Tata letak adalah salah satu keterampilan kerja paling dasar untuk insinyur desain PCB. Kualitas kabel akan secara langsung mempengaruhi kinerja seluruh sistem. Sebagian besar teori desain berkecepatan tinggi akhirnya harus diimplementasikan dan diverifikasi melalui Tata Letak. Dapat dilihat bahwa pengkabelan sangat penting dalam PCB berkecepatan tinggi desain. Berikut ini akan menganalisis rasionalitas dari beberapa situasi yang mungkin dihadapi dalam pengkabelan yang sebenarnya, dan memberikan beberapa strategi perutean yang lebih optimal.

Hal ini terutama dijelaskan dari tiga aspek: kabel sudut kanan, kabel diferensial, dan kabel serpentine.

1. Perutean sudut kanan

Pengkabelan sudut kanan umumnya merupakan situasi yang perlu dihindari sebanyak mungkin dalam pengkabelan PCB, dan ini hampir menjadi salah satu standar untuk mengukur kualitas pengkabelan. Jadi seberapa besar pengaruh kabel sudut kanan terhadap transmisi sinyal? Pada prinsipnya, perutean sudut kanan akan mengubah lebar saluran transmisi, menyebabkan diskontinuitas dalam impedansi. Faktanya, tidak hanya perutean sudut kanan, tetapi juga perutean sudut dan sudut akut dapat menyebabkan perubahan impedansi.

Pengaruh perutean sudut kanan pada sinyal terutama tercermin dalam tiga aspek:

Salah satunya adalah bahwa sudut dapat setara dengan beban kapasitif pada saluran transmisi, yang memperlambat waktu naik; yang kedua adalah bahwa diskontinuitas impedansi akan menyebabkan refleksi sinyal; yang ketiga adalah EMI yang dihasilkan oleh ujung sudut kanan.

Kapasitansi parasit yang disebabkan oleh sudut kanan saluran transmisi dapat dihitung dengan rumus empiris berikut:

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

Dalam rumus di atas, C mengacu pada kapasitansi ekivalen dari sudut (satuan: pF), W mengacu pada lebar jejak (satuan: inci), r mengacu pada konstanta dielektrik medium, dan Z0 adalah impedansi karakteristik dari saluran transmisi. Misalnya, untuk saluran transmisi 4Mils 50 ohm (εr adalah 4.3), kapasitansi yang dibawa oleh sudut siku-siku adalah sekitar 0.0101pF, dan kemudian perubahan waktu naik yang disebabkan oleh ini dapat diperkirakan:

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

Dapat dilihat melalui perhitungan bahwa efek kapasitansi yang dibawa oleh jejak sudut kanan sangat kecil.

Ketika lebar garis jejak sudut kanan meningkat, impedansi di sana akan berkurang, sehingga fenomena pantulan sinyal tertentu akan terjadi. Kita dapat menghitung impedansi ekivalen setelah lebar saluran bertambah sesuai dengan rumus perhitungan impedansi yang disebutkan pada bab saluran transmisi, dan kemudian Menghitung koefisien refleksi sesuai dengan rumus empiris:

=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Umumnya, perubahan impedansi yang disebabkan oleh kabel sudut kanan adalah antara 7% -20%, sehingga koefisien refleksi maksimum sekitar 0.1. Selain itu, seperti dapat dilihat dari gambar di bawah, impedansi saluran transmisi berubah ke minimum dalam panjang saluran W/2, dan kemudian kembali ke impedansi normal setelah waktu W/2. Seluruh waktu perubahan impedansi sangat singkat, seringkali dalam 10 ps. Di dalam, perubahan cepat dan kecil seperti itu hampir dapat diabaikan untuk transmisi sinyal umum.

