behar duela. Arrasto diferentzialak hurbil mantentzea haien akoplamendua hobetzea baino ez da, zaratarekiko immunitatea hobetzeaz gain, eremu magnetikoaren kontrako polaritateaz baliatuz kanpoko munduarekiko interferentzia elektromagnetikoak konpentsatzeko. Ikuspegi hau kasu gehienetan oso onuragarria den arren, ez da erabatekoa. Kanpoko interferentziatik guztiz babestuta daudela ziurtatzen badugu, ez dugu akoplamendu sendorik erabili behar interferentziaren aurkakoa lortzeko. Eta EMI ezabatzearen helburua. Nola berma ditzakegu arrasto diferentzialen isolamendu eta blindaje ona? Beste seinale-arrasto batzuekin tartea handitzea oinarrizko bideetako bat da. Eremu elektromagnetikoen energia gutxitzen da distantziaren karratuarekin. Orokorrean, lerro-tartea lerroaren zabalera baino 4 aldiz handiagoa denean, haien arteko interferentzia oso ahula da. Ez ikusi egin daiteke. Horrez gain, lurreko planoaren isolamenduak babes-eginkizun ona izan dezake. Egitura hau maiztasun handiko (10G baino gehiago) IC pakete PCB diseinuan erabiltzen da. CPW egitura deitzen zaio, inpedantzia diferentzial zorrotza berma dezakeena. Kontrola (2Z0), 1-8-19 irudian ikusten den moduan.

Arrasto diferentzialak seinale-geruza desberdinetan ere exekutatu daitezke, baina metodo hau, oro har, ez da gomendagarria, geruza ezberdinek sortutako inpedantzian eta bide-desberdintasunek modu diferentzialaren transmisioaren eragina suntsituko baitute eta modu arrunteko zarata sartuko baitute. Horrez gain, ondoko bi geruzak ondo uztartuta ez badaude, arrasto diferentzialak zaratari aurre egiteko gaitasuna murriztuko du, baina inguruko arrastoetatik distantzia egokia mantentzen baduzu, diafonia ez da arazorik. Maiztasun orokorretan (GHz azpitik), EMI ez da arazo larria izango. Esperimentuek frogatu dute arrasto diferentzial batetik 500 milseko distantziara irradiatutako energiaren atenuazioa 60 dB-ra iritsi dela 3 metroko distantziara, eta hori nahikoa da FCC erradiazio elektromagnetiko estandarra betetzeko, beraz, diseinatzaileak ez du gehiegi kezkatu behar. Linea diferentzial nahikoa akoplamendu ezak eragindako bateraezintasun elektromagnetikoari buruz.

3. Serpentine lerroa

Snake line Diseinuan sarritan erabiltzen den bideratze metodo mota bat da. Bere helburu nagusia atzerapena doitzea da, sistemaren denboraren diseinuaren eskakizunak betetzeko. Diseinatzaileak ulermen hau izan behar du lehenik: suge-lerroak seinalearen kalitatea suntsituko du, transmisio-atzerapena aldatuko du eta kableatzerakoan erabiltzen saihesten saiatuko da. Hala ere, benetako diseinuan, seinaleak eusteko denbora nahikoa duela ziurtatzeko edo seinale talde beraren arteko denbora-desplazamendua murrizteko, sarritan beharrezkoa da haria nahita haizea.

Beraz, zer eragin du suge-lerroak seinalearen transmisioan? Zertan jarri behar dut arreta kableatzerakoan? Bi parametro kritikoenak akoplamendu paraleloaren luzera (Lp) eta akoplamendu distantzia (S) dira, 1-8-21 irudian ikusten den bezala. Jakina, seinalea traza serpentinoan transmititzen denean, lerro paralelo-segmentuak modu diferentzial batean akoplatuko dira. Zenbat eta S txikiagoa eta Lp handiagoa, orduan eta akoplamendu maila handiagoa. Transmisio-atzerapena murriztea eragin dezake eta seinalearen kalitatea asko murrizten da diafoniaren ondorioz. Mekanismoak 3. kapituluan modu komunaren eta modu diferentzialaren gurutzaketaren analisiari erreferentzia egin diezaioke.

Honako hauek dira Diseinu-ingeniarientzako iradokizun batzuk suge-lerroak lantzean:

1. Saiatu zuzen-segmentu paraleloen distantzia (S) handitzen, gutxienez 3H baino handiagoa, H seinalearen arrastotik erreferentzia-planorako distantziari dagokio. Jendearen hitzetan, bihurgune handi bat inguratzea da. S aski handia den bitartean, elkarren arteko akoplamendu efektua ia erabat saihestu daiteke. 2. Murriztu akoplamenduaren luzera Lp. Lp atzerapen bikoitza seinalearen igoera denborara hurbiltzen edo gainditzen duenean, sortutako diafonia saturatzera iritsiko da. 3. Strip-Line edo Embedded Micro-strip-aren suge-lerroak eragindako seinalearen transmisio-atzerapena Mikro-striparena baino txikiagoa da. Teorian, striplineak ez du transmisio-tasa eragingo modu diferentzialaren diafonia dela eta. 4. Abiadura handiko seinale-lerroetarako eta denbora-baldintza zorrotzak dituztenentzat, saiatu suge-lerrorik ez erabiltzen, batez ere eremu txikietan. 5. Sarritan edozein angelutan erabil ditzakezu serpentina-arrastoak, hala nola, 1-8-20 irudiko C egitura, elkarrekiko akoplamendua modu eraginkorrean murrizteko. 6. Abiadura handiko PCB diseinuan, serpentina-lerroak ez du iragazketa edo interferentziaren aurkako gaitasunik deiturikoak, eta seinalearen kalitatea soilik murrizten du, beraz, denborarekin bat egiteko soilik erabiltzen da eta ez du beste helbururik. 7. Batzuetan espiral bideratzea har dezakezu bihurritzeko. Simulazioak erakusten du bere eragina suge-bideratze normala baino hobea dela.