چیدمان یکی از اساسی ترین مهارت های کاری است طراحی PCB مهندس The quality of wiring will directly affect the performance of the whole system, most of the high-speed design theory must be finally realized and verified by Layout, so it can be seen that wiring is crucial in high-speed PCB design. موارد زیر با توجه به سیم کشی واقعی ممکن است با برخی از موقعیت ها روبرو شود ، تجزیه و تحلیل عقلانیت آن را ارائه دهد و استراتژی مسیریابی بهینه تری ارائه دهد. Mainly from the right Angle line, difference line, snake line and so on three aspects to elaborate.

1. خط رفت مستطیلی

سیم کشی با زاویه راست به طور کلی برای جلوگیری از وضعیت سیم کشی مدار چاپی مورد نیاز است و تقریباً به یکی از استانداردهای اندازه گیری کیفیت سیم کشی تبدیل شده است ، بنابراین سیم کشی با زاویه راست چقدر روی انتقال سیگنال تأثیر می گذارد؟ در اصل ، سیم کشی با زاویه راست باعث تغییر عرض خط انتقال می شود و در نتیجه امپدانس قطع می شود. در حقیقت ، نه تنها خط راست زاویه ، تن زاویه ، خط زاویه حاد ممکن است باعث تغییرات امپدانس شود.

تأثیر تراز زاویه راست بر روی سیگنال عمدتا در سه جنبه منعکس می شود: اول ، گوشه می تواند معادل بار خازنی در خط انتقال باشد ، زمان افزایش را کند می کند. دوم ، ناپیوستگی امپدانس باعث بازتاب سیگنال می شود. سوم ، EMI توسط نوک زاویه راست ایجاد می شود.

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

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

In the above formula, C refers to the equivalent capacitance at the corner (pF), W refers to the width of the line (inch), ε R refers to the dielectric constant of the medium, and Z0 is the characteristic impedance of the transmission line. به عنوان مثال ، برای خط انتقال 4 میلی 50 4.3 اهم (εr 0.0101) ، ظرفیت یک زاویه راست حدود XNUMXpF است و تغییرات زمان افزایش را می توان تخمین زد:

T10-90٪ = 2.2* C* z0/2 = 2.2* 0.0101* 50/2 = 0.556ps

از محاسبه می توان دریافت که اثر خازنی که سیم کشی با زاویه راست ایجاد می کند بسیار کم است.

با افزایش عرض خط خط راست ، امپدانس در این نقطه کاهش می یابد ، بنابراین پدیده بازتاب سیگنال خاصی وجود خواهد داشت. ما می توانیم امپدانس معادل را پس از افزایش عرض خط با توجه به فرمول محاسبه امپدانس ذکر شده در قسمت خطوط انتقال محاسبه کرده و سپس ضریب انعکاس را با توجه به فرمول تجربی محاسبه کنیم: ρ = (Zs-Z0)/(Zs+Z0) ، سیم کشی عمودی با زاویه راست منجر به تغییر امپدانس بین 7 تا 20 درصد می شود ، بنابراین حداکثر ضریب انعکاس حدود 0.1 است. علاوه بر این ، همانطور که در شکل زیر مشاهده می شود ، امپدانس خط انتقال در طول خط W/2 به حداقل تغییر می کند و پس از W/2 زمان به امپدانس طبیعی برمی گردد. زمان کل تغییر امپدانس بسیار کوتاه است ، معمولاً در عرض 10 پیکسل. چنین تغییر سریع و کوچکی برای انتقال سیگنال عمومی تقریباً ناچیز است.

