Layout یکی از اساسی ترین مهارت های شغلی برای مهندسان طراحی PCB است. کیفیت سیم کشی به طور مستقیم بر عملکرد کل سیستم تأثیر می گذارد. اکثر تئوری های طراحی با سرعت بالا باید در نهایت از طریق Layout پیاده سازی و تأیید شوند. مشاهده می شود که سیم کشی در آن بسیار مهم است PCB پرسرعت طرح. در ادامه، منطقی بودن برخی از موقعیت‌هایی که ممکن است در سیم‌کشی واقعی با آن‌ها مواجه شوند، تحلیل می‌کنند و برخی استراتژی‌های مسیریابی بهینه‌تر را ارائه می‌دهند.

به طور عمده از سه جنبه توضیح داده می شود: سیم کشی با زاویه راست، سیم کشی دیفرانسیل و سیم کشی سرپانتین.

1. مسیریابی با زاویه راست

سیم کشی با زاویه راست عموماً وضعیتی است که باید تا حد امکان در سیم کشی PCB از آن اجتناب کرد و تقریباً به یکی از استانداردهای سنجش کیفیت سیم کشی تبدیل شده است. بنابراین سیم کشی با زاویه راست چقدر بر انتقال سیگنال تأثیر خواهد داشت؟ در اصل، مسیریابی با زاویه راست، عرض خط خط انتقال را تغییر می‌دهد و باعث ناپیوستگی امپدانس می‌شود. در واقع، نه تنها مسیریابی با زاویه قائمه، بلکه مسیریابی گوشه ها و زاویه حاد نیز ممکن است باعث تغییر امپدانس شود.

تأثیر مسیریابی زاویه راست بر سیگنال عمدتاً در سه جنبه منعکس می شود:

یکی این است که گوشه می تواند معادل بار خازنی روی خط انتقال باشد که زمان افزایش را کاهش می دهد. دوم این است که ناپیوستگی امپدانس باعث انعکاس سیگنال می شود. سوم EMI تولید شده توسط نوک زاویه راست است.

ظرفیت انگلی ناشی از زاویه راست خط انتقال را می توان با فرمول تجربی زیر محاسبه کرد:

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

در فرمول فوق، C به ظرفیت معادل گوشه (واحد: pF)، W به عرض ردیابی (واحد: اینچ)، εr به ثابت دی الکتریک محیط اشاره دارد، و Z0 به امپدانس مشخصه اشاره دارد. از خط انتقال به عنوان مثال، برای یک خط انتقال 4Mils 50 اهم (εr برابر 4.3 است)، ظرفیت خازنی ایجاد شده توسط زاویه قائم حدود 0.0101 pF است، و سپس تغییر زمان افزایش ناشی از آن را می توان تخمین زد:

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

از طریق محاسبات می توان دریافت که اثر خازنی که توسط ردیاب زاویه راست ایجاد می شود بسیار کوچک است.

با افزایش عرض خط رد پای زاویه راست، امپدانس در آنجا کاهش می یابد، بنابراین یک پدیده انعکاس سیگنال خاص رخ می دهد. می توانیم امپدانس معادل را پس از افزایش عرض خط با توجه به فرمول محاسبه امپدانس ذکر شده در فصل خط انتقال محاسبه کنیم و سپس ضریب بازتاب را طبق فرمول تجربی محاسبه کنیم:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

به طور کلی، تغییر امپدانس ناشی از سیم کشی با زاویه راست بین 7٪ – 20٪ است، بنابراین حداکثر ضریب بازتاب حدود 0.1 است. علاوه بر این، همانطور که از شکل زیر مشاهده می شود، امپدانس خط انتقال در طول خط W/2 به حداقل می رسد و پس از زمان W/2 به امپدانس نرمال باز می گردد. کل زمان تغییر امپدانس بسیار کوتاه است، اغلب در 10 ثانیه. در داخل، چنین تغییرات سریع و کوچکی برای انتقال سیگنال عمومی تقریباً ناچیز است.

بسیاری از مردم این درک را از سیم کشی با زاویه راست دارند. آنها فکر می کنند که نوک به راحتی می تواند امواج الکترومغناطیسی را ارسال یا دریافت کند و EMI تولید کند. این یکی از دلایلی است که بسیاری از مردم فکر می کنند سیم کشی با زاویه قائمه نمی تواند مسیریابی شود. با این حال، بسیاری از نتایج آزمایش واقعی نشان می‌دهند که ردپای راست‌زاویه نسبت به خطوط مستقیم، EMI آشکاری ایجاد نمی‌کند. شاید عملکرد فعلی ابزار و سطح تست دقت تست را محدود کند، اما حداقل یک مشکل را نشان می دهد. تابش سیم کشی زاویه راست در حال حاضر کمتر از خطای اندازه گیری خود ابزار است.