Banyak orang memiliki pemahaman tentang pengkabelan sudut kanan ini. Mereka berpikir bahwa ujungnya mudah untuk mengirim atau menerima gelombang elektromagnetik dan menghasilkan EMI. Ini telah menjadi salah satu alasan mengapa banyak orang berpikir bahwa kabel sudut kanan tidak dapat dirutekan. Namun, banyak hasil tes yang sebenarnya menunjukkan bahwa jejak siku-siku tidak akan menghasilkan EMI yang jelas daripada garis lurus. Mungkin kinerja instrumen saat ini dan tingkat pengujian membatasi keakuratan pengujian, tetapi setidaknya itu menggambarkan masalah. Radiasi kabel siku-siku sudah lebih kecil dari kesalahan pengukuran instrumen itu sendiri.

Secara umum, perutean sudut kanan tidak seburuk yang dibayangkan. Setidaknya dalam aplikasi di bawah GHz, efek apa pun seperti kapasitansi, pantulan, EMI, dll. hampir tidak terlihat dalam pengujian TDR. Insinyur desain PCB berkecepatan tinggi tetap harus fokus pada tata letak, desain daya/tanah, dan desain kabel. Melalui lubang dan aspek lainnya. Tentu saja, meskipun dampak dari pengkabelan sudut kanan tidak terlalu serius, itu tidak berarti bahwa kita semua dapat menggunakan pengkabelan sudut kanan di masa depan. Perhatian terhadap detail adalah kualitas dasar yang harus dimiliki setiap insinyur yang baik. Apalagi dengan pesatnya perkembangan sirkuit digital, PCB Frekuensi sinyal yang diproses oleh para insinyur akan terus meningkat. Di bidang desain RF di atas 10GHz, sudut siku-siku kecil ini dapat menjadi fokus masalah kecepatan tinggi.

2. Perutean diferensial

Sinyal diferensial (DifferentialSignal) semakin banyak digunakan dalam desain sirkuit kecepatan tinggi. Sinyal paling kritis dalam rangkaian sering dirancang dengan struktur diferensial. Apa yang membuatnya begitu populer? Bagaimana memastikan kinerja yang baik dalam desain PCB? Dengan dua pertanyaan ini, kami melanjutkan ke bagian diskusi berikutnya.

Apa itu sinyal diferensial? Dalam istilah awam, ujung penggerak mengirimkan dua sinyal yang sama dan terbalik, dan ujung penerima menilai status logika “0” atau “1” dengan membandingkan perbedaan antara dua tegangan. Sepasang jejak yang membawa sinyal diferensial disebut jejak diferensial.

Dibandingkan dengan jejak sinyal ujung tunggal biasa, sinyal diferensial memiliki keunggulan paling jelas dalam tiga aspek berikut:

A. Kemampuan anti-interferensi yang kuat, karena kopling antara dua jejak diferensial sangat baik. Ketika ada gangguan kebisingan dari luar, mereka hampir digabungkan ke dua saluran pada saat yang sama, dan ujung penerima hanya peduli dengan perbedaan antara dua sinyal. Oleh karena itu, kebisingan mode umum eksternal dapat sepenuhnya dibatalkan. B. Secara efektif dapat menekan EMI. Untuk alasan yang sama, karena polaritas yang berlawanan dari dua sinyal, medan elektromagnetik yang dipancarkan oleh mereka dapat membatalkan satu sama lain. Semakin erat kopling, semakin sedikit energi elektromagnetik yang dilepaskan ke dunia luar. C. Posisi waktu akurat. Karena perubahan sakelar sinyal diferensial terletak di persimpangan dua sinyal, tidak seperti sinyal ujung tunggal biasa, yang bergantung pada tegangan ambang batas tinggi dan rendah untuk menentukan, ini kurang terpengaruh oleh proses dan suhu, yang dapat mengurangi kesalahan dalam waktu. , Tetapi juga lebih cocok untuk sirkuit sinyal amplitudo rendah. LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling) yang populer saat ini mengacu pada teknologi sinyal diferensial amplitudo kecil ini.

