Izgled je jedna od najosnovnijih radnih vještina za inženjere dizajna PCB-a. Kvaliteta ožičenja izravno će utjecati na performanse cijelog sustava. Većina teorija dizajna velike brzine mora se konačno implementirati i verificirati kroz Layout. Vidi se da je ožičenje vrlo važno u PCB velike brzine oblikovati. Sljedeće će analizirati racionalnost nekih situacija koje se mogu susresti u stvarnom ožičenju i dati neke optimizirane strategije usmjeravanja.

Uglavnom se objašnjava s tri aspekta: ožičenje pod pravim kutom, ožičenje diferencijala i ožičenje serpentina.

1. Usmjeravanje pod pravim kutom

Ožičenje pod pravim kutom općenito je situacija koju treba što više izbjegavati u ožičenju PCB-a, a gotovo je postao jedan od standarda za mjerenje kvalitete ožičenja. Dakle, koliki će utjecaj ožičenja pod pravim kutom imati na prijenos signala? U principu, usmjeravanje pod pravim kutom će promijeniti širinu linije prijenosa, uzrokujući diskontinuitet u impedanciji. Zapravo, ne samo usmjeravanje pod pravim kutom, već i usmjeravanje u kutovima i usmjeravanje pod oštrim kutom mogu uzrokovati promjene impedancije.

Utjecaj usmjeravanja pod pravim kutom na signal uglavnom se ogleda u tri aspekta:

Jedan je da kut može biti ekvivalentan kapacitivnom opterećenju na dalekovodu, što usporava vrijeme porasta; drugi je da će diskontinuitet impedancije uzrokovati refleksiju signala; treći je EMI koji generira pravokutni vrh.

Parazitski kapacitet uzrokovan pravim kutom dalekovoda može se izračunati sljedećom empirijskom formulom:

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

U gornjoj formuli, C se odnosi na ekvivalentnu kapacitivnost kuta (jedinica: pF), W se odnosi na širinu traga (jedinica: inč), εr se odnosi na dielektričnu konstantu medija, a Z0 je karakteristična impedancija dalekovoda. Na primjer, za prijenosni vod od 4Mils 50 ohma (εr je 4.3), kapacitivnost koju donosi pravi kut iznosi oko 0.0101 pF, a zatim se može procijeniti promjena vremena porasta uzrokovana time:

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

Proračunom se može vidjeti da je učinak kapacitivnosti koji donosi pravokutni trag izuzetno mali.

Kako se širina linije pravokutnog traga povećava, tamošnja impedancija će se smanjivati, pa će se pojaviti određeni fenomen refleksije signala. Ekvivalentnu impedanciju možemo izračunati nakon što se širina linije poveća prema formuli za proračun impedancije spomenutoj u poglavlju prijenosne linije, a zatim izračunati koeficijent refleksije prema empirijskoj formuli:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Općenito, promjena impedancije uzrokovana ožičenjem pod pravim kutom je između 7% -20%, tako da je maksimalni koeficijent refleksije oko 0.1. Štoviše, kao što se može vidjeti na donjoj slici, impedancija prijenosnog voda mijenja se na minimum unutar duljine W/2 linije, a zatim se vraća na normalnu impedanciju nakon vremena W/2. Cijelo vrijeme promjene impedancije je izuzetno kratko, često unutar 10ps. Unutra su tako brze i male promjene gotovo zanemarive za opći prijenos signala.

Mnogi ljudi imaju takvo razumijevanje ožičenja pod pravim kutom. Smatraju da je vrh lako prenositi ili primati elektromagnetske valove i generirati EMI. To je postao jedan od razloga zašto mnogi ljudi misle da se ožičenje pod pravim kutom ne može usmjeriti. Međutim, mnogi stvarni rezultati ispitivanja pokazuju da tragovi pod pravim kutom neće proizvesti očite EMI nego ravne linije. Možda trenutna izvedba instrumenta i razina ispitivanja ograničavaju točnost testa, ali barem ilustrira problem. Zračenje pravokutnog ožičenja već je manje od pogreške mjerenja samog instrumenta.