بسیاری از مردم چنین درکی از مسیریابی زاویه راست دارند و معتقدند که نوک به راحتی ساطع یا دریافت امواج الکترومغناطیسی و تولید EMI می کند ، که یکی از دلایلی است که بسیاری از مردم فکر می کنند مسیریابی با زاویه راست امکان پذیر نیست. با این حال ، بسیاری از نتایج آزمایش های عملی نشان می دهد که خط راست زاویه EMI زیادی نسبت به خط مستقیم تولید نمی کند. شاید عملکرد و سطح آزمایش کنونی دقت آزمایش را محدود کند ، اما حداقل نشان می دهد که تابش خط راست زاویه کمتر از خطای اندازه گیری خود دستگاه است. In general, right-angle alignment is not as terrible as it might seem. حداقل در برنامه های زیر گیگاهرتز ، هرگونه تأثیر مانند خازن ، بازتاب ، EMI و غیره تقریباً در آزمایشات TDR منعکس نمی شود. مهندس طراحی PCB با سرعت بالا باید روی طرح ، طراحی قدرت/زمین ، طراحی سیم کشی ، سوراخکاری و غیره تمرکز کند. اگرچه ، البته ، اثرات خط مستطیلی چندان جدی نیست ، اما این بدان معنا نیست که ما می توانیم از راست زاویه راه برویم ، توجه به جزئیات برای هر مهندس خوب یک ویژگی اساسی است و با توسعه سریع مدارهای دیجیتال ، مهندسان PCB فرکانس سیگنال را نیز بهبود می بخشند ، به بیش از 10 زمینه طراحی GHZ RF ، این زاویه های کوچک راست می توانند کانون مشکلات با سرعت بالا شوند.

2. تفاوت از

سیگنال DifferenTIal به طور گسترده ای در طراحی مدارهای با سرعت بالا استفاده می شود. مهمترین سیگنال در مدار طراحی سیگنال DifferenTIal است. How to ensure its good performance in PCB design? با در نظر گرفتن این دو س ،ال ، به قسمت بعدی بحث خود می پردازیم.

سیگنال دیفرانسیل چیست؟ به زبان انگلیسی ساده ، راننده دو سیگنال معادل و معکوس ارسال می کند و گیرنده تفاوت بین دو ولتاژ را مقایسه می کند تا تعیین کند که آیا حالت منطقی “0” یا “1” است. به جفت سیم حامل سیگنال های دیفرانسیل ، سیم دیفرانسیل می گویند.

در مقایسه با مسیریابی سیگنال تک انتهای معمولی ، سیگنال دیفرانسیل از سه جنبه زیر واضح ترین مزایا را دارد:

A. توانایی ضد تداخل قوی ، زیرا اتصال بین دو خط دیفرانسیل بسیار خوب است ، هنگامی که تداخل نویز وجود دارد ، آنها تقریباً همزمان به دو خط متصل می شوند و گیرنده فقط به تفاوت بین دو سیگنال اهمیت می دهد ، بنابراین نویز حالت معمولی خارجی می تواند به طور کامل لغو شود.

ب. می تواند به طور موثر EMI را سرکوب کند. به طور مشابه ، از آنجا که دو سیگنال دارای قطب مخالف هستند ، میدان الکترومغناطیسی که توسط آنها تابش می شود می تواند یکدیگر را لغو کند. هرچه جفت شدن نزدیکتر باشد ، انرژی الکترومغناطیسی کمتری به جهان خارج می شود.

ج- موقعیت یابی زمان دقیق است. از آنجا که تغییر سوئیچ سیگنال های دیفرانسیل در تقاطع دو سیگنال قرار دارد ، برخلاف سیگنال های معمولی تک انتهایی که توسط ولتاژهای آستانه بالا و پایین قضاوت می شوند ، کمتر تحت تأثیر فرایند و دما قرار می گیرد ، که می تواند خطاهای زمان بندی را کاهش دهد و مناسب تر است. برای مدارهایی با سیگنالهای دامنه کم LVDS (سیگنالینگ ولتاژ پایین) به این فناوری سیگنال دیفرانسیل دامنه کوچک اشاره دارد.

