Az elrendezés az egyik legalapvetőbb munkaismeret a PCB tervezőmérnökök számára. A vezetékek minősége közvetlenül befolyásolja az egész rendszer teljesítményét. A legtöbb nagysebességű tervezési elméletet végre végre kell hajtani és ellenőrizni kell az elrendezésen keresztül. Látható, hogy a vezetékezés nagyon fontos nagy sebességű NYÁK tervezés. Az alábbiakban elemezni fogunk néhány olyan helyzet ésszerűségét, amelyek a tényleges vezetékezés során előfordulhatnak, és néhány optimalizált útválasztási stratégiát adunk.

Főleg három aspektusból magyarázzák: derékszögű huzalozás, differenciál huzalozás és szerpentin vezetékezés.

1. Derékszögű útválasztás

A derékszögű huzalozás általában olyan helyzet, amelyet a lehető legnagyobb mértékben el kell kerülni a NYÁK-kábelezésben, és szinte a vezetékek minőségének mérésének egyik szabványává vált. Tehát mekkora befolyással lesz a derékszögű vezetékezés a jelátvitelre? Elvileg a derékszögű útválasztás megváltoztatja az átviteli vonal vonalszélességét, ami folytonossági zavart okoz az impedanciában. Valójában nem csak a derékszögű útválasztás, hanem a sarkok és a hegyesszögű útválasztás is okozhat impedanciaváltozásokat.

A derékszögű útválasztásnak a jelre gyakorolt ​​hatása elsősorban három vonatkozásban tükröződik:

Az egyik az, hogy a sarok egyenértékű lehet a távvezeték kapacitív terhelésével, ami lelassítja az emelkedési időt; a második az, hogy az impedancia folytonossági hiánya jelvisszaverődést okoz; a harmadik a derékszögű csúcs által generált EMI.

A távvezeték derékszögéből adódó parazita kapacitás a következő tapasztalati képlettel számítható ki:

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

A fenti képletben C a sarok ekvivalens kapacitására (mértékegysége: pF), W a nyomvonal szélességére (mértékegysége: hüvelyk), εr a közeg dielektromos állandójára, Z0 pedig a karakterisztikus impedanciára. a távvezetékről. Például egy 4Mils 50 ohmos átviteli vezetéknél (εr 4.3) a derékszöggel hozott kapacitás kb. 0.0101pF, és akkor az ebből származó felfutási idő változása megbecsülhető:

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

Számítással látható, hogy a derékszögű nyom által keltett kapacitáshatás rendkívül kicsi.

A derékszögű nyomvonal vonalszélességének növekedésével az ottani impedancia csökken, így bizonyos jelvisszaverődési jelenség lép fel. A vezetékszélesség növekedése után az ekvivalens impedanciát a távvezeték fejezetben említett impedanciaszámítási képlet alapján számíthatjuk ki, majd az empirikus képlet alapján számítsuk ki a visszaverődési együtthatót:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Általában a derékszögű huzalozás okozta impedanciaváltozás 7-20% között van, tehát a maximális reflexiós együttható körülbelül 0.1. Sőt, amint az az alábbi ábrán látható, az átviteli vezeték impedanciája a W/2 vezeték hosszán belül a minimumra változik, majd a W/2 időpontja után visszaáll a normál impedanciára. A teljes impedanciaváltozási idő rendkívül rövid, gyakran 10ps-on belül. Belül az ilyen gyors és kis változtatások szinte elhanyagolhatóak az általános jelátvitelhez.

Sokan ismerik a derékszögű vezetékezést. Úgy gondolják, hogy a hegy könnyen továbbítja vagy fogadja az elektromágneses hullámokat, és EMI-t generál. Ez lett az egyik oka annak, hogy sokan úgy gondolják, hogy a derékszögű vezetékeket nem lehet elvezetni. Számos tényleges vizsgálati eredmény azonban azt mutatja, hogy a derékszögű nyomok nem eredményeznek nyilvánvaló EMI-t, mint az egyenes vonalakat. Lehet, hogy a jelenlegi műszerteljesítmény és a tesztszint korlátozza a teszt pontosságát, de legalább egy problémát jelez. A derékszögű huzalozás sugárzása már kisebb, mint magának a műszernek a mérési hibája.

