Asettelu on yksi PCB-suunnittelijoiden perustyötaidoista. Johtojen laatu vaikuttaa suoraan koko järjestelmän suorituskykyyn. Useimmat nopeat suunnitteluteoriat on lopultakin otettava käyttöön ja tarkistettava Layoutin kautta. Voidaan nähdä, että johdotus on erittäin tärkeä nopea PCB design. Seuraavassa analysoidaan joidenkin tilanteiden rationaalisuutta, joita voi kohdata todellisessa johdotuksessa, ja annetaan joitain optimoituja reititysstrategioita.

Se selitetään pääasiassa kolmesta näkökulmasta: suorakulmainen johdotus, differentiaalijohdotus ja serpentiinijohdotus.

1. Suorakulmareititys

Suorakulmainen johdotus on yleensä tilanne, jota on vältettävä mahdollisimman paljon piirilevyjohdotuksessa, ja siitä on tullut melkein yksi johdotuksen laadun mittausstandardeista. Joten kuinka paljon suorakulmaisilla johdotuksilla on vaikutusta signaalin siirtoon? Periaatteessa suorakulmainen reititys muuttaa siirtojohdon linjan leveyttä, mikä aiheuttaa epäjatkuvuuden impedanssissa. Itse asiassa, ei vain suorakulmainen reititys, vaan myös kulmat ja teräväkulmainen reititys voivat aiheuttaa impedanssin muutoksia.

Suorakulmaisen reitityksen vaikutus signaaliin heijastuu pääasiassa kolmella tavalla:

Yksi on, että kulma voi olla yhtä suuri kuin siirtojohdon kapasitiivista kuormitusta, mikä hidastaa nousuaikaa; toinen on, että impedanssin epäjatkuvuus aiheuttaa signaalin heijastuksen; kolmas on suorakulmaisen kärjen luoma EMI.

Siirtojohdon oikean kulman aiheuttama loiskapasitanssi voidaan laskea seuraavalla empiirisellä kaavalla:

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

Yllä olevassa kaavassa C viittaa kulman ekvivalenttiseen kapasitanssiin (yksikkö: pF), W viittaa jäljen leveyteen (yksikkö: tuuma), εr tarkoittaa väliaineen dielektrisyysvakiota ja Z0 on ominaisimpedanssi siirtolinjasta. Esimerkiksi 4Mils 50 ohmin siirtojohdolla (εr on 4.3) suoran kulman tuoma kapasitanssi on noin 0.0101pF, jolloin tästä aiheutuva nousuajan muutos voidaan arvioida:

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

Laskemalla voidaan nähdä, että suorakulmajäljen tuoma kapasitanssivaikutus on erittäin pieni.

Kun suorakulmaisen jäljen viivan leveys kasvaa, impedanssi siellä pienenee, joten tietty signaalin heijastusilmiö tapahtuu. Voimme laskea ekvivalentin impedanssin linjan leveyden kasvattua siirtojohtoluvussa mainitun impedanssin laskentakaavan mukaisesti ja sitten laskea heijastuskerroin empiirisen kaavan mukaan:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Yleensä suorakulmaisen johdotuksen aiheuttama impedanssin muutos on 7-20 %, joten maksimiheijastuskerroin on noin 0.1. Lisäksi, kuten alla olevasta kuvasta voidaan nähdä, siirtojohdon impedanssi muuttuu minimiin W/2-linjan pituuden sisällä ja palaa sitten normaaliimpedanssiin W/2-ajan jälkeen. Koko impedanssin muutosaika on erittäin lyhyt, usein 10 ps:n sisällä. Sisällä tällaiset nopeat ja pienet muutokset ovat lähes mitättömiä yleisessä signaalinsiirrossa.

Monet ihmiset ymmärtävät suorakulmaisen johdotuksen. He ajattelevat, että kärki on helppo lähettää tai vastaanottaa sähkömagneettisia aaltoja ja tuottaa EMI:tä. Tästä on tullut yksi syy, miksi monet ihmiset ajattelevat, että suorakulmaisia ​​johtoja ei voida reitittää. Monet todelliset testitulokset osoittavat kuitenkin, että suorakulmaiset jäljet ​​eivät tuota selkeitä EMI:itä kuin suoria viivoja. Ehkä nykyinen instrumentin suorituskyky ja testitaso rajoittavat testin tarkkuutta, mutta ainakin se kuvaa ongelmaa. Suorakulmaisen johdotuksen säteily on jo pienempi kuin itse instrumentin mittausvirhe.

