Tata letak adalah salah satu keterampilan kerja paling dasar dari Desain PCB insinyur. Kualitas pengkabelan akan secara langsung mempengaruhi kinerja seluruh sistem, sebagian besar teori desain kecepatan tinggi akhirnya harus direalisasikan dan diverifikasi oleh Tata Letak, sehingga dapat dilihat bahwa pengkabelan sangat penting dalam desain PCB berkecepatan tinggi. Berikut ini akan melihat kabel yang sebenarnya mungkin menghadapi beberapa situasi, analisis rasionalitas, dan memberikan beberapa strategi routing yang lebih optimal. Terutama dari garis Sudut kanan, garis perbedaan, garis ular dan sebagainya tiga aspek untuk diuraikan.

1. Garis pergi persegi panjang

Pengkabelan sudut kanan umumnya diperlukan untuk menghindari situasi dalam pengkabelan PCB, dan hampir menjadi salah satu standar untuk mengukur kualitas pengkabelan, jadi seberapa besar dampak pengkabelan sudut kanan pada transmisi sinyal? Pada prinsipnya, perkabelan sudut kanan akan mengubah lebar saluran transmisi, menghasilkan diskontinuitas impedansi. Sebenarnya, tidak hanya garis Sudut siku-siku, Sudut ton, garis Sudut lancip dapat menyebabkan perubahan impedansi.

Pengaruh penyelarasan sudut kanan pada sinyal terutama tercermin dalam tiga aspek: pertama, sudut dapat setara dengan beban kapasitif pada saluran transmisi, memperlambat waktu naik; Kedua, diskontinuitas impedansi akan menyebabkan pantulan sinyal; Ketiga, 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 di sudut (pF), W mengacu pada lebar saluran (inci), R mengacu pada konstanta dielektrik medium, dan Z0 adalah impedansi karakteristik transmisi garis. Misalnya, untuk saluran transmisi 4Mils 50 ohm (εr 4.3), kapasitansi sudut siku-siku adalah sekitar 0.0101pF, dan variasi waktu naik dapat diperkirakan:

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

Dapat dilihat dari perhitungan bahwa efek kapasitansi yang dibawa oleh kabel sudut kanan sangat kecil.

Dengan bertambahnya lebar garis dari garis sudut kanan, impedansi pada titik ini akan berkurang, sehingga akan ada fenomena pantulan sinyal tertentu. Kita dapat menghitung impedansi ekivalen setelah lebar saluran bertambah sesuai dengan rumus perhitungan impedansi yang disebutkan di bagian saluran transmisi, dan kemudian menghitung koefisien refleksi menurut rumus empiris: =(Zs-Z0)/(Zs+Z0), perkabelan sudut kanan umum yang mengakibatkan perubahan impedansi 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. Waktu untuk seluruh perubahan impedansi sangat singkat, biasanya dalam 10 ps. Perubahan yang begitu cepat dan kecil hampir dapat diabaikan untuk transmisi sinyal umum.

Banyak orang memiliki pemahaman seperti itu tentang perutean sudut kanan, percaya bahwa ujungnya mudah memancarkan atau menerima gelombang elektromagnetik dan menghasilkan EMI, yang telah menjadi salah satu alasan mengapa banyak orang berpikir perutean sudut kanan tidak mungkin. Namun, banyak hasil tes praktis menunjukkan bahwa garis siku-siku tidak menghasilkan banyak EMI daripada garis lurus. Mungkin kinerja instrumen dan tingkat pengujian saat ini membatasi keakuratan pengujian, tetapi setidaknya ini menunjukkan bahwa radiasi garis sudut siku-siku lebih kecil daripada kesalahan pengukuran instrumen itu sendiri. Secara umum, perataan sudut kanan tidak seburuk kelihatannya. Setidaknya dalam aplikasi di bawah GHz, efek apa pun seperti kapasitansi, pantulan, EMI, dll. hampir tidak tercermin dalam tes TDR. Insinyur desain PCB berkecepatan tinggi harus fokus pada tata letak, desain daya/tanah, desain kabel, perforasi, dll. Meskipun, tentu saja, efek dari garis lurus persegi panjang tidak terlalu serius, tetapi tidak berarti bahwa kita dapat berjalan di garis sudut yang benar, perhatian terhadap detail adalah kualitas penting untuk setiap insinyur yang baik, dan, dengan perkembangan pesat sirkuit digital. , Insinyur PCB yang memproses frekuensi sinyal juga akan terus meningkat, ke bidang desain RF lebih dari 10 GHZ, Sudut siku-siku kecil ini bisa menjadi fokus masalah kecepatan tinggi.