برای مهندسان PCB ، مهمترین دغدغه این است که چگونه اطمینان حاصل شود که این مزایای مسیریابی دیفرانسیل می تواند به طور کامل در مسیریابی واقعی مورد استفاده قرار گیرد. شاید تا زمانی که با Layout تماس داشته باشد ، مردم شرایط عمومی مسیریابی دیفرانسیل را درک کنند ، یعنی “طول مساوی ، مساوی مساوی”. Isometric is to ensure that the two differential signals always maintain opposite polarity, reduce the common mode component; ایزومتریک عمدتا برای اطمینان از امپدانس دیفرانسیل مشابه ، کاهش بازتاب است. “تا حد ممکن” گاهی اوقات یکی از الزامات مسیریابی دیفرانسیل است. But none of these rules are meant to be applied mechanically, and many engineers do not seem to understand the nature of high-speed differential signalling. موارد زیر بر چندین اشتباه رایج در طراحی سیگنال دیفرانسیل PCB تمرکز دارد.

تصور غلط 1: سیگنالهای دیفرانسیل نیازی به صفحه زمین به عنوان مسیر برگشت ندارند ، یا فکر می کنند که خطوط افتراقی مسیر برگشت را برای یکدیگر فراهم می کنند. علت این سوء تفاهم با پدیده سطحی اشتباه گرفته می شود ، یا مکانیسم انتقال سیگنال با سرعت بالا به اندازه کافی عمیق نیست. همانطور که از ساختار انتهای دریافت کننده در شکل مشخص است. 1-8-15 ، جریانهای ساطع کننده ترانزیستورهای Q3 و Q4 معادل و مخالف هستند و جریان آنها در محل اتصال دقیقاً یکدیگر را لغو می کند (I1 = 0). بنابراین ، مدار دیفرانسیل نسبت به نمونه های مشابه زمینی و سایر سیگنالهای نویز که ممکن است در منبع تغذیه و سطح زمین وجود داشته باشد ، حساس نیست. لغو بخشی از جریان برگشتی سطح زمین به این معنا نیست که مدار دیفرانسیل صفحه مرجع را به عنوان مسیر بازگشت سیگنال در نظر نمی گیرد. در واقع ، در تجزیه و تحلیل جریان برگشتی سیگنال ، مکانیسم مسیریابی دیفرانسیل مشابه مسیریابی تک سر معمولی است ، یعنی بالا

سیگنال فرکانس همیشه در امتداد مدار با کوچکترین القاء جریان می یابد. بزرگترین تفاوت در این است که خط تفاوت نه تنها دارای اتصال به زمین است ، بلکه دارای اتصال بین یکدیگر است. اتصال قوی به مسیر برگشت اصلی تبدیل می شود.

در طراحی مدار PCB ، اتصال بین سیم کشی دیفرانسیل به طور کلی کوچک است ، معمولاً فقط 10 ~ 20 of از درجه اتصال را شامل می شود و بیشتر اتصال به زمین است ، بنابراین مسیر اصلی برگشت جریان سیم کشی دیفرانسیل هنوز در زمین وجود دارد. سطح. در صورت ناپیوستگی در صفحه محلی ، جفت شدن بین مسیرهای دیفرانسیل ، همانطور که در شکل نشان داده شده است ، مسیر برگشت برگشتی اصلی را در منطقه بدون صفحه مرجع فراهم می کند. 1-8-17. Although the impact of the discontinuity of the reference plane on differential wiring is not as serious as that of ordinary single-end wiring, it will still reduce the quality of differential signal and increase EMI, which should be avoided as far as possible. برخی از طراحان معتقدند که سطح مرجع خط انتقال دیفرانسیل را می توان برای سرکوب بخشی از سیگنال حالت مشترک در انتقال دیفرانسیل حذف کرد ، اما از لحاظ نظری این روش مطلوب نیست. چگونه می توان امپدانس را کنترل کرد؟ بدون ارائه حلقه امپدانس زمین برای سیگنال حالت معمولی ، تشعشع EMI احتمالاً ایجاد می شود ، که بیشتر از فایده آن ضرر دارد.