Yleensä suorakulmainen reititys ei ole niin kauhea kuin kuvitellaan. Ainakin alle GHz:n sovelluksissa mitkään vaikutukset, kuten kapasitanssi, heijastus, EMI jne., eivät juurikaan näy TDR-testauksessa. Nopeiden piirilevyjen suunnitteluinsinöörien tulisi edelleen keskittyä layoutiin, teho/maasuunnitteluun ja johdotussuunnitteluun. Reiät ja muut näkökohdat. Vaikka suorakulmaisen johdotuksen vaikutus ei ole kovin vakava, se ei tietenkään tarkoita, että voimme kaikki käyttää suorakulmaisia ​​​​johdotuksia tulevaisuudessa. Yksityiskohtiin keskittyminen on peruslaatu, joka jokaisen hyvän insinöörin tulee olla. Lisäksi digitaalisten piirien nopean kehityksen myötä PCB Insinöörien käsittelemän signaalin taajuus kasvaa edelleen. Yli 10 GHz:n RF-suunnittelun alalla nämä pienet suorat kulmat voivat joutua suurten nopeuksien ongelmiin.

2. Differentiaalinen reititys

Differentiaalisignaalia (DifferentialSignal) käytetään yhä laajemmin suurten nopeuksien piirien suunnittelussa. Piirin kriittisin signaali on usein suunniteltu differentiaalirakenteella. Mikä tekee siitä niin suositun? Kuinka varmistaa sen hyvä suorituskyky piirilevysuunnittelussa? Näillä kahdella kysymyksellä siirrymme keskustelun seuraavaan osaan.

Mikä on differentiaalisignaali? Maallikon termein käyttöpää lähettää kaksi yhtäläistä ja käänteistä signaalia, ja vastaanottopää arvioi loogisen tilan “0” tai “1” vertaamalla näiden kahden jännitteen välistä eroa. Differentiaalisia signaaleja kuljettavaa juovaparia kutsutaan differentiaalijäljiksi.

Verrattuna tavallisiin yksipäisiin signaalijäljiin, differentiaalisilla signaaleilla on selvimmät edut seuraavissa kolmessa suhteessa:

a. Vahva häiriönestokyky, koska kytkentä kahden differentiaalijäljen välillä on erittäin hyvä. Kun ulkopuolelta tulee kohinahäiriöitä, ne kytketään lähes samanaikaisesti kahteen linjaan, ja vastaanottopää välittää vain näiden kahden signaalin välisestä erosta. Siksi ulkoinen yhteistilan kohina voidaan poistaa kokonaan. b. Se voi tehokkaasti tukahduttaa EMI:n. Samasta syystä näiden kahden signaalin vastakkaisen napaisuuden vuoksi niiden säteilemät sähkömagneettiset kentät voivat kumota toisensa. Mitä tiukempi kytkentä, sitä vähemmän sähkömagneettista energiaa vapautuu ulkomaailmaan. c. Ajoituspaikannus on tarkka. Koska differentiaalisignaalin kytkimen vaihto sijaitsee kahden signaalin leikkauskohdassa, toisin kuin tavallinen yksipäinen signaali, joka riippuu määritettävästä korkeasta ja matalasta kynnysjännitteestä, prosessi ja lämpötila vaikuttavat siihen vähemmän, mikä voi vähentää ajoituksen virhettä. , Mutta myös sopivampi matalan amplitudin signaalipiireihin. Nykyinen suosittu LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling) viittaa tähän pienen amplitudin differentiaalisignaalitekniikkaan.