Općenito, usmjeravanje pod pravim kutom nije tako strašno kao što se zamišlja. Barem u aplikacijama ispod GHz, bilo kakvi učinci poput kapacitivnosti, refleksije, EMI, itd. teško se odražavaju u TDR testiranju. Inženjeri za dizajn PCB-a velike brzine i dalje bi se trebali usredotočiti na izgled, dizajn napajanja/uzemljenja i dizajn ožičenja. Preko rupa i drugih aspekata. Naravno, iako utjecaj ožičenja pod pravim kutom nije jako ozbiljan, to ne znači da svi možemo koristiti ožičenje pod pravim kutom u budućnosti. Pozornost prema detaljima osnovna je kvaliteta koju svaki dobar inženjer mora imati. Štoviše, s brzim razvojem digitalnih sklopova, PCB frekvencija signala koji obrađuju inženjeri nastavit će rasti. U području RF dizajna iznad 10 GHz, ovi mali pravi kutovi mogu postati žarište problema velikih brzina.

2. Diferencijalno usmjeravanje

Diferencijalni signal (DifferentialSignal) se sve više koristi u dizajnu kola velikih brzina. Najkritičniji signal u krugu često je dizajniran s diferencijalnom strukturom. Što ga čini tako popularnim? Kako osigurati njegove dobre performanse u dizajnu PCB-a? S ova dva pitanja prelazimo na sljedeći dio rasprave.

Što je diferencijalni signal? Laički rečeno, pogonska strana šalje dva jednaka i invertirana signala, a strana koja prima procjenjuje logičko stanje “0” ili “1” uspoređujući razliku između dva napona. Par tragova koji nose diferencijalne signale naziva se diferencijalnim tragovima.

U usporedbi s običnim jednostranim signalnim tragovima, diferencijalni signali imaju najočitije prednosti u sljedeća tri aspekta:

a. Jaka sposobnost protiv smetnji, jer je spoj između dva diferencijalna traga vrlo dobar. Kada postoji smetnja s vanjske strane, oni su gotovo spojeni na dvije linije u isto vrijeme, a prijamna strana brine samo o razlici između dva signala. Stoga se vanjski zajednički šum može potpuno poništiti. b. Može učinkovito potisnuti EMI. Iz istog razloga, zbog suprotnog polariteta dvaju signala, elektromagnetska polja koja zrače mogu se međusobno poništiti. Što je veza čvršća, manje elektromagnetske energije izlazi u vanjski svijet. c. Vremensko pozicioniranje je točno. Budući da se promjena prekidača diferencijalnog signala nalazi na sjecištu dva signala, za razliku od običnog jednosmjernog signala, koji ovisi o visokom i niskom pragu napona za određivanje, na njega manje utječu proces i temperatura, što može smanjiti grešku u vremenu. , Ali također prikladniji za signalne krugove niske amplitude. Trenutni popularni LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling) odnosi se na ovu tehnologiju diferencijalnog signala male amplitude.

Inženjeri PCB-a najviše brinu kako osigurati da se ove prednosti diferencijalnog ožičenja mogu u potpunosti iskoristiti u stvarnom ožičenju. Možda će svatko tko je bio u kontaktu s Layoutom razumjeti opće zahtjeve diferencijalnog ožičenja, odnosno “jednake duljine i jednake udaljenosti”. Jednaka duljina osigurava da dva diferencijalna signala održavaju suprotne polaritete cijelo vrijeme i smanjuju komponentu zajedničkog moda; jednaka je udaljenost uglavnom kako bi se osiguralo da su diferencijalne impedancije dvaju konzistentne i smanjile refleksije. “Što je moguće bliže” ponekad je jedan od zahtjeva diferencijalnog ožičenja. No, sva se ta pravila ne koriste mehanički, a čini se da mnogi inženjeri još uvijek ne razumiju bit diferencijalnog prijenosa signala velike brzine.

Sljedeće se usredotočuje na nekoliko uobičajenih nesporazuma u dizajnu diferencijalnog signala PCB-a.

Nesporazum 1: Vjeruje se da diferencijalni signal ne treba uzemljenje kao povratni put, ili da diferencijalni tragovi međusobno osiguravaju povratni put. Razlog za ovaj nesporazum je to što su zbunjeni površnim pojavama, ili mehanizam brzog prijenosa signala nije dovoljno dubok. Iz strukture prijamnog kraja sa slike 1-8-15 može se vidjeti da su struje emitera tranzistora Q3 i Q4 jednake i suprotne, a njihove struje u zemlji se međusobno točno poništavaju (I1=0), pa se diferencijalni krug je Slični odboji i drugi signali šuma koji mogu postojati na ravnima napajanja i uzemljenja su neosjetljivi. Djelomično poništavanje povrata ravnine uzemljenja ne znači da diferencijalni krug ne koristi referentnu ravninu kao povratni put signala. Zapravo, u analizi povrata signala, mehanizam diferencijalnog ožičenja i običnog jednoslojnog ožičenja je isti, odnosno visokofrekventni signali se uvijek reflow duž petlje s najmanjom induktivnošću, najveća razlika je u tome što osim spojka na tlo, diferencijalni vod također ima međusobno spajanje. Koja je vrsta sprege jaka, koja postaje glavni povratni put. Slika 1-8-16 je shematski dijagram raspodjele geomagnetskog polja jednostranih i diferencijalnih signala.