افسانه 2: حفظ فاصله مساوی مهمتر از مطابقت طول خط است. در سیم کشی PCB واقعی ، اغلب نمی تواند الزامات طراحی دیفرانسیل را برآورده کند. با توجه به توزیع پین ها ، سوراخ ها و فضای سیم کشی و عوامل دیگر ، لازم است به هدف مطابقت طول خط از طریق سیم پیچ مناسب برسیم ، اما نتیجه این است که ناگزیر بخشی از جفت اختلاف نمی تواند موازی باشد ، در حال حاضر ، چگونه انتخاب کنم؟ قبل از اینکه به نتیجه برسیم ، بیایید به نتایج شبیه سازی زیر نگاهی بیندازیم. از نتایج شبیه سازی فوق می توان دریافت که شکل موج طرح 1 و طرح 2 تقریباً منطبق است ، یعنی تأثیر فاصله نابرابر حداقل است و تأثیر عدم تطابق طول خط بر ترتیب زمان بندی بسیار بیشتر است (طرح 3) به از منظر تجزیه و تحلیل نظری ، اگرچه فاصله ناسازگار منجر به تغییرات امپدانس تفاوت می شود ، اما چون جفت بین خود جفت تفاوت معنی دار نیست ، بنابراین دامنه تغییرات امپدانس نیز بسیار کوچک است ، معمولاً در حدود 10، ، فقط معادل به بازتاب ناشی از یک سوراخ ، که تأثیر قابل توجهی بر انتقال سیگنال نخواهد داشت. پس از عدم تطابق طول خط ، علاوه بر جبران توالی زمان ، اجزای حالت مشترک به سیگنال دیفرانسیل وارد می شوند که باعث کاهش کیفیت سیگنال و افزایش EMI می شود.

می توان گفت که مهمترین قاعده در طراحی سیم کشی دیفرانسیل مطابقت با طول خط است و سایر قوانین را می توان با توجه به الزامات طراحی و کاربردهای عملی انعطاف پذیر اداره کرد.

تصور نادرست سوم: فکر کنید خط تفاوت باید به نزدیکی متکی باشد. نزدیک نگه داشتن خطوط اختلاف در کنار هم ، چیزی نیست جز افزایش اتصال آنها ، هم برای افزایش ایمنی در برابر سر و صدا و هم از مزیت قطب مخالف میدان مغناطیسی برای لغو تداخل الکترومغناطیسی از جهان خارج. اگرچه این روش در بیشتر موارد بسیار مطلوب است ، اما مطلق نیست. اگر بتوان آنها را به طور کامل در برابر تداخل خارجی محافظت کرد ، دیگر نیازی به دستیابی به هدف ضد تداخل و سرکوب EMI از طریق اتصال قوی با یکدیگر نداریم. چگونه می توان اطمینان حاصل کرد که مسیریابی دیفرانسیل دارای انزوا و محافظ خوبی است؟ افزایش فاصله بین خطوط و سایر سیگنالها یکی از اساسی ترین روش ها است. انرژی میدان الکترومغناطیسی با رابطه مربع فاصله کاهش می یابد. به طور کلی ، هنگامی که فاصله بین خطوط بیش از 4 برابر عرض خط باشد ، تداخل بین آنها بسیار ضعیف است و اساساً می توان نادیده گرفت. علاوه بر این ، جداسازی از طریق سطح زمین نیز می تواند اثر محافظتی خوبی را ارائه دهد. این ساختار اغلب در طرح های PCB بسته بندی شده با فرکانس بالا (بالای 10G) IC ، معروف به ساختار CPW ، برای اطمینان از کنترل امپدانس دیفرانسیل دقیق (2Z0) استفاده می شود. 1-8-19.

مسیریابی دیفرانسیل نیز می تواند در لایه های مختلف سیگنال انجام شود ، اما این به طور کلی توصیه نمی شود ، زیرا تفاوت هایی مانند امپدانس و سوراخ های لایه های مختلف می توانند اثر انتقال حالت دیفرانسیل را از بین ببرند و نویز حالت مشترک را وارد کنند. علاوه بر این ، اگر دو لایه مجاور به هم متصل نباشند ، توانایی مسیریابی دیفرانسیل برای مقاومت در برابر سر و صدا کاهش می یابد ، اما اگر فاصله مناسب با مسیریابی اطراف حفظ شود ، متقاطع مشکلی ایجاد نمی کند. در فرکانس کلی (زیر GHz) ، EMI مشکل جدی نخواهد بود. آزمایشات نشان می دهد که تضعیف انرژی تابشی خطوط دیفرانسیل با فاصله 500 میلی متر بیش از 3 متر به 60 دسی بل رسیده است که برای برآوردن استاندارد تابش ELECTROMAGNETIC FCC کافی است. بنابراین ، طراحان نیازی به نگرانی زیاد در مورد ناسازگاری الکترومغناطیسی ناشی از اتصال ناکافی خطوط دیفرانسیل ندارند.