Piirilevyinsinöörien suurin huolenaihe on, kuinka varmistetaan, että nämä differentiaalijohdotuksen edut voidaan hyödyntää täysimääräisesti varsinaisessa johdotuksessa. Ehkä jokainen, joka on ollut yhteydessä Layoutiin, ymmärtää differentiaalijohdotuksen yleiset vaatimukset, eli “samanpituisen ja yhtä etäisyyden”. Saman pituuden tarkoituksena on varmistaa, että kaksi differentiaalista signaalia säilyttävät vastakkaiset polariteetit koko ajan ja vähentävät yhteismoodikomponenttia; saman etäisyyden tarkoituksena on pääasiassa varmistaa, että näiden kahden differentiaaliset impedanssit ovat yhdenmukaisia ​​ja vähentävät heijastuksia. “Mahdollisimman lähellä” on joskus yksi differentiaalijohdotuksen vaatimuksista. Mutta kaikkia näitä sääntöjä ei käytetä mekaanisesti, ja monet insinöörit eivät näytä vieläkään ymmärtävän nopean differentiaalisen signaalin lähetyksen olemusta.

Seuraavassa keskitytään useisiin yleisiin väärinkäsityksiin PCB-differentiaalisen signaalin suunnittelussa.

Väärinkäsitys 1: Uskotaan, että differentiaalisignaali ei tarvitse maatasoa paluureittinä tai että differentiaalijäljet ​​tarjoavat paluutien toisilleen. Syynä tähän väärinymmärrykseen on se, että pinnalliset ilmiöt hämmentyvät tai nopean signaalinsiirron mekanismi ei ole tarpeeksi syvä. Kuvan 1-8-15 vastaanottopään rakenteesta voidaan nähdä, että transistoreiden Q3 ja Q4 emitterivirrat ovat yhtä suuret ja vastakkaiset ja niiden virrat maassa kumoavat täsmälleen toisensa (I1=0), joten differentiaalipiiri on Samankaltaiset pomput ja muut kohinasignaalit, joita voi esiintyä teho- ja maatasolla, ovat herkkiä. Maatason osittaisen palautuksen kumoaminen ei tarkoita, että differentiaalipiiri ei käytä referenssitasoa signaalin paluureittinä. Itse asiassa signaalin paluuanalyysissä differentiaalijohdotuksen ja tavallisen yksipäisen johdotuksen mekanismi on sama, eli korkeataajuiset signaalit ovat aina Reflow-silmukaa pitkin pienimmällä induktiivuudella, suurin ero on, että lisäksi kytkentä maahan, tasauspyörästössä on myös keskinäinen kytkentä. Millainen kytkentä on vahva, mistä tulee pääpaluupolku. Kuva 1-8-16 on kaaviokuva yksipäisten signaalien ja differentiaalisignaalien geomagneettisen kentän jakautumisesta.

PCB-piirien suunnittelussa differentiaalijälkien välinen kytkentä on yleensä pieni, usein vain 10-20% kytkentäasteesta, ja enemmän on kytkentä maahan, joten differentiaalijäljen pääpaluupolku on edelleen maassa. kone. Kun maataso on epäjatkuva, differentiaalijuovien välinen kytkentä muodostaa pääpaluupolun alueella, jossa ei ole vertailutasoa, kuten kuvassa 1-8-17. Vaikka vertailutason epäjatkuvuuden vaikutus differentiaalijälviin ei ole yhtä vakava kuin tavallisen yksipäisen jäljin, se silti heikentää differentiaalisignaalin laatua ja lisää EMI:tä, jota tulisi välttää mahdollisimman paljon. . Jotkut suunnittelijat uskovat, että differentiaalijäljen alla oleva vertailutaso voidaan poistaa joidenkin yhteismuotoisten signaalien vaimentamiseksi differentiaalilähetyksessä. Tämä lähestymistapa ei kuitenkaan ole teoriassa toivottava. Kuinka ohjata impedanssia? Maaimpedanssisilmukan jättäminen yhteismuotoiseen signaaliin aiheuttaa väistämättä EMI-säteilyä. Tämä lähestymistapa tuottaa enemmän haittaa kuin hyötyä.