به طور کلی، مسیریابی با زاویه راست آنقدرها که تصور می شود وحشتناک نیست. حداقل در برنامه های زیر گیگاهرتز، هر گونه اثراتی مانند ظرفیت خازنی، بازتاب، EMI و غیره به سختی در تست TDR منعکس می شود. مهندسان طراحی PCB با سرعت بالا هنوز باید بر روی چیدمان، طراحی قدرت/زمین و طراحی سیم کشی تمرکز کنند. از طریق سوراخ ها و جنبه های دیگر. البته اگر چه تاثیر سیم کشی با زاویه راست زیاد جدی نیست، اما به این معنی نیست که همه ما می توانیم در آینده از سیم کشی با زاویه راست استفاده کنیم. توجه به جزئیات کیفیت اساسی است که هر مهندس خوب باید داشته باشد. علاوه بر این، با توسعه سریع مدارهای دیجیتال، PCB فرکانس سیگنال پردازش شده توسط مهندسان همچنان افزایش خواهد یافت. در زمینه طراحی RF بالای 10 گیگاهرتز، این زوایای راست کوچک ممکن است کانون مشکلات سرعت بالا باشد.

2. مسیریابی دیفرانسیل

سیگنال دیفرانسیل (DifferentialSignal) بیشتر و بیشتر در طراحی مدارهای پرسرعت استفاده می شود. بحرانی ترین سیگنال در مدار اغلب با ساختار دیفرانسیل طراحی می شود. چه چیزی باعث محبوبیت آن شده است؟ چگونه از عملکرد خوب آن در طراحی PCB اطمینان حاصل کنیم؟ با این دو سوال وارد قسمت بعدی بحث می شویم.

سیگنال دیفرانسیل چیست؟ به زبان ساده، انتهای محرکه دو سیگنال مساوی و معکوس ارسال می کند، و انتهای گیرنده با مقایسه تفاوت بین دو ولتاژ، حالت منطقی “0” یا “1” را قضاوت می کند. جفت ردیابی حامل سیگنال های دیفرانسیل، ردیابی دیفرانسیل نامیده می شود.

سیگنال‌های دیفرانسیل در مقایسه با ردیابی سیگنال‌های یک‌سر معمولی، بارزترین مزیت‌ها را در سه جنبه زیر دارند:

آ. توانایی ضد تداخل قوی، زیرا جفت شدن بین دو رد دیفرانسیل بسیار خوب است. هنگامی که تداخل نویز از بیرون وجود دارد، آنها تقریباً همزمان به دو خط کوپل می شوند و گیرنده فقط به تفاوت بین دو سیگنال اهمیت می دهد. بنابراین، نویز حالت مشترک خارجی را می توان به طور کامل لغو کرد. ب می تواند به طور موثر EMI را سرکوب کند. به همین دلیل، به دلیل قطبیت مخالف دو سیگنال، میدان های الکترومغناطیسی تابش شده توسط آنها می توانند یکدیگر را خنثی کنند. هرچه اتصال محکم تر باشد، انرژی الکترومغناطیسی کمتری به دنیای خارج تخلیه می شود. ج مکان یابی زمان بندی دقیق است. از آنجایی که تغییر سوئیچ سیگنال دیفرانسیل در تقاطع دو سیگنال قرار دارد، بر خلاف سیگنال یک سر معمولی که تعیین آن به ولتاژ آستانه بالا و پایین بستگی دارد، کمتر تحت تاثیر فرآیند و دما قرار می گیرد که می تواند خطا در زمان بندی را کاهش دهید. ، اما همچنین برای مدارهای سیگنال با دامنه کم مناسب تر است. LVDS محبوب فعلی (سیگنالینگ دیفرانسیل کم ولتاژ) به این فناوری سیگنال دیفرانسیل با دامنه کوچک اشاره دارد.

