Per capire la linea serpentina, parliamo di PCB prima l’instradamento. Questo concetto non sembra aver bisogno di essere introdotto. L’ingegnere hardware non fa lavori di cablaggio ogni giorno? Ogni traccia sul PCB viene tracciata una per una dall’ingegnere hardware. Cosa si può dire? In effetti, questo semplice instradamento contiene anche molti punti di conoscenza che di solito ignoriamo. Ad esempio, il concetto di microstrip line e stripline. In poche parole, la linea microstrip è la traccia che scorre sulla superficie della scheda PCB e la stripline è la traccia che scorre sullo strato interno del PCB. Qual è la differenza tra queste due linee?

Il piano di riferimento della linea della microstriscia è il piano di massa dello strato interno del PCB e l’altro lato della traccia è esposto all’aria, il che rende incoerente la costante dielettrica attorno alla traccia. Ad esempio, la costante dielettrica del nostro substrato FR4 comunemente usato è circa 4.2, la costante dielettrica dell’aria è 1. Ci sono piani di riferimento su entrambi i lati superiore e inferiore della linea di striscia, l’intera traccia è incorporata nel substrato PCB, e la costante dielettrica attorno alla traccia è la stessa. Questo fa sì che anche l’onda TEM venga trasmessa sulla strip line, mentre l’onda quasi-TEM viene trasmessa sulla microstrip line. Perché è un’onda quasi-TEM? Ciò è dovuto alla mancata corrispondenza di fase all’interfaccia tra l’aria e il substrato del PCB. Cos’è l’onda TEM? Se approfondisci questo problema, non sarai in grado di finirlo in dieci mesi e mezzo.

Per farla breve, che si tratti di una linea microstrip o di una stripline, il loro ruolo non è altro che trasportare segnali, siano essi segnali digitali o segnali analogici. Questi segnali vengono trasmessi sotto forma di onde elettromagnetiche da un’estremità all’altra della traccia. Poiché è un’onda, deve esserci velocità. Qual è la velocità del segnale sulla traccia PCB? In base alla differenza della costante dielettrica, anche la velocità è diversa. La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nell’aria è la ben nota velocità della luce. La velocità di propagazione in altri mezzi deve essere calcolata con la seguente formula:

V=C/Er0.5

Tra questi, V è la velocità di propagazione nel mezzo, C è la velocità della luce ed Er è la costante dielettrica del mezzo. Attraverso questa formula possiamo facilmente calcolare la velocità di trasmissione del segnale sulla traccia PCB. Ad esempio, prendiamo semplicemente la costante dielettrica del materiale di base FR4 nella formula per calcolarla, ovvero la velocità di trasmissione del segnale nel materiale di base FR4 è metà della velocità della luce. Tuttavia, poiché metà della linea di microstriscia tracciata sulla superficie è nell’aria e metà nel substrato, la costante dielettrica sarà leggermente ridotta, quindi la velocità di trasmissione sarà leggermente più veloce di quella della linea di striscia. I dati empirici comunemente usati sono che il ritardo di traccia della linea a microstriscia è di circa 140 ps/pollice e il ritardo di traccia della striscia è di circa 166 ps/pollice.

Come ho detto prima, c’è un solo scopo, cioè la trasmissione del segnale sul PCB è ritardata! Vale a dire, il segnale non viene trasmesso all’altro pin attraverso il cablaggio nell’istante successivo all’invio di un pin. Sebbene la velocità di trasmissione del segnale sia molto elevata, finché la lunghezza della traccia è sufficientemente lunga, influenzerà comunque la trasmissione del segnale. Ad esempio, per un segnale da 1GHz, il periodo è 1ns e il tempo del fronte di salita o discesa è circa un decimo del periodo, quindi è 100ps. Se la lunghezza della nostra traccia supera 1 pollice (circa 2.54 cm), il ritardo di trasmissione sarà maggiore di un fronte di salita. Se la traccia supera gli 8 pollici (circa 20 cm), il ritardo sarà un ciclo completo!

Si scopre che il PCB ha un impatto così grande, è molto comune che le nostre schede abbiano tracce superiori a 1 pollice. Il ritardo influenzerà il normale funzionamento della scheda? Guardando il sistema reale, se è solo un segnale e non vuoi disattivare altri segnali, il ritardo non sembra avere alcun effetto. Tuttavia, in un sistema ad alta velocità, questo ritardo avrà effettivamente effetto. Ad esempio, le nostre particelle di memoria comuni sono collegate sotto forma di bus, con linee dati, linee di indirizzo, orologi e linee di controllo. Dai un’occhiata alla nostra interfaccia video. Non importa quanti canali sono HDMI o DVI, conterrà canali dati e canali di clock. Oppure alcuni protocolli bus, che sono tutti trasmissione sincrona di dati e clock. Quindi, in un vero sistema ad alta velocità, questi segnali di clock e segnali di dati vengono inviati in modo sincrono dal chip principale. Se il nostro design della traccia PCB è scadente, la lunghezza del segnale di clock e del segnale dati è molto diversa. È facile causare un campionamento errato dei dati e quindi l’intero sistema non funzionerà normalmente.