Untuk insinyur PCB, yang paling menjadi perhatian adalah bagaimana memastikan bahwa keuntungan dari kabel diferensial ini dapat digunakan sepenuhnya dalam kabel yang sebenarnya. Mungkin siapa saja yang pernah berhubungan dengan Tata Letak akan memahami persyaratan umum pengkabelan diferensial, yaitu, “sama panjang dan sama jarak”. Panjang yang sama adalah untuk memastikan bahwa dua sinyal diferensial mempertahankan polaritas yang berlawanan setiap saat dan mengurangi komponen mode umum; jarak yang sama terutama untuk memastikan bahwa impedansi diferensial dari keduanya konsisten dan mengurangi refleksi. “Sedekat mungkin” terkadang merupakan salah satu persyaratan kabel diferensial. Tetapi semua aturan ini tidak digunakan untuk diterapkan secara mekanis, dan banyak insinyur tampaknya masih belum memahami esensi dari transmisi sinyal diferensial kecepatan tinggi.

Berikut ini berfokus pada beberapa kesalahpahaman umum dalam desain sinyal diferensial PCB.

Kesalahpahaman 1: Diyakini bahwa sinyal diferensial tidak memerlukan bidang tanah sebagai jalur kembali, atau bahwa jejak diferensial memberikan jalur kembali satu sama lain. Alasan kesalahpahaman ini adalah bahwa mereka bingung dengan fenomena yang dangkal, atau mekanisme transmisi sinyal berkecepatan tinggi tidak cukup dalam. Dapat dilihat dari struktur ujung penerima Gambar 1-8-15 bahwa arus emitor transistor Q3 dan Q4 adalah sama dan berlawanan, dan arusnya di tanah saling meniadakan (I1=0), sehingga sirkuit diferensial adalah Pantulan serupa dan sinyal noise lainnya yang mungkin ada pada bidang daya dan ground tidak sensitif. Pembatalan pengembalian sebagian bidang tanah tidak berarti bahwa rangkaian diferensial tidak menggunakan bidang referensi sebagai jalur pengembalian sinyal. Faktanya, dalam analisis pengembalian sinyal, mekanisme pengkabelan diferensial dan pengkabelan ujung tunggal biasa adalah sama, yaitu, sinyal frekuensi tinggi selalu mengalir kembali di sepanjang loop dengan induktansi terkecil, perbedaan terbesar adalah bahwa selain kopling ke tanah, garis diferensial juga memiliki kopling timbal balik. Kopling jenis mana yang kuat, mana yang menjadi jalur balik utama. Gambar 1-8-16 adalah diagram skema distribusi medan geomagnetik dari sinyal ujung tunggal dan sinyal diferensial.

Dalam desain sirkuit PCB, kopling antara jejak diferensial umumnya kecil, seringkali hanya menyumbang 10 hingga 20% dari tingkat kopling, dan lebih banyak lagi adalah sambungan ke tanah, sehingga jalur kembali utama dari jejak diferensial masih ada di tanah. pesawat . Ketika bidang tanah terputus, kopling antara jejak diferensial akan memberikan jalur kembali utama di daerah tanpa bidang referensi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1-8-17. Meskipun pengaruh diskontinuitas bidang referensi pada jejak diferensial tidak seserius jejak ujung tunggal biasa, itu masih akan mengurangi kualitas sinyal diferensial dan meningkatkan EMI, yang harus dihindari sebisa mungkin. . Beberapa perancang percaya bahwa bidang referensi di bawah jejak diferensial dapat dihilangkan untuk menekan beberapa sinyal mode umum dalam transmisi diferensial. Namun, pendekatan ini tidak diinginkan dalam teori. Bagaimana cara mengontrol impedansi? Tidak menyediakan loop impedansi ground untuk sinyal mode umum pasti akan menyebabkan radiasi EMI. Pendekatan ini lebih banyak merugikan daripada kebaikan.