2. Selisih

Sinyal Diferensial digunakan secara luas dalam desain sirkuit berkecepatan tinggi. Sinyal terpenting dalam sebuah rangkaian adalah desain Sinyal Diferensial. Bagaimana memastikan kinerja yang baik dalam desain PCB? Dengan mengingat dua pertanyaan ini, kita beralih ke bagian selanjutnya dari diskusi kita.

Apa itu sinyal diferensial? Dalam bahasa Inggris sederhana, pengemudi mengirimkan dua sinyal yang setara dan membalikkan, dan penerima membandingkan perbedaan antara dua tegangan untuk menentukan apakah keadaan logisnya adalah “0” atau “1”. Sepasang kabel yang membawa sinyal diferensial disebut kabel diferensial.

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

A. Kemampuan anti-interferensi yang kuat, karena kopling antara dua saluran diferensial sangat baik, ketika ada gangguan kebisingan, mereka hampir digabungkan ke dua saluran pada saat yang sama, dan penerima hanya peduli tentang perbedaan antara dua sinyal, sehingga derau mode umum eksternal dapat sepenuhnya dibatalkan.

B. Secara efektif dapat menekan EMI. Demikian pula, karena dua sinyal memiliki polaritas yang berlawanan, medan elektromagnetik yang dipancarkan oleh mereka dapat membatalkan satu sama lain. Semakin dekat kopling, semakin sedikit energi elektromagnetik yang dilepaskan ke dunia luar.

C. Penentuan posisi waktu akurat. Karena perubahan switching sinyal diferensial terletak di persimpangan dua sinyal, tidak seperti sinyal ujung tunggal umum yang dinilai oleh tegangan ambang tinggi dan rendah, ini kurang terpengaruh oleh proses dan suhu, yang dapat mengurangi kesalahan waktu dan lebih cocok untuk sirkuit dengan sinyal amplitudo rendah. LVDS (low voltage differenTIalsignaling) mengacu pada teknologi sinyal diferensial amplitudo kecil ini.

Untuk insinyur PCB, perhatian yang paling penting adalah bagaimana memastikan bahwa keuntungan dari perutean diferensial ini dapat digunakan sepenuhnya dalam perutean yang sebenarnya. Mungkin selama berhubungan dengan Layout orang akan memahami persyaratan umum dari perutean diferensial, yaitu “panjang sama, jarak sama”. Isometrik adalah untuk memastikan bahwa dua sinyal diferensial selalu mempertahankan polaritas yang berlawanan, mengurangi komponen mode umum; Isometrik terutama untuk memastikan impedansi diferensial yang sama, mengurangi refleksi. “Sedekat mungkin” terkadang merupakan salah satu persyaratan untuk perutean diferensial. Tapi tak satu pun dari aturan ini dimaksudkan untuk diterapkan secara mekanis, dan banyak insinyur tampaknya tidak memahami sifat sinyal diferensial kecepatan tinggi. Berikut ini berfokus pada beberapa kesalahan umum dalam desain sinyal diferensial PCB.

Kesalahpahaman 1: Sinyal diferensial tidak memerlukan bidang tanah sebagai jalur aliran balik, atau berpikir bahwa garis diferensial menyediakan jalur aliran balik satu sama lain. Penyebab kesalahpahaman ini dikacaukan oleh fenomena permukaan, atau mekanisme transmisi sinyal berkecepatan tinggi tidak cukup dalam. Seperti dapat dilihat dari struktur ujung penerima pada Gambar. 1-8-15, arus emitor transistor Q3 dan Q4 adalah ekivalen dan berlawanan, dan arusnya di persimpangan persis saling membatalkan (I1=0). Oleh karena itu, rangkaian diferensial tidak peka terhadap proyeksi arde yang serupa dan sinyal derau lain yang mungkin ada di catu daya dan bidang arde. Pembatalan aliran balik parsial bidang tanah tidak berarti bahwa rangkaian diferensial tidak mengambil bidang referensi sebagai jalur kembali sinyal. Sebenarnya, dalam analisis arus balik sinyal, mekanisme perutean diferensial sama dengan perutean ujung tunggal biasa, yaitu high

Sinyal frekuensi selalu mengalir kembali sepanjang rangkaian dengan induktansi terkecil. Perbedaan terbesar terletak pada perbedaan garis tidak hanya memiliki kopling ke tanah, tetapi juga memiliki kopling antara satu sama lain. Kopling yang kuat menjadi jalur arus balik utama.