3. سرپانتین

A serpentine line is often used in Layout. هدف اصلی آن تنظیم تاخیر زمانی و برآوردن الزامات طراحی زمان بندی سیستم است. طراحان ابتدا باید درک کنند که سیم مارپیچ کیفیت سیگنال را از بین می برد ، تاخیر انتقال را تغییر می دهد و هنگام سیم کشی باید از آن اجتناب کرد. با این حال ، در طراحی عملی ، به منظور اطمینان از زمان کافی برای نگه داشتن سیگنال ها ، یا کاهش زمان جابجایی بین همان گروه از سیگنال ها ، سیم پیچ باید عمداً انجام شود.

So what does the serpentine do to signal transmission? هنگام پیاده روی در خط به چه نکاتی توجه کنم؟ دو پارامتر بسیار مهم عبارتند از طول اتصال موازی (Lp) و فاصله اتصال (S) ، همانطور که در شکل نشان داده شده است. 1-8-21. بدیهی است ، هنگامی که سیگنال در خط سرپانتین منتقل می شود ، بین قطعات خط موازی به شکل حالت تفاوت جفت گیری می شود. هرچه S کوچکتر باشد ، Lp بزرگتر است و درجه اتصال بیشتر خواهد بود. این امر ممکن است منجر به کاهش تأخیرهای انتقال و کاهش قابل توجه در کیفیت سیگنال به دلیل برخورد متقاطع شود ، همانطور که در فصل 3 برای تجزیه و تحلیل حالت متداول و حالت دیفرانسیل توضیح داده شده است.

در اینجا نکاتی برای مهندسان Layout هنگام برخورد با سرپانتین وجود دارد:

1. سعی کنید فاصله (S) بخش خط موازی را که حداقل از 3H بیشتر است افزایش دهید. H به فاصله خط سیگنال تا صفحه مرجع اشاره دارد. به طور کلی ، این یک منحنی بزرگ است. تا زمانی که S به اندازه کافی بزرگ باشد ، می توان از اثر اتصال به طور کامل اجتناب کرد.

2. هنگامی که طول جفت Lp کاهش می یابد ، زمانی که تاخیر Lp دو بار به زمان افزایش سیگنال نزدیک می شود یا از آن فراتر می رود ، تقاطع ایجاد شده به اشباع می رسد.

3. تأخیر انتقال سیگنال ناشی از خط مار مانند نوار یا میکرو نوار جاسازی شده کوچکتر از میکرو نوار است. به لحاظ نظری ، خط روبان به دلیل تداخل حالت دیفرانسیل بر سرعت انتقال تأثیر نمی گذارد.

4. برای خطوط با سرعت بالا و سیگنال با الزامات دقیق در زمان بندی ، سعی کنید از خطوط مارپیچ به خصوص در یک منطقه کوچک پیاده روی نکنید.

5. مسیریابی مار در هر زاویه ای را می توان اغلب پذیرفت. ساختار C در شکل. 1-8-20 می تواند به طور مثر اتصال بین یکدیگر را کاهش دهد.

6. در طراحی PCB با سرعت بالا ، سرپانتین به اصطلاح قابلیت فیلتر یا ضد تداخل را ندارد و فقط می تواند کیفیت سیگنال را کاهش دهد ، بنابراین فقط برای تطبیق زمان بندی و هیچ هدف دیگری استفاده می شود.

7. گاهی اوقات سیم پیچ مارپیچی را می توان در نظر گرفت. شبیه سازی نشان می دهد که اثر آن بهتر از سیم پیچ معمولی مارپیچ است.