Ulkoasu on yksi perusasioista PCB-suunnittelu insinööri. Johdotuksen laatu vaikuttaa suoraan koko järjestelmän suorituskykyyn, suurin osa nopean suunnittelun teoriasta on vihdoin toteutettava ja vahvistettava Layoutin avulla, joten voidaan nähdä, että johdotus on ratkaisevan tärkeää nopeassa piirilevyn suunnittelussa. Seuraavassa otetaan huomioon varsinainen johdotus, joka voi joutua tilanteisiin, analysoida sen järkevyyttä ja antaa optimoitua reititysstrategiaa. Pääasiassa oikeasta kulmaviivasta, eroviivasta, käärmeviivasta ja niin edelleen kolmesta näkökulmasta.

1. Suorakulmainen siirtolinja

Suorakulmaista johdotusta tarvitaan yleensä PCB-johdotuksen tilanteen välttämiseksi, ja siitä on melkein tullut yksi standardeista johdotuksen laadun mittaamiseksi, joten kuinka suuri vaikutus suorakulmaisella johdotuksella on signaalin siirtoon? Periaatteessa suorakulmainen johdotus muuttaa siirtolinjan leveyttä, mikä johtaa impedanssin epäjatkuvuuteen. Itse asiassa paitsi oikea kulmaviiva, tonnikulma, terävä kulmaviiva voivat aiheuttaa impedanssimuutoksia.

Suorakulmaisen kohdistuksen vaikutus signaaliin heijastuu pääasiassa kolmesta näkökulmasta: ensinnäkin kulma voi vastata voimajohdon kapasitiivista kuormitusta, mikä hidastaa nousuaikaa; Toiseksi impedanssin epäjatkuvuus aiheuttaa signaalin heijastumista; Kolmanneksi oikean kulman kärjen tuottama EMI.

Siirtolinjan suorakulman aiheuttama loiskapasitanssi voidaan laskea seuraavalla empiirisellä kaavalla:

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

Yllä olevassa kaavassa C tarkoittaa ekvivalenttia kapasitanssia kulmassa (pF), W viivan leveyttä (tuumaa), ε R viittaa väliaineen dielektrisyysvakioon ja Z0 on lähetyksen ominaisimpedanssi linja. Esimerkiksi 4Mils 50 ohmin siirtolinjalla (εr 4.3) suorakulman kapasitanssi on noin 0.0101 pF, ja nousuajan vaihtelu voidaan arvioida:

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

Laskelmasta voidaan nähdä, että suorakulmaisen johdotuksen tuoma kapasitanssivaikutus on erittäin pieni.

Kun suorakulmaisen viivan viivanleveys kasvaa, impedanssi pienenee tässä vaiheessa, joten signaalin heijastumisilmiö esiintyy. Voimme laskea vastaavan impedanssin sen jälkeen, kun linjan leveys on kasvanut siirtojohtojen osassa mainitun impedanssin laskentakaavan mukaisesti, ja sitten laskea heijastuskertoimen empiirisen kaavan mukaisesti: ρ = (Zs-Z0)/(Zs+Z0), yleinen suorakulmainen johdotus, jonka impedanssi muuttuu 7%-20%, joten suurin heijastuskerroin on noin 0.1. Lisäksi, kuten alla olevasta kuvasta voidaan nähdä, siirtolinjan impedanssi muuttuu minimiin W/2 -linjan pituuden sisällä ja palautuu sitten normaaliin impedanssiin W/2 -ajan jälkeen. Koko impedanssimuutoksen aika on hyvin lyhyt, yleensä 10 sekuntia. Tällainen nopea ja pieni muutos on lähes olematon yleisen signaalilähetyksen kannalta.