Általánosságban elmondható, hogy a derékszögű útválasztás nem olyan szörnyű, mint képzelték. Legalábbis a GHz alatti alkalmazásokban az olyan hatások, mint a kapacitás, a visszaverődés, az EMI stb., alig tükröződnek a TDR-tesztekben. A nagysebességű PCB-tervező mérnököknek továbbra is az elrendezésre, a tápellátás/földelés tervezésére és a vezetékezésre kell összpontosítaniuk. Lyukakon keresztül és egyéb szempontok szerint. Természetesen bár a derékszögű vezetékezés hatása nem túl komoly, ez nem jelenti azt, hogy a jövőben mindannyian használhatunk derékszögű vezetékeket. A részletekre való odafigyelés az az alapvető tulajdonság, amellyel minden jó mérnöknek rendelkeznie kell. Sőt, a digitális áramkörök gyors fejlődésével a PCB A mérnökök által feldolgozott jel frekvenciája tovább fog növekedni. A 10 GHz feletti rádiófrekvenciás tervezés területén ezek a kis derékszögek a nagy sebességgel kapcsolatos problémák középpontjába kerülhetnek.

2. Differenciális útválasztás

A differenciáljelet (DifferentialSignal) egyre szélesebb körben alkalmazzák a nagysebességű áramkörök tervezésében. Az áramkör legkritikusabb jelét gyakran differenciálszerkezettel tervezik. Mitől olyan népszerű? Hogyan biztosítható a jó teljesítmény a PCB tervezésben? Ezzel a két kérdéssel folytatjuk a vita következő részét.

Mi az a differenciáljel? Laikus kifejezéssel élve, a meghajtó oldal két egyenlő és fordított jelet küld, és a fogadó oldal a két feszültség különbségének összehasonlításával ítéli meg a „0” vagy „1” logikai állapotot. A differenciáljeleket hordozó nyompárt differenciálnyomoknak nevezzük.

A közönséges egyvégű jelnyomokhoz képest a differenciáljeleknek a következő három szempontból vannak a legnyilvánvalóbb előnyei:

a. Erős interferencia gátló képesség, mert nagyon jó a csatolás a két differenciálnyom között. Kívülről zajos interferencia esetén szinte egyszerre kapcsolódnak a két vonalhoz, és a vevővég csak a két jel közötti különbséggel törődik. Ezért a külső közös módú zaj teljesen kioltható. b. Hatékonyan elnyomja az EMI-t. Ugyanezen okból kifolyólag a két jel ellentétes polaritása miatt az általuk kisugárzott elektromágneses terek kiolthatják egymást. Minél szorosabb a csatolás, annál kevesebb elektromágneses energia áramlik ki a külvilág felé. c. Az időzítés pontos. Mivel a differenciáljel kapcsolóváltása a két jel metszéspontjában található, ellentétben a hagyományos egyvégű jellel, amely a magas és az alacsony küszöbfeszültségtől függ, ezért kevésbé befolyásolja a folyamat és a hőmérséklet, ami csökkenti az időzítési hibát. , De alkalmasabb kis amplitúdójú jeláramkörökhöz is. A jelenleg népszerű LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling) erre a kis amplitúdójú differenciális jeltechnológiára utal.

A NYÁK-mérnökök számára a legnagyobb gond az, hogyan biztosítható, hogy a differenciálvezetékek előnyeit teljes mértékben ki lehessen használni a tényleges vezetékezésben. Talán bárki, aki kapcsolatba került a Layouttal, megérti a differenciálvezetékek általános követelményeit, vagyis az „egyenlő hosszúság és egyenlő távolság”. Az egyenlő hosszúság biztosítja, hogy a két differenciáljel mindig ellentétes polaritást tartson fenn, és csökkentse a közös módusú komponenst; az egyenlő távolság elsősorban annak biztosítására szolgál, hogy a kettő különbségi impedanciái konzisztensek legyenek, és csökkentsék a visszaverődést. A „lehetőleg közel” néha a differenciálvezetékek egyik követelménye. De mindezeket a szabályokat nem mechanikusan alkalmazzák, és úgy tűnik, sok mérnök még mindig nem érti a nagy sebességű differenciáljelátvitel lényegét.

A következőkben a PCB differenciáljelek tervezésében előforduló gyakori félreértésekre összpontosítunk.

1. félreértés: Úgy gondolják, hogy a differenciáljelnek nincs szüksége alapsíkra visszatérő útként, vagy a differenciálnyomok visszatérő utat biztosítanak egymásnak. Ennek a félreértésnek az az oka, hogy felületes jelenségek zavarják meg őket, vagy a nagysebességű jelátvitel mechanizmusa nem elég mély. Az 1-8-15. ábra vevővégének felépítéséből látható, hogy a Q3 és Q4 tranzisztorok emitterárama egyenlő és ellentétes, és a földi áramuk pontosan kioltja egymást (I1=0), így a A differenciáláramkör a hasonló visszaverődések és egyéb zajjelek, amelyek a táp- és a földsíkon előfordulhatnak, érzéketlenek. Az alapsík részleges visszatérési törlése nem jelenti azt, hogy a differenciáláramkör nem használja a referenciasíkot a jel visszatérési útjaként. Valójában a jelvisszatérési elemzésben a differenciálvezetékek és a közönséges egyvégű huzalozás mechanizmusa megegyezik, vagyis a nagyfrekvenciás jelek mindig a legkisebb induktivitású hurok mentén visszafolynak, a legnagyobb különbség az, hogy amellett, hogy a tengelykapcsoló a talajhoz, a differenciálvezetéknek is van kölcsönös csatolása. Melyik kapcsolás erős, melyik lesz a fő visszatérő út. Az 1-8-16. ábra az egyvégű jelek és a differenciáljelek geomágneses téreloszlásának sematikus diagramja.