Väärinkäsitys 2: Uskotaan, että yhtäläisten välien pitäminen on tärkeämpää kuin rivin pituuden sovittaminen. Varsinaisessa piirilevyasettelussa ei useinkaan ole mahdollista täyttää differentiaalisuunnittelun vaatimuksia samanaikaisesti. Nastajakauman, läpivientien ja kytkentätilan olemassaolon vuoksi linjan pituuden sovituksen tarkoitus on saavutettava asianmukaisella käämityksellä, mutta tuloksena on oltava, että jotkin differentiaaliparin alueet eivät voi olla yhdensuuntaisia. Mitä meidän pitäisi tehdä tällä hetkellä? Kumpi valinta? Ennen kuin teet johtopäätöksiä, katsotaanpa seuraavia simulaatiotuloksia.

Yllä olevista simulaatiotuloksista voidaan nähdä, että kaavion 1 ja kaavion 2 aaltomuodot ovat lähes yhteneväisiä, eli epätasaisen etäisyyden aiheuttama vaikutus on minimaalinen. Vertailun vuoksi linjan pituuseron vaikutus ajoitukseen on paljon suurempi. (Kaavio 3). Teoreettisen analyysin perusteella, vaikka epäjohdonmukainen etäisyys aiheuttaa differentiaaliimpedanssin muutoksen, koska itse differentiaaliparin välinen kytkentä ei ole merkittävä, impedanssin muutosalue on myös hyvin pieni, yleensä 10 % sisällä, mikä vastaa vain yhtä läpikulkua. . Reiän aiheuttamalla heijastuksella ei ole merkittävää vaikutusta signaalin siirtoon. Kun linjan pituus ei täsmää, ajoitussiirtymän lisäksi differentiaalisignaaliin tuodaan yhteismoodikomponentteja, mikä heikentää signaalin laatua ja lisää EMI:tä.

Voidaan sanoa, että PCB-differentiaalijälkien suunnittelussa tärkein sääntö on sovitusviivan pituus, ja muita sääntöjä voidaan käsitellä joustavasti suunnitteluvaatimusten ja käytännön sovellusten mukaan.

Väärinkäsitys 3: Ajattele, että differentiaalijohdotuksen on oltava hyvin lähellä. Differentiaalijälkien pitäminen lähellä ei ole muuta kuin niiden kytkennän parantamista, mikä ei vain voi parantaa häiriönkestävyyttä, vaan myös hyödyntää täysimääräisesti magneettikentän vastakkaista napaisuutta kompensoidakseen sähkömagneettisia häiriöitä ulkomaailmaan. Vaikka tämä lähestymistapa on erittäin hyödyllinen useimmissa tapauksissa, se ei ole ehdoton. Jos voimme varmistaa, että ne ovat täysin suojattuja ulkoisilta häiriöiltä, ​​meidän ei tarvitse käyttää voimakasta kytkentää häiriöneston saavuttamiseksi. Ja EMI:n tukahduttamisen tarkoitus. Kuinka voimme varmistaa erotusjälkien hyvän eristyksen ja suojauksen? Välien lisääminen muiden signaalijälkien kanssa on yksi yksinkertaisimmista tavoista. Sähkömagneettisen kentän energia pienenee etäisyyden neliön myötä. Yleensä kun riviväli ylittää 4 kertaa viivan leveyden, niiden välinen häiriö on erittäin heikko. Voidaan jättää huomiotta. Lisäksi maatason eristäminen voi myös toimia hyvänä suojana. Tätä rakennetta käytetään usein korkeataajuisissa (yli 10G) IC-paketin piirilevysuunnittelussa. Sitä kutsutaan CPW-rakenteeksi, joka voi varmistaa tiukan differentiaaliimpedanssin. Ohjaus (2Z0), kuten kuvassa 1-8-19.