Monilla ihmisillä on tällainen käsitys suorakulmareitityksestä, koska he uskovat, että kärki on helppo lähettää tai vastaanottaa sähkömagneettisia aaltoja ja tuottaa EMI: tä, mistä on tullut yksi syy siihen, miksi monet ihmiset ajattelevat, että suorakulmareititys ei ole mahdollista. Monet käytännön testitulokset osoittavat kuitenkin, että suorakulmainen viiva ei tuota paljon EMI: tä kuin suora. Ehkä laitteen nykyinen suorituskyky ja testitaso rajoittavat testin tarkkuutta, mutta ainakin se osoittaa, että suorakulmaisen viivan säteily on pienempi kuin laitteen itse mittausvirhe. Yleensä suorakulmainen kohdistus ei ole niin kauhea kuin miltä se saattaa näyttää. Ainakin alle GHz: n sovelluksissa kaikki vaikutukset, kuten kapasitanssi, heijastus, EMI jne., Eivät juuri näy TDR -testeissä. Nopean piirilevyn suunnitteluinsinöörin tulisi keskittyä asetteluun, tehon/maan suunnitteluun, johdotuksen suunnitteluun, rei’itykseen jne. Vaikka suorakulmaisen siirtolinjan vaikutukset eivät tietenkään ole kovin vakavia, mutta se ei tarkoita sitä, että voimme kulkea oikealla kulmaviivalla, yksityiskohtien huomioiminen on olennainen ominaisuus jokaiselle hyvälle insinöörille ja digitaalisten piirien nopean kehityksen myötä , PCB -insinöörit käsittelevät signaalitaajuutta myös edelleen, yli 10 GHz: n RF -suunnittelukenttään, Näistä pienistä suorakulmista voi tulla nopeiden ongelmien keskipiste.

2. Ero

DifferenTIal-signaalia käytetään laajalti nopeiden piirien suunnittelussa. Piirin tärkein signaali on DifferenTIal Signal design. Kuinka varmistaa sen hyvä suorituskyky PCB -suunnittelussa? Nämä kaksi kysymystä mielessä siirrymme keskustelumme seuraavaan osaan.

Mikä on differentiaalisignaali? Selkeällä englannilla kuljettaja lähettää kaksi vastaavaa ja käänteistä signaalia, ja vastaanotin vertaa kahden jännitteen eroa määrittääkseen, onko looginen tila “0” vai “1”. Johdeparia, joka kuljettaa differentiaalisia signaaleja, kutsutaan differentiaalijohtimiksi.

Verrattuna tavalliseen yksipäiseen signaalin reititykseen, differentiaalisignaalilla on ilmeisimmät edut seuraavissa kolmessa aspektissa:

A. Vahva häiriöiden estokyky, koska kytkentä kahden differentiaalilinjan välillä on erittäin hyvä, kun häiriöitä esiintyy, ne on lähes kytketty kahteen linjaan samanaikaisesti, ja vastaanotin välittää vain kahden signaalin välisestä erosta, joten ulkoinen yhteisen tilan kohina voidaan poistaa kokonaan.

B. Se voi tehokkaasti tukahduttaa EMI: n. Samoin, koska kaksi signaalia ovat napaisuudeltaan vastakkaisia, niiden säteilemä sähkömagneettinen kenttä voi kumota toisensa. Mitä lähempänä kytkin on, sitä vähemmän sähkömagneettista energiaa vapautuu ulkomaailmaan.

C. Ajoituksen paikannus on tarkka. Koska differentiaalisignaalien kytkentämuutos sijaitsee kahden signaalin leikkauspisteessä, toisin kuin tavalliset yksipäiset signaalit, jotka arvioidaan korkean ja matalan kynnysjännitteen perusteella, prosessi ja lämpötila eivät vaikuta siihen, mikä voi vähentää ajoitusvirheitä ja on sopivampi piireille, joilla on matala amplitudisignaali. LVDS (pienjänniteerotussignaali) viittaa tähän pienen amplitudin differentiaalisignaalitekniikkaan.