A NYÁK-áramkör tervezésénél a differenciálnyomok közötti csatolás általában kicsi, gyakran csak a csatolási fok 10-20%-át teszi ki, és több a földhöz való csatolás, így a differenciálnyom fő visszatérési útja továbbra is a talajon van. repülőgép . Ha az alapsík nem folytonos, a differenciálnyomok közötti csatolás biztosítja a fő visszatérési utat a referenciasík nélküli területen, amint az 1-8-17 ábrán látható. Bár a referenciasík folytonossági hiányának a differenciálnyomra gyakorolt ​​hatása nem olyan súlyos, mint a hagyományos egyvégű nyomvonalé, mégis csökkenti a differenciáljel minőségét és növeli az EMI-t, amit a lehető legnagyobb mértékben el kell kerülni. . Egyes tervezők úgy vélik, hogy a differenciálnyom alatti referenciasíkot el lehet távolítani, hogy elnyomjanak néhány közös módú jelet a differenciálátvitelben. Ez a megközelítés azonban elméletben nem kívánatos. Hogyan lehet szabályozni az impedanciát? Ha nem biztosít földimpedancia hurkot a közös módú jelhez, az elkerülhetetlenül EMI-sugárzást okoz. Ez a megközelítés többet árt, mint használ.

2. félreértés: Úgy gondolják, hogy az egyenlő távolság megtartása fontosabb, mint a vonalhosszúság egyeztetése. A tényleges NYÁK-elrendezésben gyakran nem lehet egyszerre teljesíteni a differenciáltervezés követelményeit. A tűelosztás, átmenetek és vezetékezési tér megléte miatt a vonalhossz-illesztés célját megfelelő tekercseléssel kell elérni, de ennek az kell lennie, hogy a differenciálpár egyes területei nem lehetnek párhuzamosak. Mit tegyünk ilyenkor? Melyik választás? Mielőtt következtetéseket vonnánk le, nézzük meg a következő szimulációs eredményeket.

A fenti szimulációs eredményekből látható, hogy az 1. és 2. séma hullámformái szinte egybeesnek, vagyis az egyenlőtlen térköz által okozott hatás minimális. Összehasonlításképpen, a vonalhosszúság eltérésének hatása az időzítésre sokkal nagyobb. (3. séma). Az elméleti elemzés alapján, bár az inkonzisztens térköz a differenciálimpedancia változását okozza, mivel maga a differenciálpár közötti csatolás nem szignifikáns, az impedancia változási tartománya is nagyon kicsi, általában 10%-on belüli, ami csak egy menetnek felel meg. . A lyuk által okozott visszaverődésnek nincs jelentős hatása a jelátvitelre. Ha a vonal hossza nem egyezik, az időzítési eltoláson kívül közös módú komponenseket vezetnek be a differenciáljelbe, ami csökkenti a jel minőségét és növeli az EMI-t.

Elmondható, hogy a PCB differenciálnyomok tervezésénél a legfontosabb szabály az illesztési vonalhossz, a többi szabály pedig rugalmasan kezelhető a tervezési követelményeknek és a gyakorlati alkalmazásoknak megfelelően.

3. félreértés: Gondoljon arra, hogy a differenciálvezetéknek nagyon közel kell lennie. A differenciálnyomok közel tartása nem más, mint a csatolásuk javítása, ami nemcsak a zaj elleni védelem javítását, hanem a mágneses tér ellentétes polaritásának teljes kihasználását is jelenti a külvilág elektromágneses interferenciájának ellensúlyozására. Bár ez a megközelítés a legtöbb esetben nagyon előnyös, nem abszolút. Ha biztosítani tudjuk, hogy teljesen védve legyenek a külső interferencia ellen, akkor nem kell erős csatolást alkalmaznunk az interferencia elleni küzdelemhez. És az EMI elnyomásának célja. Hogyan biztosíthatjuk a differenciálnyomok jó szigetelését és árnyékolását? A távolság növelése más jelnyomokkal az egyik legalapvetőbb módszer. Az elektromágneses tér energiája a távolság négyzetével csökken. Általában, ha a sortávolság meghaladja a sorszélesség 4-szeresét, a köztük lévő interferencia rendkívül gyenge. Figyelmen kívül hagyható. Ezenkívül az alapsík általi szigetelés jó árnyékoló szerepet is betölthet. Ezt a szerkezetet gyakran használják a nagyfrekvenciás (10G feletti) IC-csomagos PCB-tervezésben. CPW struktúrának hívják, amely szigorú differenciális impedanciát tud biztosítani. Vezérlő (2Z0), ahogy az 1-8-19 ábrán látható.