Dalam desain sirkuit PCB, kopling antara kabel diferensial umumnya kecil, biasanya terhitung hanya 10 ~ 20% dari tingkat kopling, dan sebagian besar kopling ke tanah, sehingga jalur arus balik utama kabel diferensial masih ada di tanah. pesawat. Dalam kasus diskontinuitas di bidang lokal, sambungan antara rute diferensial menyediakan jalur aliran balik utama di wilayah tanpa bidang referensi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1-8-17. Meskipun dampak diskontinuitas bidang referensi pada perkawatan diferensial tidak seserius pada perkawatan ujung tunggal biasa, hal itu masih akan mengurangi kualitas sinyal diferensial dan meningkatkan EMI, yang harus dihindari sejauh mungkin. Beberapa perancang percaya bahwa bidang referensi dari saluran transmisi diferensial dapat dihilangkan untuk menekan bagian dari sinyal mode umum dalam transmisi diferensial, tetapi secara teoritis pendekatan ini tidak diinginkan. Bagaimana cara mengontrol impedansi? Tanpa menyediakan loop impedansi ground untuk sinyal mode umum, radiasi EMI pasti akan terjadi, yang lebih banyak merugikan daripada menguntungkan.

Mitos 2: Mempertahankan jarak yang sama lebih penting daripada mencocokkan panjang garis. Dalam kabel PCB yang sebenarnya, seringkali tidak dapat memenuhi persyaratan desain diferensial. Karena distribusi pin, lubang, dan ruang kabel dan faktor lainnya, perlu untuk mencapai tujuan pencocokan panjang garis melalui belitan yang sesuai, tetapi hasilnya pasti bagian dari pasangan perbedaan tidak dapat paralel, saat ini, bagaimana untuk memilih? Sebelum kita melompat ke kesimpulan, mari kita lihat hasil simulasi berikut. Dapat dilihat dari hasil simulasi di atas bahwa bentuk gelombang skema 1 dan Skema 2 hampir bertepatan, artinya, pengaruh jarak yang tidak sama minimal, dan pengaruh ketidakcocokan panjang garis jauh lebih besar pada urutan waktu (Skema 3) . Dari perspektif analisis teoritis, meskipun jarak yang tidak konsisten akan menyebabkan perubahan perbedaan impedansi, tetapi karena kopling antara pasangan perbedaan itu sendiri tidak signifikan, sehingga rentang perubahan impedansi juga sangat kecil, biasanya dalam 10%, hanya setara untuk refleksi yang disebabkan oleh lubang, yang tidak akan menyebabkan dampak yang signifikan pada transmisi sinyal. Setelah panjang garis tidak cocok, selain offset urutan waktu, komponen mode umum dimasukkan ke dalam sinyal diferensial, yang mengurangi kualitas sinyal dan meningkatkan EMI.

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

Kesalahpahaman tiga: berpikir perbedaan garis harus mengandalkan sangat dekat. Maksud dari menjaga agar garis-garis perbedaan tetap berdekatan tidak lebih dari untuk meningkatkan sambungannya, baik untuk meningkatkan kekebalannya terhadap kebisingan maupun untuk memanfaatkan kutub medan magnet yang berlawanan untuk membatalkan interferensi elektromagnetik dari dunia luar. Meskipun pendekatan ini sangat menguntungkan dalam banyak kasus, itu tidak mutlak. Jika mereka dapat sepenuhnya terlindung dari gangguan eksternal, maka kita tidak perlu lagi mencapai tujuan anti-interferensi dan penekanan EMI melalui kopling yang kuat satu sama lain. Bagaimana memastikan bahwa perutean diferensial memiliki isolasi dan pelindung yang baik? Meningkatkan jarak antara garis dan sinyal lainnya adalah salah satu cara paling dasar. Energi medan elektromagnetik berkurang dengan hubungan kuadrat jarak. Umumnya, ketika jarak antara garis lebih dari 4 kali lebar garis, interferensi di antara mereka sangat lemah dan pada dasarnya dapat diabaikan. Selain itu, isolasi melalui ground plane juga dapat memberikan efek shielding yang baik. Struktur ini sering digunakan dalam desain PCB paket IC frekuensi tinggi (di atas 10G), yang dikenal sebagai struktur CPW, untuk memastikan kontrol impedansi diferensial yang ketat (2Z0), Gbr. 1-8-19.

