כדי להבין את קו הנחש, בואו נדבר על PCB ניתוב תחילה. נראה שאין צורך להציג את המושג הזה. האם מהנדס החומרה לא עושה עבודת חיווט כל יום? כל זכר על ה-PCB נמשך אחד אחד על ידי מהנדס החומרה. מה אפשר לומר? למעשה, הניתוב הפשוט הזה מכיל גם הרבה נקודות ידע שאנחנו בדרך כלל מתעלמים מהן. לדוגמה, הרעיון של קו סטריפ ורצועה. במילים פשוטות, קו המיקרו-סטריפ הוא העקבות שעובר על פני הלוח של ה-PCB, וה-Stripline הוא העקיבה שעוברת על השכבה הפנימית של ה-PCB. מה ההבדל בין שני הקווים הללו?

מישור הייחוס של קו המיקרו-סטריפ הוא מישור ההארקה של השכבה הפנימית של ה-PCB, והצד השני של העקבות חשוף לאוויר, מה שגורם לקבוע הדיאלקטרי סביב העקיבה להיות לא עקבי. לדוגמה, הקבוע הדיאלקטרי של מצע ה-FR4 הנפוץ שלנו הוא בסביבות 4.2, הקבוע הדיאלקטרי של האוויר הוא 1. ישנם מישורי ייחוס הן בצד העליון והן בצד התחתון של קו הרצועה, כל העקבה מוטבעת במצע ה-PCB, והקבוע הדיאלקטרי סביב העקבות זהה. זה גם גורם לגל ה-TEM להיות משודר על קו הרצועה, בעוד שגל ה-quasi-TEM מועבר על קו המיקרו-סטריפ. למה זה גל מעין-TEM? זה נובע מאי-התאמת הפאזה בממשק בין האוויר למצע ה-PCB. מהו גל TEM? אם תעמיק בנושא הזה, לא תוכל לסיים אותו תוך עשרה חודשים וחצי.

כדי לעשות סיפור ארוך קצר, בין אם זה קו מיקרוסטריפ או סטריפליין, תפקידם הוא לא יותר מאשר לשאת אותות, בין אם אותות דיגיטליים ובין אם אותות אנלוגיים. אותות אלה מועברים בצורה של גלים אלקטרומגנטיים מקצה אחד למשנהו בעקיבה. מכיוון שמדובר בגל, חייבת להיות מהירות. מהי מהירות האות על עקבות ה-PCB? לפי ההבדל בקבוע הדיאלקטרי, גם המהירות שונה. מהירות ההתפשטות של גלים אלקטרומגנטיים באוויר היא מהירות האור הידועה. יש לחשב את מהירות ההתפשטות במדיות אחרות לפי הנוסחה הבאה:

V=C/Er0.5

ביניהם, V היא מהירות ההתפשטות בתווך, C היא מהירות האור, ו-Er הוא הקבוע הדיאלקטרי של המדיום. באמצעות נוסחה זו, אנו יכולים לחשב בקלות את מהירות השידור של האות על עקבות ה-PCB. לדוגמה, אנו פשוט לוקחים את הקבוע הדיאלקטרי של חומר הבסיס FR4 לתוך הנוסחה כדי לחשב אותו, כלומר, מהירות השידור של האות בחומר הבסיס FR4 היא מחצית ממהירות האור. עם זאת, מכיוון שמחצית מקו המיקרו-סטריפ המתואר על פני השטח נמצא באוויר ומחציתו במצע, הקבוע הדיאלקטרי יקטן מעט, כך שמהירות השידור תהיה מעט מהירה מזו של קו הרצועה. הנתונים האמפיריים הנפוצים הם שהשהיית העקבות של קו המיקרו-סטריפ היא בערך 140ps/inch, והשהיית העקבות של ה-Stripline היא בערך 166ps/inch.

כפי שאמרתי קודם, יש רק מטרה אחת, כלומר שידור האותות על ה-PCB מתעכב! כלומר, האות לא מועבר לפין השני דרך החיווט ברגע לאחר שליחת פין אחד. למרות שמהירות העברת האות מהירה מאוד, כל עוד אורך העקבות ארוך מספיק, זה עדיין ישפיע על שידור האות. לדוגמה, עבור אות 1GHz, התקופה היא 1ns, וזמן הקצה העולה או היורד הוא כעשירית מהתקופה, ואז הוא 100ps. אם אורך העקבות שלנו עולה על 1 אינץ’ (בערך 2.54 ס”מ), אז עיכוב השידור יהיה יותר מקצה עולה. אם העקיבה עולה על 8 אינץ’ (כ-20 ס”מ), אזי ההשהיה תהיה מחזור מלא!

מסתבר של-PCB יש השפעה כל כך גדולה, זה נפוץ מאוד שללוחות שלנו יש יותר מ-1 אינץ’ עקבות. האם העיכוב ישפיע על פעולתו הרגילה של הלוח? כשמסתכלים על המערכת בפועל, אם זה רק אות ואתה לא רוצה לכבות אותות אחרים, נראה שההשהיה לא משפיעה. עם זאת, במערכת מהירה, עיכוב זה ייכנס לתוקף. לדוגמה, חלקיקי הזיכרון המשותפים שלנו מחוברים בצורה של אוטובוס, עם קווי נתונים, קווי כתובת, שעונים וקווי בקרה. תסתכל על ממשק הווידאו שלנו. לא משנה כמה ערוצים הם HDMI או DVI, הוא יכיל ערוצי נתונים וערוצי שעון. או כמה פרוטוקולי אוטובוס, שכולם הם שידור סינכרוני של נתונים ושעון. לאחר מכן, במערכת ממשית במהירות גבוהה, אותות שעון ואותות נתונים אלה נשלחים באופן סינכרוני מהשבב הראשי. אם עיצוב עקבות ה-PCB שלנו גרוע, אורך אות השעון ואות הנתונים שונים מאוד. קל לגרום לדגימה שגויה של נתונים, ואז המערכת כולה לא תעבוד כרגיל.