Piirilevyinsinööreille tärkein huolenaihe on se, miten voidaan varmistaa, että nämä differentiaalireitityksen edut voidaan hyödyntää täysimääräisesti todellisessa reitityksessä. Ehkä niin kauan kuin se on kosketuksessa asettelun kanssa, ihmiset ymmärtävät differentiaalisen reitityksen yleiset vaatimukset, toisin sanoen ”saman pituuden, saman etäisyyden”. Isometrisen on varmistettava, että kaksi differentiaalisignaalia säilyttävät aina vastakkaisen napaisuuden, vähentäen yhteismoodikomponenttia; Isometrinen tarkoitus on pääasiassa varmistaa sama differentiaali -impedanssi, vähentää heijastumista. “Mahdollisimman lähellä” on joskus yksi differentiaalireitityksen vaatimuksista. Mutta mitään näistä säännöistä ei ole tarkoitettu sovellettavaksi mekaanisesti, ja monet insinöörit eivät näytä ymmärtävän suurten nopeuksien differentiaalisen signaloinnin luonnetta. Seuraavassa keskitytään useisiin yleisiin virheisiin PCB -differentiaalisignaalin suunnittelussa.

Väärinkäsitys 1: Differentiaalisignaalit eivät tarvitse maatasoa takaisinvirtausreittinä tai ajattelevat, että differentiaalilinjat tarjoavat takaisinvirtausreitin toisilleen. Tämän väärinkäsityksen syy on hämmentynyt pintailmiöstä tai nopean signaalin lähetysmekanismi ei ole riittävän syvä. Kuten voidaan nähdä kuvion 1 vastaanottopään rakenteesta. 8-15-3, transistorien Q4 ja Q1 emitterivirrat ovat vastaavia ja vastakkaisia, ja niiden virta risteyksessä kumoaa täsmälleen toiset (I0 = XNUMX). Siksi differentiaalipiiri on epäherkkä samanlaisille maadoitusprojekteille ja muille kohinasignaaleille, joita voi esiintyä virtalähteessä ja maatasossa. Maatason osittainen takaisinvirtauksen poisto ei tarkoita sitä, että differentiaalipiiri ei ota vertailutasoa signaalin paluureitiksi. Itse asiassa signaalin paluuvirtausanalyysissä differentiaalisen reitityksen mekanismi on sama kuin tavallisen yksipäisen reitityksen mekanismi, nimittäin korkea

Taajuussignaali virtaa aina takaisin pitkin piiriä pienimmällä induktanssilla. Suurin ero on siinä, että erotuslinjassa ei ole vain kytkentä maahan, vaan myös kytkentä toisiinsa. Vahvasta kytkimestä tulee päävirtausreitti.

PCB -piirisuunnittelussa differentiaalijohtimien välinen kytkentä on yleensä pieni, yleensä vain 10 ~ 20% kytkentäasteesta, ja suurin osa kytkennästä on maahan, joten differentiaalijohdotuksen päävirtausreitti on edelleen maassa lentokone. Paikallisen tason epäjatkuvuuden tapauksessa differentiaalisten reittien välinen kytkentä muodostaa päävirtausreitin alueella ilman vertailutasoa, kuten kuviossa 1 on esitetty. 8-17-XNUMX. Vaikka vertailutason epäjatkuvuuden vaikutus differentiaalijohdotukseen ei ole niin vakava kuin tavallisissa yksipäisissä johdotuksissa, se heikentää silti differentiaalisignaalin laatua ja lisää EMI: tä, jota on vältettävä mahdollisuuksien mukaan. Jotkut suunnittelijat uskovat, että differentiaalilähetyslinjan vertailutaso voidaan poistaa vaimentamaan osa yhteismoodisignaalista differentiaalilähetyksessä, mutta teoriassa tämä lähestymistapa ei ole toivottava. Kuinka hallita impedanssia? Ilman maadoitusimpedanssisilmukkaa yhteismoodisignaalille EMI-säteilyä aiheutuu varmasti, mikä aiheuttaa enemmän haittaa kuin hyötyä.