برای مهندسان PCB، بیشترین نگرانی این است که چگونه اطمینان حاصل شود که این مزایای سیم کشی دیفرانسیل می تواند به طور کامل در سیم کشی واقعی مورد استفاده قرار گیرد. شاید هر کسی که با Layout در تماس بوده است، الزامات کلی سیم کشی دیفرانسیل را درک کند، یعنی “طول مساوی و مسافت مساوی”. طول مساوی برای اطمینان از این است که دو سیگنال دیفرانسیل همیشه قطب های مخالف را حفظ می کنند و جزء حالت مشترک را کاهش می دهند. فاصله مساوی عمدتاً برای اطمینان از سازگاری امپدانس های دیفرانسیل این دو و کاهش بازتاب است. “تا حد امکان نزدیک” گاهی اوقات یکی از الزامات سیم کشی دیفرانسیل است. اما همه این قوانین برای اعمال مکانیکی مورد استفاده قرار نمی گیرند و به نظر می رسد بسیاری از مهندسان هنوز ماهیت انتقال سیگنال دیفرانسیل با سرعت بالا را درک نکرده اند.

موارد زیر بر چندین سوء تفاهم رایج در طراحی سیگنال دیفرانسیل PCB تمرکز دارد.

سوء تفاهم 1: اعتقاد بر این است که سیگنال دیفرانسیل به عنوان مسیر برگشت نیازی به صفحه زمین ندارد یا ردهای دیفرانسیل مسیر بازگشت را برای یکدیگر فراهم می کنند. دلیل این سوء تفاهم این است که آنها توسط پدیده های سطحی گیج می شوند یا مکانیسم انتقال سیگنال با سرعت بالا به اندازه کافی عمیق نیست. از ساختار انتهای گیرنده شکل 1-8-15 می توان دریافت که جریان های امیتر ترانزیستورهای Q3 و Q4 برابر و مخالف هستند و جریان آنها در زمین دقیقاً یکدیگر را خنثی می کنند (I1=0). مدار دیفرانسیل است جهش های مشابه و سایر سیگنال های نویز که ممکن است در صفحات قدرت و زمین وجود داشته باشد غیر حساس هستند. لغو بازگشت جزئی صفحه زمین به این معنی نیست که مدار دیفرانسیل از صفحه مرجع به عنوان مسیر بازگشت سیگنال استفاده نمی کند. در واقع در تحلیل برگشت سیگنال، مکانیسم سیم کشی دیفرانسیل و سیم کشی معمولی تک سر یکسان است، یعنی سیگنال های فرکانس بالا همیشه در طول حلقه با کمترین اندوکتانس Reflow هستند، بزرگترین تفاوت این است که علاوه بر کوپلینگ به زمین، خط دیفرانسیل نیز دارای جفت متقابل است. کدام نوع جفت قوی است، کدام یک مسیر بازگشت اصلی می شود. شکل 1-8-16 یک نمودار شماتیک از توزیع میدان ژئومغناطیسی سیگنال های تک سر و سیگنال های دیفرانسیل است.

در طراحی مدار مدار چاپی، جفت بین ردپای دیفرانسیل معمولاً کوچک است، اغلب فقط 10 تا 20 درصد از درجه کوپلینگ را تشکیل می دهد و بیشتر کوپلینگ به زمین است، بنابراین مسیر برگشت اصلی رد دیفرانسیل هنوز روی زمین وجود دارد. سطح . همانطور که در شکل 1-8-17 نشان داده شده است، هنگامی که صفحه زمین ناپیوسته است، جفت شدن بین ردپای دیفرانسیل، مسیر بازگشت اصلی را در ناحیه بدون صفحه مرجع فراهم می کند. اگرچه تأثیر ناپیوستگی صفحه مرجع بر روی ردیابی دیفرانسیل به اندازه ردیابی تک سر معمولی جدی نیست، اما همچنان کیفیت سیگنال دیفرانسیل را کاهش می دهد و EMI را افزایش می دهد، که باید تا حد امکان از آن اجتناب شود. . برخی از طراحان معتقدند که صفحه مرجع زیر رد دیفرانسیل را می توان برای سرکوب برخی سیگنال های حالت رایج در انتقال دیفرانسیل حذف کرد. با این حال، این رویکرد در تئوری مطلوب نیست. چگونه امپدانس را کنترل کنیم؟ عدم ارائه یک حلقه امپدانس زمین برای سیگنال حالت مشترک به ناچار باعث تشعشع EMI می شود. این رویکرد بیشتر از اینکه مفید باشد ضرر دارد.