U dizajnu PCB sklopa, veza između diferencijalnih tragova je općenito mala, često čini samo 10 do 20% stupnja spajanja, a više je spajanje na tlo, tako da glavni povratni put diferencijalnog traga još uvijek postoji na zemlji avion . Kada je uzemljena ravnina diskontinuirana, spoj između diferencijalnih tragova će osigurati glavni povratni put u području bez referentne ravnine, kao što je prikazano na slici 1-8-17. Iako utjecaj diskontinuiteta referentne ravnine na diferencijalni trag nije tako ozbiljan kao kod običnog jednostrukog traga, ipak će smanjiti kvalitetu diferencijalnog signala i povećati EMI, što bi trebalo izbjegavati koliko god je to moguće . Neki dizajneri vjeruju da se referentna ravnina ispod diferencijalnog traga može ukloniti kako bi se potisnuli neki uobičajeni signali u diferencijalnom prijenosu. Međutim, ovaj pristup u teoriji nije poželjan. Kako kontrolirati impedanciju? Nepružanje petlje impedancije uzemljenja za signal zajedničkog načina neizbježno će uzrokovati EMI zračenje. Ovakav pristup donosi više štete nego koristi.

Nesporazum 2: Vjeruje se da je održavanje jednakog razmaka važnije od podudaranja duljine redaka. U stvarnom rasporedu PCB-a, često nije moguće udovoljiti zahtjevima diferencijalnog dizajna u isto vrijeme. Zbog postojanja distribucije pinova, prolaza i prostora za ožičenje, svrha usklađivanja duljine vodova mora se postići pravilnim namotavanjem, ali rezultat mora biti da neka područja diferencijalnog para ne mogu biti paralelna. Što bismo trebali učiniti u ovom trenutku? Koji izbor? Prije donošenja zaključaka, pogledajmo sljedeće rezultate simulacije.

Iz gornjih rezultata simulacije može se vidjeti da se valni oblici sheme 1 i sheme 2 gotovo podudaraju, odnosno da je utjecaj uzrokovan nejednakim razmakom minimalan. Za usporedbu, utjecaj neusklađenosti duljine linije na vrijeme je mnogo veći. (Shema 3). Iz teorijske analize, iako će nedosljedni razmak uzrokovati promjenu diferencijalne impedancije, jer spoj između diferencijalnog para nije značajan, raspon promjene impedancije je također vrlo mali, obično unutar 10%, što je ekvivalentno samo jednom prolazu . Refleksija uzrokovana rupom neće imati značajan utjecaj na prijenos signala. Nakon što se duljina linije ne podudara, uz vremenski pomak, u diferencijalni signal se uvode komponente zajedničkog moda, što smanjuje kvalitetu signala i povećava EMI.

Može se reći da je najvažnije pravilo u dizajnu diferencijalnih tragova PCB-a podudarna duljina linije, a ostalim pravilima se može fleksibilno rukovati prema zahtjevima dizajna i praktičnim primjenama.

Nesporazum 3: Mislite da diferencijalno ožičenje mora biti vrlo blizu. Održavanje diferencijalnih tragova blizu nije ništa drugo nego poboljšati njihovo spajanje, što ne samo da može poboljšati otpornost na buku, već i u potpunosti iskoristiti suprotni polaritet magnetskog polja za neutraliziranje elektromagnetskih smetnji prema vanjskom svijetu. Iako je ovaj pristup u većini slučajeva vrlo koristan, nije apsolutan. Ako možemo osigurati da su u potpunosti zaštićeni od vanjskih smetnji, onda ne trebamo koristiti jaku spregu da bismo postigli anti-interferenciju. I svrha suzbijanja EMI. Kako možemo osigurati dobru izolaciju i zaštitu diferencijalnih tragova? Povećanje razmaka s drugim tragovima signala jedan je od najosnovnijih načina. Energija elektromagnetskog polja opada s kvadratom udaljenosti. Općenito, kada razmak između redaka prelazi 4 puta širinu linije, interferencija između njih je iznimno slaba. Može se zanemariti. Osim toga, izolacija od strane uzemljenja također može igrati dobru zaštitnu ulogu. Ova se struktura često koristi u visokofrekventnom (iznad 10G) IC paketu PCB dizajna. Zove se CPW struktura, koja može osigurati strogu diferencijalnu impedanciju. Kontrola (2Z0), kao što je prikazano na slici 1-8-19.