Myytti 2: Tasaisen välimatkan säilyttäminen on tärkeämpää kuin rivin pituuden sovittaminen. Varsinaisessa PCB -johdotuksessa se ei usein pysty täyttämään differentiaalisuunnittelun vaatimuksia. Tappien, reikien ja johdotustilan jakautumisen ja muiden tekijöiden vuoksi on välttämätöntä saavuttaa linjan pituuden sovituksen tarkoitus sopivan käämityksen avulla, mutta tulos on väistämättä osa eroparia, joka ei voi tällä hetkellä olla yhdensuuntainen valita? Ennen kuin teemme johtopäätöksiä, katsotaan seuraavia simulaatiotuloksia. Edellä olevista simulaatiotuloksista voidaan nähdä, että kaavion 1 ja kaavion 2 aaltomuodot lähes yhtenevät, toisin sanoen epätasaisen välimatkan vaikutus on minimaalinen ja viivan pituuden epäsuhdan vaikutus on paljon suurempi ajoitusjärjestykseen (kaavio 3) . Teoreettisen analyysin näkökulmasta, vaikka epäjohdonmukainen etäisyys johtaa ero -impedanssin muutoksiin, mutta koska kytkentä ero -parin välillä ei ole merkittävä, niin myös impedanssimuutosten alue on hyvin pieni, yleensä 10%: n sisällä, vain vastaava reiän aiheuttamaan heijastukseen, joka ei vaikuta merkittävästi signaalin lähetykseen. Kun linjan pituus ei täsmää, aikasekvenssin siirtymän lisäksi differentiaalisignaaliin lisätään yhteisen tilan komponentteja, mikä heikentää signaalin laatua ja lisää EMI: tä.

Voidaan sanoa, että PCB -differentiaalijohdotuksen suunnittelun tärkein sääntö on linjan pituuden sovittaminen, ja muita sääntöjä voidaan käsitellä joustavasti suunnitteluvaatimusten ja käytännön sovellusten mukaisesti.

Väärinkäsitys kolme: ajattele eroeron täytyy nojata hyvin lähelle. Erotuslinjojen pitäminen lähellä toisiaan ei ole muuta kuin niiden kytkennän lisäämistä, sekä parantamaan niiden häiriönsietokykyä että hyödyntämään magneettikentän vastakkaista napaisuutta sähkömagneettisten häiriöiden poistamiseksi ulkomaailmasta. Vaikka tämä lähestymistapa on useimmissa tapauksissa erittäin suotuisa, se ei ole ehdoton. Jos ne voidaan täysin suojata ulkoisilta häiriöiltä, ​​meidän ei tarvitse enää saavuttaa häiriöiden torjunnan ja EMI: n tukahduttamisen tarkoitusta voimakkaalla kytkemisellä toisiinsa. Kuinka varmistaa, että differentiaalireitityksellä on hyvä eristys ja suojaus? Linjojen ja muiden signaalien välisen etäisyyden kasvattaminen on yksi perustavimmista tavoista. Sähkömagneettisen kentän energia pienenee etäisyyden neliösuhteen mukaan. Yleensä, kun viivojen välinen etäisyys on yli 4 kertaa viivan leveys, niiden välinen häiriö on erittäin heikko ja se voidaan periaatteessa jättää huomiotta. Lisäksi eristys maatason läpi voi myös tarjota hyvän suojavaikutuksen. Tätä rakennetta käytetään usein korkeataajuisissa (yli 10G) IC-pakatuissa PCB-malleissa, jotka tunnetaan nimellä CPW-rakenne, jotta varmistetaan tiukka differentiaalisen impedanssin ohjaus (2Z0). 1-8-19.