Cosa dovremmo fare per risolvere questo problema? Naturalmente, penseremmo che se le tracce a breve lunghezza sono allungate in modo che le lunghezze delle tracce dello stesso gruppo siano le stesse, allora il ritardo sarà lo stesso? Come allungare il cablaggio? Andare in giro! Bingo! Non è facile tornare finalmente sull’argomento. Questa è la funzione principale della linea a serpentina nel sistema ad alta velocità. Avvolgimento, uguale lunghezza. È così semplice. La linea a serpentina viene utilizzata per avvolgere la stessa lunghezza. Disegnando la linea a serpentina, possiamo fare in modo che lo stesso gruppo di segnali abbia la stessa lunghezza, in modo che dopo che il chip ricevente riceve il segnale, i dati non saranno causati dai diversi ritardi sulla traccia del PCB. Scelta sbagliata. La linea a serpentina è la stessa delle tracce su altre schede PCB.

Servono per collegare i segnali, ma sono più lunghi e non ce l’hanno. Quindi la linea a serpentina non è profonda e nemmeno troppo complicata. Poiché è uguale ad altri cablaggi, alcune regole di cablaggio comunemente utilizzate sono applicabili anche alle linee a serpentina. Allo stesso tempo, a causa della speciale struttura delle linee a serpentina, dovresti prestare attenzione durante il cablaggio. Ad esempio, cerca di mantenere le linee a serpentina parallele l’una all’altra più lontano. Più corto, cioè, gira intorno a una grande curva come dice il proverbio, non andare troppo denso e troppo piccolo in una piccola area.

Tutto questo aiuta a ridurre l’interferenza del segnale. La linea a serpentina avrà una cattiva influenza sul segnale a causa dell’aumento artificiale della lunghezza della linea, quindi fintanto che può soddisfare i requisiti di temporizzazione del sistema, non utilizzarla. Alcuni ingegneri usano DDR o segnali ad alta velocità per rendere l’intero gruppo della stessa lunghezza. Le linee serpentine volano su tutto il tabellone. Sembra che questo sia un cablaggio migliore. In realtà, questo è pigro e irresponsabile. Molti punti che non devono essere avvolti sono avvolti, il che spreca l’area della scheda e riduce anche la qualità del segnale. Dovremmo calcolare la ridondanza del ritardo in base ai requisiti effettivi di velocità del segnale, in modo da determinare le regole di cablaggio della scheda.

Oltre alla funzione di uguale lunghezza, molte altre funzioni della linea serpentina sono spesso menzionate negli articoli su Internet, quindi ne parlerò brevemente anche qui.

1. Una delle parole che vedo spesso è il ruolo dell’adattamento di impedenza. Questa affermazione è molto strana. L’impedenza della traccia PCB è correlata alla larghezza della linea, alla costante dielettrica e alla distanza del piano di riferimento. Quando è legato alla linea serpentina? Quando la forma della traccia influisce sull’impedenza? Non so da dove provenga la fonte di questa affermazione.

2. si dice anche che sia il ruolo del filtraggio. Non si può dire che questa funzione sia assente, ma non dovrebbe esserci alcuna funzione di filtraggio nei circuiti digitali o non è necessario utilizzare questa funzione nei circuiti digitali. Nel circuito a radiofrequenza, la traccia a serpentina può formare un circuito LC. Se ha un effetto di filtraggio su un certo segnale di frequenza, è ancora passato.

3. Antenna ricevente. Questo può essere. Possiamo vedere questo effetto su alcuni telefoni cellulari o radio. Alcune antenne sono realizzate con tracce PCB.

4. Induttanza. Questo può essere. Tutte le tracce sul PCB hanno originariamente un’induttanza parassita. È possibile realizzare alcuni induttori PCB.

5. Fusibile. Questo effetto mi lascia perplesso. Come funziona il filo a serpentina corto e stretto come un fusibile? Brucia quando la corrente è alta? La scheda non viene rottamata, il prezzo di questo fusibile è troppo alto, non so davvero in che tipo di applicazione verrà utilizzata.

Attraverso l’introduzione di cui sopra, possiamo chiarire che nei circuiti analogici oa radiofrequenza, le linee a serpentina hanno alcune funzioni speciali, che sono determinate dalle caratteristiche delle linee a microstriscia. Nella progettazione di circuiti digitali, la linea a serpentina viene utilizzata per la stessa lunghezza per ottenere la corrispondenza dei tempi. Inoltre, la linea a serpentina influenzerà la qualità del segnale, quindi i requisiti di sistema dovrebbero essere chiariti nel sistema, la ridondanza del sistema dovrebbe essere calcolata in base ai requisiti effettivi e la linea a serpentina dovrebbe essere usata con cautela.