Diferencijalni tragovi također se mogu izvoditi u različitim slojevima signala, ali ova metoda se općenito ne preporučuje, jer će razlike u impedanciji i propusnim spojevima koje proizvode različiti slojevi uništiti učinak prijenosa diferencijalnog moda i unijeti šum uobičajenog načina rada. Osim toga, ako dva susjedna sloja nisu čvrsto povezana, to će smanjiti sposobnost diferencijalnog traga da se odupre šumu, ali ako možete održavati odgovarajuću udaljenost od okolnih tragova, preslušavanje nije problem. Na općim frekvencijama (ispod GHz), EMI neće predstavljati ozbiljan problem. Eksperimenti su pokazali da je slabljenje zračene energije na udaljenosti od 500 mils od diferencijalnog traga doseglo 60 dB na udaljenosti od 3 metra, što je dovoljno da zadovolji FCC standard za elektromagnetsko zračenje, tako da se projektant također ne mora brinuti mnogo o elektromagnetskoj nekompatibilnosti uzrokovanoj nedovoljnim spajanjem diferencijalnih linija.

3. Serpentinska linija

Snake line je vrsta metode usmjeravanja koja se često koristi u Layoutu. Njegova je glavna svrha prilagoditi kašnjenje kako bi zadovoljio zahtjeve dizajna vremena sustava. Dizajner prvo mora imati ovo razumijevanje: serpentina će uništiti kvalitetu signala, promijeniti kašnjenje prijenosa i pokušati izbjeći korištenje pri ožičenju. Međutim, u stvarnom dizajnu, kako bi se osiguralo da signal ima dovoljno vremena zadržavanja, ili kako bi se smanjio vremenski odmak između iste grupe signala, često je potrebno namjerno namotati žicu.

Dakle, kakav učinak ima serpentinasta linija na prijenos signala? Na što trebam obratiti pažnju prilikom ožičenja? Dva najkritičnija parametra su duljina paralelnog spajanja (Lp) i udaljenost spajanja (S), kao što je prikazano na slici 1-8-21. Očito, kada se signal prenosi na serpentinasti trag, segmenti paralelne linije bit će spojeni u diferencijalnom načinu. Što je manji S i veći Lp, to je veći stupanj sprege. To može uzrokovati smanjenje kašnjenja prijenosa, a kvaliteta signala je znatno smanjena zbog preslušavanja. Mehanizam se može odnositi na analizu uobičajenog i diferencijalnog preslušavanja u 3. poglavlju.

Slijede neki prijedlozi za inženjere izgleda kada rade sa serpentinastim linijama:

1. Pokušajte povećati udaljenost (S) paralelnih linijskih segmenata, barem veću od 3H, H se odnosi na udaljenost od traga signala do referentne ravnine. Laički rečeno, to je obići veliki zavoj. Sve dok je S dovoljno velik, učinak međusobnog spajanja može se gotovo u potpunosti izbjeći. 2. Smanjite duljinu spojke Lp. Kada se dvostruko Lp kašnjenje približi ili prijeđe vrijeme porasta signala, generirani preslušavanje će doseći zasićenje. 3. Kašnjenje prijenosa signala uzrokovano serpentinastim linijama trakaste linije ili ugrađene mikrotrake manje je od kašnjenja mikrotrake. U teoriji, trakasta linija neće utjecati na brzinu prijenosa zbog preslušavanja u diferencijalnom načinu rada. 4. Za signalne linije velike brzine i one sa strogim vremenskim zahtjevima, pokušajte ne koristiti serpentinaste linije, osobito u malim područjima. 5. Često možete koristiti serpentinaste tragove pod bilo kojim kutom, kao što je C struktura na slici 1-8-20, koja može učinkovito smanjiti međusobno spajanje. 6. U dizajnu PCB-a velike brzine, serpentinasta linija nema takozvanu sposobnost filtriranja ili sprječavanja smetnji, i može samo smanjiti kvalitetu signala, tako da se koristi samo za usklađivanje vremena i nema drugu svrhu. 7. Ponekad možete razmotriti spiralno usmjeravanje za namotavanje. Simulacija pokazuje da je njegov učinak bolji od normalnog usmjeravanja serpentina.