A differenciálnyomok különböző jelrétegekben is futhatnak, de ez a módszer általában nem javasolt, mert a különböző rétegek impedancia- és átmenetbeli különbségei tönkreteszik a differenciális módusú átvitel hatását és közös módú zajt vezetnek be. Ezenkívül, ha a szomszédos két réteg nincs szorosan összekapcsolva, az csökkenti a differenciálnyom zajállóságát, de ha megfelelő távolságot tudunk tartani a környező nyomoktól, akkor az áthallás nem jelent problémát. Általános frekvenciákon (GHz alatt) az EMI nem jelent komoly problémát. Kísérletek kimutatták, hogy a kisugárzott energia csillapítása a differenciálnyomtól 500 miles távolságban elérte a 60 dB-t 3 méteres távolságban, ami elegendő az FCC elektromágneses sugárzási szabvány teljesítéséhez, így a tervezőnek sem kell aggódnia. sokat az elégtelen differenciálvonal-csatolás okozta elektromágneses összeférhetetlenségről.

3. Szerpentin vonal

A kígyóvonal az elrendezésben gyakran használt útválasztási módszer. Fő célja a késleltetés beállítása a rendszeridőzítés tervezési követelményeinek megfelelően. A tervezőnek először meg kell értenie: a szerpentin vezeték tönkreteszi a jel minőségét, megváltoztatja az átviteli késleltetést, és megpróbálja elkerülni a vezetékezés során. A tényleges tervezésben azonban annak biztosítása érdekében, hogy a jelnek elegendő tartási ideje legyen, vagy hogy csökkentsük az azonos jelcsoportok közötti időeltolást, gyakran szükség van a vezeték szándékos feltekerésére.

Tehát milyen hatással van a szerpentin vonal a jelátvitelre? Mire kell figyelni a vezetékezésnél? A két legkritikusabb paraméter a párhuzamos tengelykapcsoló hossza (Lp) és a csatolási távolság (S), amint az 1-8-21 ábrán látható. Nyilvánvaló, hogy amikor a jelet a szerpentin nyomvonalon továbbítják, a párhuzamos vonalszakaszok differenciális módban kapcsolódnak össze. Minél kisebb az S és minél nagyobb az Lp, annál nagyobb a csatolás mértéke. Ez csökkentheti az átviteli késleltetést, és az áthallás miatt jelentősen romlik a jel minősége. A mechanizmus utalhat a közös módú és a differenciális módusú áthallás elemzésére a 3. fejezetben.

Íme néhány javaslat az elrendezési mérnökök számára, amikor szerpentinvonalakkal foglalkoznak:

1. Próbálja meg növelni a párhuzamos vonalszakaszok távolságát (S), legalább 3H-nál nagyobbra, a H a jelnyom és a referenciasík távolságára vonatkozik. Laikus szóval egy nagy kanyar megkerülése. Amíg S elég nagy, a kölcsönös csatoló hatás szinte teljesen elkerülhető. 2. Csökkentse a tengelykapcsoló hosszát Lp. Amikor a dupla Lp késleltetés megközelíti vagy meghaladja a jel felfutási idejét, a generált áthallás eléri a telítettséget. 3. A Strip-Line vagy az Embedded Micro-szalag szerpentin vonala által okozott jelátviteli késleltetés kisebb, mint a Micro-szalagé. Elméletileg a szalagvezeték nem befolyásolja az átviteli sebességet a differenciális módusú áthallás miatt. 4. A nagy sebességű jelzővonalak és a szigorú időzítési követelményeket támasztó vonalak esetében lehetőleg ne használjon szerpentin vonalakat, különösen kis területeken. 5. Gyakran bármilyen szögben használhat kígyónyomokat, például az 1-8-20 ábrán látható C szerkezetet, amely hatékonyan csökkentheti a kölcsönös csatolást. 6. A nagy sebességű PCB tervezésben a szerpentin vonal nem rendelkezik úgynevezett szűrési vagy interferencia-elhárító képességgel, és csak a jel minőségét tudja csökkenteni, ezért csak időzítési illesztésre használják, és nincs más célja. 7. Néha fontolóra veheti a spirálvezetést a tekercseléshez. A szimuláció azt mutatja, hogy a hatása jobb, mint a normál szerpentin-útvonal.