Kesalahpahaman 2: Diyakini bahwa menjaga jarak yang sama lebih penting daripada mencocokkan panjang garis. Dalam tata letak PCB yang sebenarnya, seringkali tidak mungkin untuk memenuhi persyaratan desain diferensial pada saat yang bersamaan. Karena adanya distribusi pin, vias, dan ruang pengkabelan, tujuan pencocokan panjang saluran harus dicapai melalui belitan yang tepat, tetapi hasilnya harus beberapa area dari pasangan diferensial tidak dapat paralel. Apa yang harus kita lakukan saat ini? Pilihan yang mana? Sebelum menarik kesimpulan, mari kita lihat hasil simulasi berikut.

Dari hasil simulasi di atas, terlihat bahwa bentuk gelombang Skema 1 dan Skema 2 hampir bertepatan, artinya pengaruh yang disebabkan oleh jarak yang tidak sama minimal. Sebagai perbandingan, pengaruh ketidakcocokan panjang garis pada waktu jauh lebih besar. (Skema 3). Dari analisis teoritis, meskipun jarak yang tidak konsisten akan menyebabkan impedansi diferensial berubah, karena kopling antara pasangan diferensial itu sendiri tidak signifikan, rentang perubahan impedansi juga sangat kecil, biasanya dalam 10%, yang hanya setara dengan satu lintasan. . Pantulan yang ditimbulkan oleh lubang tersebut tidak akan berdampak signifikan terhadap transmisi sinyal. Setelah panjang saluran tidak cocok, selain offset waktu, komponen mode umum dimasukkan ke dalam sinyal diferensial, yang mengurangi kualitas sinyal dan meningkatkan EMI.

Dapat dikatakan bahwa aturan terpenting dalam desain jejak diferensial PCB adalah panjang garis yang cocok, dan aturan lainnya dapat ditangani secara fleksibel sesuai dengan persyaratan desain dan aplikasi praktis.

Kesalahpahaman 3: Pikirkan bahwa kabel diferensial harus sangat dekat. Menjaga jejak diferensial dekat tidak lebih dari untuk meningkatkan kopling mereka, yang tidak hanya dapat meningkatkan kekebalan terhadap kebisingan, tetapi juga memanfaatkan sepenuhnya polaritas berlawanan dari medan magnet untuk mengimbangi interferensi elektromagnetik ke dunia luar. Meskipun pendekatan ini sangat bermanfaat dalam banyak kasus, itu tidak mutlak. Jika kita dapat memastikan bahwa mereka sepenuhnya terlindung dari gangguan eksternal, maka kita tidak perlu menggunakan kopling yang kuat untuk mencapai anti-interferensi. Dan tujuan menekan EMI. Bagaimana kita dapat memastikan isolasi dan perlindungan jejak diferensial yang baik? Meningkatkan jarak dengan jejak sinyal lainnya adalah salah satu cara paling dasar. Energi medan elektromagnetik berkurang dengan kuadrat jarak. Umumnya, ketika jarak garis melebihi 4 kali lebar garis, interferensi di antara keduanya sangat lemah. Bisa diabaikan. Selain itu, isolasi oleh ground plane juga dapat memainkan peran pelindung yang baik. Struktur ini sering digunakan dalam desain PCB paket IC frekuensi tinggi (di atas 10G). Ini disebut struktur CPW, yang dapat memastikan impedansi diferensial yang ketat. Kontrol (2Z0), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1-8-19.