Differentiaalireititys voidaan suorittaa myös eri signaalikerroksissa, mutta tätä ei yleensä suositella, koska erot, kuten impedanssi ja eri kerrosten läpivientireiät, voivat tuhota differentiaalitilan lähetystehosteen ja aiheuttaa yhteismoodin kohinaa. Lisäksi, jos kaksi vierekkäistä kerrosta eivät ole tiiviisti kytkettyjä, differentiaalireitityksen kyky vastustaa kohinaa vähenee, mutta ylikuuluminen ei ole ongelma, jos asianmukainen etäisyys ylläpidetään ympäröivän reitityksen kanssa. Yleisellä taajuudella (alle GHz) EMI ei ole vakava ongelma. Kokeet osoittavat, että differentiaalilinjojen säteilyenergian vaimennus yli 500 metrin etäisyydellä yli 3 metriä on saavuttanut 60 dB, mikä riittää täyttämään FCC: n SÄHKÖMAGNEETTISEN säteilystandardin. Siksi suunnittelijoiden ei tarvitse huolehtia liikaa sähkömagneettisesta yhteensopimattomuudesta, joka johtuu differentiaalilinjojen riittämättömästä kytkennästä.

3. kiemurteleva

Asettelussa käytetään usein käärmeviivaa. Sen päätarkoitus on säätää aikaviivettä ja täyttää järjestelmän ajoitussuunnittelun vaatimukset. Suunnittelijoiden tulisi ensin ymmärtää, että serpentiinijohto heikentää signaalin laatua, muuttaa lähetysviivettä ja sitä tulee välttää johdotettaessa. Käytännön suunnittelussa on kuitenkin tarkoituksella suoritettava käämitys, jotta voidaan varmistaa signaalien riittävä pitoaika tai lyhentää saman signaaliryhmän välisen ajan siirtymistä.

Joten mitä serpentiini tekee signaalin lähettämiseksi? Mitä minun pitäisi kiinnittää huomiota linjaa kävellessä? Kaksi kriittisintä parametria ovat rinnakkaiskytkentäpituus (Lp) ja kytkentäetäisyys (S), kuten kuviossa 1 esitetään. 8-21-XNUMX. On selvää, että kun signaali lähetetään serpentiinilinjalla, rinnakkaislinjasegmenttien välillä tapahtuu kytkentä erotilan muodossa. Mitä pienempi S on, sitä suurempi on Lp ja sitä suurempi on kytkentäaste. Tämä voi johtaa lähetysviiveiden vähenemiseen ja signaalin laadun huomattavaan heikkenemiseen ylikuulumisen vuoksi, kuten on kuvattu luvussa 3 yhteis- ja differentiaalitilan ylikuulumisen analysointia varten.

Seuraavassa on muutamia vinkkejä ulkoasun suunnittelijoille, kun he käsittelevät serpentiiniä:

1. Yritä lisätä rinnakkaisviivan segmentin etäisyyttä (S), joka on vähintään suurempi kuin 3H. H tarkoittaa etäisyyttä signaalilinjasta vertailutasoon. Yleisesti ottaen on otettava iso käyrä. Niin kauan kuin S on riittävän suuri, kytkentävaikutus voidaan välttää lähes kokonaan.

2. Kun kytkentäpituutta Lp pienennetään, syntyvä ylikuuluminen saavuttaa kylläisyyden, kun Lp: n viive kahdesti lähestyy tai ylittää signaalin nousuajan.

3. Snake-tyyppisen nauhalinjan tai upotetun mikrokaistan viivan aiheuttama signaalin lähetysviive on pienempi kuin mikroliuskan. Teoriassa nauhaviiva ei vaikuta lähetysnopeuteen differentiaalitilan ylikuulumisen vuoksi.

4. Nopeilla ja signaalilinjoilla, joilla on tiukat ajoitusvaatimukset, yritä olla kävelemättä serpentiinilinjoilla, etenkin pienellä alueella.

5. Serpentiinireititys missä tahansa kulmassa voidaan usein ottaa käyttöön. Kuvion C rakenne 1-8-20 voivat tehokkaasti vähentää toistensa välistä kytkentää.

6. Nopeassa piirilevyrakenteessa serpentiinillä ei ole ns. Suodatus- tai häiriönestokykyä, ja se voi vain heikentää signaalin laatua, joten sitä käytetään vain ajoituksen sovittamiseen eikä muihin tarkoituksiin.

7. Joskus voidaan harkita spiraalikäämitystä. Simulointi osoittaa, että sen vaikutus on parempi kuin tavallinen serpentiinikäämitys.