سوء تفاهم 2: اعتقاد بر این است که حفظ فاصله مساوی مهمتر از تطبیق طول خط است. در چیدمان PCB واقعی، اغلب نمی توان الزامات طراحی دیفرانسیل را به طور همزمان برآورده کرد. به دلیل وجود توزیع پین، vias و فضای سیم کشی، هدف از تطبیق طول خط باید از طریق سیم پیچی مناسب حاصل شود، اما نتیجه باید این باشد که برخی از مناطق جفت دیفرانسیل نمی توانند موازی باشند. در این زمان باید چه کار کنیم؟ کدام انتخاب؟ قبل از نتیجه گیری، بیایید نگاهی به نتایج شبیه سازی زیر بیاندازیم.

از نتایج شبیه سازی فوق، می توان دریافت که شکل موج های طرح 1 و طرح 2 تقریباً منطبق هستند، به این معنا که تأثیر ناشی از فاصله نابرابر حداقل است. در مقایسه، تأثیر عدم تطابق طول خط بر زمان‌بندی بسیار بیشتر است. (طرح 3). از تحلیل نظری، اگرچه فاصله ناسازگار باعث تغییر امپدانس دیفرانسیل می شود، زیرا جفت بین جفت دیفرانسیل به خودی خود قابل توجه نیست، محدوده تغییر امپدانس نیز بسیار کوچک است، معمولاً در 10٪، که تنها معادل یک پاس است. . انعکاس ایجاد شده توسط سوراخ تاثیر قابل توجهی در انتقال سیگنال نخواهد داشت. هنگامی که طول خط مطابقت نداشته باشد، علاوه بر افست زمان، اجزای حالت مشترک به سیگنال دیفرانسیل وارد می شوند که کیفیت سیگنال را کاهش می دهد و EMI را افزایش می دهد.

می توان گفت که مهم ترین قانون در طراحی ردهای دیفرانسیل PCB، طول خط تطبیق است و سایر قوانین را می توان با توجه به الزامات طراحی و کاربردهای عملی به صورت انعطاف پذیر انجام داد.

سوء تفاهم 3: فکر کنید که سیم کشی دیفرانسیل باید خیلی نزدیک باشد. نزدیک نگه داشتن ردهای دیفرانسیل چیزی نیست جز تقویت اتصال آنها، که نه تنها می تواند ایمنی در برابر نویز را بهبود بخشد، بلکه از قطبیت مخالف میدان مغناطیسی برای خنثی کردن تداخل الکترومغناطیسی در جهان خارج نیز استفاده کامل می کند. اگرچه این رویکرد در بیشتر موارد بسیار سودمند است، اما مطلق نیست. اگر بتوانیم اطمینان حاصل کنیم که آنها به طور کامل در برابر تداخل خارجی محافظت می شوند، دیگر نیازی به استفاده از کوپلینگ قوی برای دستیابی به ضد تداخل نداریم. و هدف از سرکوب EMI. چگونه می‌توانیم از ایزوله‌سازی و محافظت خوب از آثار دیفرانسیل اطمینان حاصل کنیم؟ افزایش فاصله با ردیابی سیگنال های دیگر یکی از اساسی ترین راه ها است. انرژی میدان الکترومغناطیسی با مجذور فاصله کاهش می یابد. به طور کلی، زمانی که فاصله خطوط از 4 برابر عرض خطوط بیشتر شود، تداخل بین آنها بسیار ضعیف است. می توان نادیده گرفت. علاوه بر این، ایزوله کردن توسط صفحه زمین نیز می تواند نقش محافظ خوبی داشته باشد. این ساختار اغلب در طراحی PCB بسته IC با فرکانس بالا (بالاتر از 10G) استفاده می شود. این ساختار CPW نامیده می شود که می تواند امپدانس دیفرانسیل دقیق را تضمین کند. کنترل (2Z0)، همانطور که در شکل 1-8-19 نشان داده شده است.