Differentiaalijäljet ​​voivat kulkea myös eri signaalikerroksissa, mutta tätä menetelmää ei yleensä suositella, koska eri kerrosten tuottamat erot impedanssissa ja läpiviennissä tuhoavat differentiaalimuotoisen lähetyksen vaikutuksen ja aiheuttavat yhteismuotoista kohinaa. Lisäksi, jos kahta vierekkäistä kerrosta ei ole kytketty tiukasti, se heikentää differentiaalijäljen kykyä vastustaa melua, mutta jos pystyt säilyttämään oikean etäisyyden ympäröiviin jälkiin, ylikuuluminen ei ole ongelma. Yleisillä taajuuksilla (alle GHz) EMI ei ole vakava ongelma. Kokeet ovat osoittaneet, että säteilyenergian vaimennus 500 milin etäisyydellä differentiaalijäljestä on saavuttanut 60 dB:n 3 metrin etäisyydellä, mikä riittää täyttämään FCC:n sähkömagneettisen säteilyn standardin, joten suunnittelijan ei tarvitse huolehtia liikaa paljon sähkömagneettisesta yhteensopimattomuudesta, joka johtuu riittämättömästä differentiaalijohdon kytkennästä.

3. Serpentiiniviiva

Snake line on eräänlainen reititysmenetelmä, jota käytetään usein Layoutissa. Sen päätarkoitus on säätää viivettä vastaamaan järjestelmän ajoituksen suunnitteluvaatimuksia. Suunnittelijan on ensin ymmärrettävä tämä: serpentiinilinja tuhoaa signaalin laadun, muuttaa lähetysviivettä ja yrittää välttää sen käyttöä johdotuksessa. Kuitenkin varsinaisessa suunnittelussa, jotta varmistetaan, että signaalilla on riittävä pitoaika tai pienennetään aikapoikkeamaa saman signaaliryhmän välillä, on usein tarpeen käämittää lanka tarkoituksella.

Joten, mikä vaikutus serpentiinilinjalla on signaalin siirtoon? Mihin pitäisi kiinnittää huomiota johdotuksen yhteydessä? Kaksi kriittisintä parametria ovat rinnakkaiskytkennän pituus (Lp) ja kytkentäetäisyys (S), kuten kuvassa 1-8-21. Ilmeisesti, kun signaali lähetetään serpentiinijäljellä, rinnakkaiset linjasegmentit kytkeytyvät differentiaalisessa tilassa. Mitä pienempi S ja mitä suurempi Lp, sitä suurempi on kytkentäaste. Se voi pienentää lähetysviivettä ja signaalin laatua heikentää huomattavasti ylikuulumisen vuoksi. Mekanismi voi viitata yhteismoodin ja differentiaalimoodin ylikuulumisen analyysiin luvussa 3.

Seuraavassa on joitain ehdotuksia taittoinsinööreille käärmeviivojen käsittelyssä:

1. Yritä kasvattaa yhdensuuntaisten janaosien etäisyyttä (S), vähintään suurempi kuin 3H, H viittaa etäisyyteen signaalijäljestä vertailutasoon. Maallikon termein se tarkoittaa ison mutkan kiertämistä. Niin kauan kuin S on riittävän suuri, keskinäinen kytkentävaikutus voidaan melkein kokonaan välttää. 2. Pienennä kytkimen pituutta Lp. Kun kaksinkertainen Lp-viive lähestyy signaalin nousuaikaa tai ylittää sen, syntynyt ylikuuluminen saavuttaa kyllästymisen. 3. Strip-Linen tai Embedded Micro-nauhan serpentiiniviivan aiheuttama signaalin lähetysviive on pienempi kuin Micro-liuskan. Teoriassa liuskajohto ei vaikuta siirtonopeuteen differentiaalisen ylikuulumisen vuoksi. 4. Nopeilla signaalilinjoilla ja niillä, joilla on tiukat ajoitusvaatimukset, yritä olla käyttämättä kiemurtelevia linjoja, etenkään pienillä alueilla. 5. Voit usein käyttää käärmejälkiä missä tahansa kulmassa, kuten C-rakennetta kuvassa 1-8-20, mikä voi tehokkaasti vähentää keskinäistä kytkentää. 6. Nopeiden piirilevyjen suunnittelussa serpentiinilinjalla ei ole niin kutsuttua suodatus- tai häiriönestokykyä, ja se voi vain heikentää signaalin laatua, joten sitä käytetään vain ajoituksen sovittamiseen, eikä sillä ole muuta tarkoitusta. 7. Joskus voit harkita spiraalireititystä käämitykseen. Simulaatio osoittaa, että sen vaikutus on parempi kuin normaali käärmereititys.