Perutean diferensial juga dapat dilakukan pada lapisan sinyal yang berbeda, tetapi hal ini umumnya tidak disarankan, karena perbedaan seperti impedansi dan lubang tembus pada lapisan yang berbeda dapat merusak efek transmisi mode diferensial dan menimbulkan noise mode umum. Selain itu, jika dua lapisan yang berdekatan tidak digabungkan dengan erat, kemampuan perutean diferensial untuk menahan kebisingan akan berkurang, tetapi crosstalk tidak menjadi masalah jika jarak yang tepat dipertahankan dengan perutean sekitarnya. Pada frekuensi umum (di bawah GHz), EMI tidak akan menjadi masalah serius. Eksperimen menunjukkan bahwa redaman energi radiasi garis diferensial dengan jarak 500Mils di luar 3 meter telah mencapai 60dB, yang cukup untuk memenuhi standar radiasi ELEKTROMAGNETIK FCC. Oleh karena itu, perancang tidak perlu terlalu khawatir tentang ketidakcocokan elektromagnetik yang disebabkan oleh sambungan saluran diferensial yang tidak memadai.

3. berbelit-belit

Garis berkelok-kelok sering digunakan dalam Tata Letak. Tujuan utamanya adalah untuk menyesuaikan waktu tunda dan memenuhi persyaratan desain pengaturan waktu sistem. Desainer pertama-tama harus memahami bahwa kabel serpentine akan merusak kualitas sinyal, mengubah penundaan transmisi, dan harus dihindari saat memasang kabel. Namun, dalam desain praktis, untuk memastikan waktu penahanan sinyal yang cukup, atau untuk mengurangi offset waktu antara kelompok sinyal yang sama, belitan harus dilakukan dengan sengaja.

Jadi apa yang ular lakukan untuk transmisi sinyal? Apa yang harus saya perhatikan ketika berjalan di garis? Dua parameter yang paling kritis adalah panjang kopling paralel (Lp) dan jarak kopling (S), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1-8-21. Jelasnya, ketika sinyal ditransmisikan dalam garis serpentine, akan ada kopling antara segmen garis paralel dalam bentuk mode perbedaan. Semakin kecil S, semakin besar Lp, dan semakin besar derajat koplingnya. Hal ini dapat mengakibatkan pengurangan penundaan transmisi dan penurunan kualitas sinyal yang signifikan karena crosstalk, seperti yang dijelaskan dalam bab 3 untuk analisis mode umum dan mode diferensial crosstalk.

Berikut adalah beberapa tip untuk insinyur Tata Letak ketika berhadapan dengan serpentine:

1. Cobalah untuk meningkatkan jarak (S) dari segmen garis paralel, yang setidaknya lebih besar dari 3H. H mengacu pada jarak dari garis sinyal ke bidang referensi. Secara umum, itu adalah untuk mengambil kurva besar. Selama S cukup besar, efek kopling hampir dapat dihindari sepenuhnya.

2. Ketika panjang kopling Lp dikurangi, crosstalk yang dihasilkan akan mencapai saturasi ketika penundaan Lp dua kali mendekati atau melebihi waktu naik sinyal.

3. Penundaan transmisi sinyal yang disebabkan oleh Line of strip-line atau Embedded micro-strip yang mirip ular lebih kecil dari pada micro-strip. Secara teoritis, garis pita tidak mempengaruhi laju transmisi karena crosstalk mode diferensial.

4. Untuk kecepatan tinggi dan jalur sinyal dengan persyaratan waktu yang ketat, cobalah untuk tidak berjalan di jalur berkelok-kelok, terutama di area kecil.

5. Perutean serpentine di setiap Sudut dapat sering diadopsi. Struktur C pada Gambar. 1-8-20 dapat secara efektif mengurangi kopling antara satu sama lain.

6. Dalam desain PCB berkecepatan tinggi, 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 ada tujuan lain.

7. Terkadang belitan spiral dapat dipertimbangkan. Simulasi menunjukkan bahwa efeknya lebih baik daripada belitan serpentine normal.