ردیابی دیفرانسیل نیز می تواند در لایه های سیگنال مختلف اجرا شود، اما این روش به طور کلی توصیه نمی شود، زیرا تفاوت امپدانس و vias تولید شده توسط لایه های مختلف، اثر انتقال حالت دیفرانسیل را از بین می برد و نویز حالت مشترک را ایجاد می کند. علاوه بر این، اگر دو لایه مجاور به طور محکم به هم متصل نباشند، توانایی رد دیفرانسیل در برابر نویز را کاهش می دهد، اما اگر بتوانید فاصله مناسبی با ردهای اطراف حفظ کنید، تداخل مشکلی ایجاد نمی کند. در فرکانس های عمومی (زیر گیگاهرتز)، EMI مشکل جدی نخواهد بود. آزمایشات نشان داده است که تضعیف انرژی تابیده شده در فاصله 500 مایل از یک رد دیفرانسیل به 60 دسی بل در فاصله 3 متری رسیده است که برای مطابقت با استاندارد تابش الکترومغناطیسی FCC کافی است، بنابراین طراح نیازی به نگرانی ندارد. بیشتر در مورد ناسازگاری الکترومغناطیسی ناشی از کوپلینگ ناکافی خط دیفرانسیل است.

3. خط سرپانتین

Snake line نوعی روش مسیریابی است که اغلب در Layout استفاده می شود. هدف اصلی آن تنظیم تاخیر برای برآوردن الزامات طراحی زمان بندی سیستم است. طراح ابتدا باید این درک را داشته باشد: خط سرپانتین کیفیت سیگنال را از بین می برد، تاخیر انتقال را تغییر می دهد و سعی می کند از استفاده از آن هنگام سیم کشی خودداری کند. با این حال، در طراحی واقعی، به منظور اطمینان از اینکه سیگنال دارای زمان نگهداری کافی است، یا برای کاهش زمان جابجایی بین همان گروه از سیگنال‌ها، اغلب لازم است که به عمد سیم را بپیچید.

بنابراین، خط سرپانتین چه تأثیری بر انتقال سیگنال دارد؟ هنگام سیم کشی باید به چه نکاتی توجه کنم؟ دو پارامتر حیاتی عبارتند از طول جفت موازی (Lp) و فاصله جفت (S)، همانطور که در شکل 1-8-21 نشان داده شده است. بدیهی است هنگامی که سیگنال بر روی ردپای مارپیچ مخابره می شود، بخش های خط موازی در حالت دیفرانسیل جفت می شوند. هر چه S کوچکتر و Lp بزرگتر باشد، درجه جفت شدن بیشتر است. ممکن است باعث کاهش تأخیر انتقال شود و کیفیت سیگنال به دلیل تداخل تا حد زیادی کاهش یابد. مکانیسم می تواند به تجزیه و تحلیل حالت مشترک و حالت متقابل حالت دیفرانسیل در فصل 3 اشاره کند.

در زیر چند پیشنهاد برای مهندسین Layout در برخورد با خطوط سرپانتین آورده شده است:

1. سعی کنید فاصله (S) پاره خط موازی را افزایش دهید، حداقل بیشتر از 3H، H به فاصله ردیابی سیگنال تا صفحه مرجع اشاره دارد. به زبان عامیانه، دور زدن یک پیچ بزرگ است. تا زمانی که S به اندازه کافی بزرگ باشد، می توان از اثر جفت متقابل تقریباً به طور کامل اجتناب کرد. 2. طول جفت Lp را کاهش دهید. هنگامی که تاخیر دو برابر Lp به زمان افزایش سیگنال نزدیک شود یا از آن بیشتر شود، تداخل ایجاد شده به اشباع می رسد. 3. تأخیر انتقال سیگنال ناشی از خط سرپانتین نوار استریپ لاین یا میکرو نوار جاسازی شده کمتر از میکرو نوار است. در تئوری، خط نواری به دلیل تداخل حالت دیفرانسیل، بر نرخ انتقال تأثیر نخواهد گذاشت. 4. برای خطوط سیگنال با سرعت بالا و آنهایی که الزامات زمانبندی دقیقی دارند، سعی کنید از خطوط سرپانتین به خصوص در مناطق کوچک استفاده نکنید. 5. شما اغلب می توانید از ردپای سرپانتین در هر زاویه ای استفاده کنید، مانند ساختار C در شکل 1-8-20، که می تواند به طور موثر جفت شدن متقابل را کاهش دهد. 6. در طراحی PCB پرسرعت خط سرپانتین به اصطلاح قابلیت فیلترینگ یا ضد تداخل را ندارد و فقط می تواند کیفیت سیگنال را کاهش دهد بنابراین فقط برای تطبیق زمان استفاده می شود و هدف دیگری ندارد. 7. گاهی اوقات می توانید مسیر مارپیچی را برای سیم پیچی در نظر بگیرید. شبیه سازی نشان می دهد که اثر آن بهتر از مسیریابی معمولی سرپانتین است.