מה עלינו לעשות כדי לפתור בעיה זו? באופן טבעי, היינו חושבים שאם העקבות באורך הקצר יתארכו כך שאורכי העקבות של אותה קבוצה יהיו זהים, אז ההשהיה תהיה זהה? איך להאריך את החיווט? לך מסביב! בינגו! לא קל לחזור סוף סוף לנושא. זהו הפונקציה העיקרית של קו הסרפנטין במערכת המהירה. מתפתל, אורך שווה. זה כזה פשוט. קו הסרפנטין משמש לליפול באורך שווה. על ידי שרטוט קו הסרפנטין, נוכל לגרום לאותה קבוצת אותות להיות באורך זהה, כך שלאחר שהשבב המקבל יקבל את האות, הנתונים לא ייגרמו מההשהיות השונות על עקבות ה-PCB. בחירה שגויה. קו הסרפנטין זהה לעקבות על לוחות PCB אחרים.

הם משמשים לחיבור האותות, אבל הם ארוכים יותר ואין להם את זה. אז קו הסרפנטין אינו עמוק ולא מסובך מדי. מכיוון שהוא זהה לחיווט אחר, כמה כללי חיווט נפוצים חלים גם על קווי סרפנטין. יחד עם זאת, בשל המבנה המיוחד של קווי סרפנטין, כדאי לשים לב אליו בעת החיווט. לדוגמה, נסה לשמור על קווי הנחש מקבילים זה לזה. קצר יותר, כלומר, להסתובב בעיקול גדול כמו שנאמר, אל תלך צפוף מדי וקטן מדי בשטח קטן.

כל זה עוזר להפחית הפרעות אות. לקו הסרפנטין תהיה השפעה רעה על האות עקב הגדלה מלאכותית של אורך הקו, אז כל עוד הוא יכול לעמוד בדרישות התזמון במערכת, אל תשתמש בו. כמה מהנדסים משתמשים באותות DDR או במהירות גבוהה כדי להפוך את הקבוצה כולה לשווה באורך. קווי הנחש מתעופפים על כל הלוח. נראה כי זהו חיווט טוב יותר. למעשה, זה עצלן וחסר אחריות. מקומות רבים שאין צורך לפצוע הם פצעים, מה שמבזבז את שטח הלוח, וגם מפחית את איכות האות. עלינו לחשב את יתירות ההשהיה בהתאם לדרישות מהירות האות בפועל, כדי לקבוע את כללי החיווט של הלוח.

בנוסף לפונקציה באורך שווה, מספר פונקציות נוספות של קו הסרפנטין מוזכרות לעתים קרובות במאמרים באינטרנט, ולכן אספר עליה בקצרה כאן.

1. אחת המילים שאני רואה לעתים קרובות היא התפקיד של התאמת עכבה. האמירה הזו מוזרה מאוד. העכבה של עקבות ה-PCB קשורה לרוחב הקו, לקבוע הדיאלקטרי ולמרחק מישור הייחוס. מתי זה קשור לקו הסרפנטין? מתי צורת העקבות משפיעה על העכבה? אני לא יודע מאיפה מקור האמירה הזו.

2. אומרים גם שזה תפקיד הסינון. לא ניתן לומר שפונקציה זו נעדרת, אך לא אמורה להיות פונקציית סינון במעגלים דיגיטליים או שאיננו צריכים להשתמש בפונקציה זו במעגלים דיגיטליים. במעגל תדר הרדיו, עקבות הסרפנטין יכולה ליצור מעגל LC. אם יש לו אפקט סינון על אות תדר מסוים, זה עדיין העבר.

3. אנטנת קליטה. זה יכול להיות. אנו יכולים לראות את ההשפעה הזו על כמה טלפונים ניידים או מכשירי רדיו. חלק מהאנטנות עשויות עם עקבות PCB.

4. השראות. זה יכול להיות. לכל העקבות על ה-PCB במקור יש השראות טפילית. זה בר השגה לייצר כמה משרני PCB.

5. נתיך. האפקט הזה מעורר בי תמיהה. כיצד מתפקד חוט הסרפנטין הקצר והצר כפתיל? לשרוף כשהזרם גבוה? הלוח לא נשמט, המחיר של הפתיל הזה גבוה מדי, אני באמת לא יודע באיזה סוג יישום הוא ישמש.

באמצעות ההקדמה לעיל, אנו יכולים להבהיר כי במעגלים אנלוגיים או בתדר רדיו, לקווי סרפנטין יש כמה פונקציות מיוחדות, אשר נקבעות על ידי המאפיינים של קווי מיקרו-סטריפ. בתכנון מעגלים דיגיטליים, קו הסרפנטין משמש באורך שווה להשגת התאמת תזמון. בנוסף, קו הסרפנטין ישפיע על איכות האות, ולכן יש להבהיר את דרישות המערכת במערכת, לחשב את יתירות המערכת בהתאם לדרישות בפועל, ולהשתמש בקו הסרפנטין בזהירות.