Jejak diferensial juga dapat berjalan di lapisan sinyal yang berbeda, tetapi metode ini umumnya tidak disarankan, karena perbedaan impedansi dan vias yang dihasilkan oleh lapisan yang berbeda akan merusak efek transmisi mode diferensial dan menimbulkan noise mode umum. Selain itu, jika dua lapisan yang berdekatan tidak digabungkan dengan erat, itu akan mengurangi kemampuan jejak diferensial untuk menahan kebisingan, tetapi jika Anda dapat menjaga jarak yang tepat dari jejak di sekitarnya, crosstalk tidak menjadi masalah. Pada frekuensi umum (di bawah GHz), EMI tidak akan menjadi masalah serius. Percobaan telah menunjukkan bahwa redaman energi radiasi pada jarak 500 mils dari jejak diferensial telah mencapai 60 dB pada jarak 3 meter, yang cukup untuk memenuhi standar radiasi elektromagnetik FCC, sehingga Perancang tidak perlu khawatir juga. banyak tentang ketidakcocokan elektromagnetik yang disebabkan oleh kopling saluran diferensial yang tidak memadai.

3. Garis Serpentine

Snake line adalah jenis metode routing yang sering digunakan dalam Layout. Tujuan utamanya adalah untuk menyesuaikan penundaan untuk memenuhi persyaratan desain pengaturan waktu sistem. Perancang pertama-tama harus memiliki pemahaman ini: garis berkelok-kelok akan merusak kualitas sinyal, mengubah penundaan transmisi, dan mencoba menghindari menggunakannya saat memasang kabel. Namun, dalam desain yang sebenarnya, untuk memastikan bahwa sinyal memiliki waktu penahanan yang cukup, atau untuk mengurangi offset waktu antara kelompok sinyal yang sama, seringkali kabel perlu dililitkan dengan sengaja.

Jadi, apa pengaruh garis serpentine pada transmisi sinyal? Apa yang harus saya perhatikan saat memasang kabel? Dua parameter yang paling kritis adalah panjang kopling paralel (Lp) dan jarak kopling (S), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1-8-21. Jelas, ketika sinyal ditransmisikan pada jejak serpentine, segmen garis paralel akan digabungkan dalam mode diferensial. Semakin kecil S dan semakin besar Lp, semakin besar derajat kopling. Ini dapat menyebabkan penundaan transmisi berkurang, dan kualitas sinyal sangat berkurang karena crosstalk. Mekanismenya dapat merujuk pada analisis mode umum dan mode diferensial crosstalk di Bab 3.

Berikut ini adalah beberapa saran untuk insinyur Tata Letak ketika berhadapan dengan garis berkelok-kelok:

1. Cobalah untuk meningkatkan jarak (S) segmen garis paralel, setidaknya lebih besar dari 3H, H mengacu pada jarak dari jejak sinyal ke bidang referensi. Dalam istilah awam, itu berarti melewati tikungan besar. Selama S cukup besar, efek mutual coupling hampir dapat dihindari sepenuhnya. 2. Kurangi panjang kopling Lp. Ketika penundaan Lp ganda mendekati atau melebihi waktu naik sinyal, crosstalk yang dihasilkan akan mencapai saturasi. 3. Penundaan transmisi sinyal yang disebabkan oleh garis serpentine dari Strip-Line atau Embedded Micro-strip lebih kecil dari pada Micro-strip. Secara teori, stripline tidak akan mempengaruhi laju transmisi karena mode diferensial crosstalk. 4. Untuk jalur sinyal berkecepatan tinggi dan yang memiliki persyaratan waktu yang ketat, cobalah untuk tidak menggunakan jalur berbelit-belit, terutama di area kecil. 5. Anda sering dapat menggunakan jejak serpentine di setiap sudut, seperti struktur C pada Gambar 1-8-20, yang secara efektif dapat mengurangi kopling timbal balik. 6. Dalam desain PCB berkecepatan tinggi, garis serpentine tidak memiliki apa yang disebut kemampuan penyaringan atau anti-interferensi, dan hanya dapat mengurangi kualitas sinyal, sehingga hanya digunakan untuk pencocokan waktu dan tidak memiliki tujuan lain. 7. Terkadang Anda dapat mempertimbangkan perutean spiral untuk belitan. Simulasi menunjukkan bahwa efeknya lebih baik daripada perutean serpentine normal.