פריסה היא אחת מכישורי העבודה הבסיסיים ביותר עבור מהנדסי תכנון PCB. איכות החיווט תשפיע ישירות על הביצועים של המערכת כולה. יש ליישם ולוודא לבסוף את רוב תיאוריות העיצוב המהיר באמצעות Layout. ניתן לראות שהחיווט חשוב מאוד ב PCB במהירות גבוהה לְעַצֵב. להלן ינתחו את הרציונליות של מצבים מסוימים שעלולים להיתקל בחיווט בפועל, ויתנו כמה אסטרטגיות ניתוב אופטימליות יותר.

זה מוסבר בעיקר משלושה היבטים: חיווט ישר זווית, חיווט דיפרנציאלי וחיווט סרפנטין.

1. ניתוב בזווית ישרה

חיווט ישר זווית הוא בדרך כלל מצב שצריך להימנע ממנו ככל האפשר בחיווט PCB, והוא כמעט הפך לאחד מהסטנדרטים למדידת איכות החיווט. אז כמה השפעה תהיה לחיווט בזווית ישרה על העברת האות? באופן עקרוני, ניתוב בזווית ישרה ישנה את רוחב הקו של קו התמסורת, ויגרום לחוסר המשכיות בעכבה. למעשה, לא רק ניתוב בזווית ישרה, אלא גם פינות וניתוב זווית חדה עלולים לגרום לשינויי עכבה.

ההשפעה של ניתוב בזווית ישרה על האות באה לידי ביטוי בעיקר בשלושה היבטים:

האחת היא שהפינה יכולה להיות שווה ערך לעומס הקיבולי על קו ההולכה, מה שמאט את זמן העלייה; השני הוא שאי המשכיות העכבה תגרום לשתקפות אות; השלישי הוא EMI שנוצר על ידי קצה זווית ישרה.

ניתן לחשב את הקיבול הטפילי הנגרם מהזווית הימנית של קו התמסורת על ידי הנוסחה האמפירית הבאה:

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

בנוסחה לעיל, C מתייחס לקיבול המקביל של הפינה (יחידה: pF), W מתייחס לרוחב העקיבה (יחידה: אינץ’), εr מתייחס לקבוע הדיאלקטרי של המדיום, ו-Z0 הוא העכבה האופיינית של קו ההולכה. לדוגמה, עבור קו תמסורת 4Mils 50 אוהם (εr הוא 4.3), הקיבול המובא בזווית ישרה הוא בערך 0.0101pF, ואז ניתן להעריך את השינוי בזמן העלייה שנגרם כתוצאה מכך:

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

ניתן לראות באמצעות חישוב כי אפקט הקיבול שמביא עקבות זווית ישרה הוא קטן ביותר.

ככל שרוחב הקו של עקבות זווית ישר גדל, העכבה שם תפחת, ולכן תתרחש תופעת השתקפות אות מסוימת. נוכל לחשב את העכבה המקבילה לאחר עליית רוחב הקו לפי נוסחת חישוב העכבה המוזכרת בפרק קו השידור, ולאחר מכן לחשב את מקדם ההשתקפות לפי הנוסחה האמפירית:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

בדרך כלל, שינוי העכבה הנגרם על ידי חיווט ישר זווית הוא בין 7%-20%, כך שמקדם ההשתקפות המרבי הוא בערך 0.1. יתרה מכך, כפי שניתן לראות מהאיור שלהלן, עכבת קו ההולכה משתנה למינימום באורך קו W/2, ולאחר מכן חוזרת לעכבה הרגילה לאחר זמן W/2. כל זמן שינוי העכבה הוא קצר ביותר, לעתים קרובות בתוך 10ps. בפנים, שינויים מהירים וקטנים כאלה הם כמעט זניחים עבור שידור אות כללי.

לאנשים רבים יש הבנה זו של חיווט ישר זווית. הם חושבים שקל לשדר או לקלוט את הקצה גלים אלקטרומגנטיים וליצור EMI. זו הפכה לאחת הסיבות לכך שאנשים רבים חושבים שלא ניתן לנתב חיווט בזווית ישרה. עם זאת, תוצאות בדיקה רבות מראות כי עקבות ישרות זווית לא יפיקו EMI ברור מאשר קווים ישרים. אולי ביצועי המכשיר הנוכחיים ורמת הבדיקה מגבילים את דיוק הבדיקה, אבל לפחות זה ממחיש בעיה. הקרינה של החיווט ישר זווית כבר קטנה יותר משגיאת המדידה של המכשיר עצמו.

באופן כללי, הניתוב בזווית ישרה אינו נורא כפי שדמיינו. לפחות ביישומים מתחת ל-GHz, אפקטים כלשהם כמו קיבול, השתקפות, EMI וכו’ כמעט ולא באים לידי ביטוי בבדיקות TDR. מהנדסי תכנון PCB במהירות גבוהה עדיין צריכים להתמקד בפריסה, תכנון מתח/קרקע ותכנון חיווט. דרך חורים והיבטים אחרים. כמובן, למרות שההשפעה של חיווט ישר זווית אינה רצינית במיוחד, זה לא אומר שכולנו יכולים להשתמש בחיווט ישר זווית בעתיד. תשומת לב לפרטים היא האיכות הבסיסית שכל מהנדס טוב חייב להיות. יתר על כן, עם ההתפתחות המהירה של מעגלים דיגיטליים, PCB תדירות האות המעובד על ידי מהנדסים תמשיך לעלות. בתחום עיצוב RF מעל 10GHz, זוויות ישרות קטנות אלו עשויות להפוך למוקד של בעיות במהירות גבוהה.

2. ניתוב דיפרנציאלי

אות דיפרנציאלי (DifferentialSignal) נמצא בשימוש נרחב יותר ויותר בתכנון מעגלים מהירים. האות הקריטי ביותר במעגל מתוכנן לעתים קרובות עם מבנה דיפרנציאלי. מה עושה את זה כל כך פופולרי? כיצד להבטיח את הביצועים הטובים שלו בעיצוב PCB? עם שתי השאלות הללו, נמשיך לחלק הבא של הדיון.

מהו אות דיפרנציאלי? במונחים של הדיוט, הקצה המניע שולח שני אותות שווים והפוכים, והקצה המקבל שופט את המצב הלוגי “0” או “1” על ידי השוואת ההבדל בין שני המתחים. צמד העקבות הנושאות אותות דיפרנציאליים נקרא עקבות דיפרנציאליות.

בהשוואה לעקבות אות חד-קצה רגילים, לאותות דיפרנציאליים יש את היתרונות הברורים ביותר בשלושת ההיבטים הבאים:

א. יכולת אנטי-הפרעות חזקה, מכיוון שהצימוד בין שני העקבות הדיפרנציאליות טוב מאוד. כאשר יש הפרעות רעש מבחוץ, הם כמעט מחוברים לשני הקווים בו זמנית, ולקצה המקבל אכפת רק מההבדל בין שני האותות. לכן, ניתן לבטל לחלוטין את רעש המצב החיצוני. ב. זה יכול לדכא EMI ביעילות. מאותה סיבה, בשל הקוטביות ההפוכה של שני האותות, השדות האלקטרומגנטיים המוקרנים על ידם יכולים לבטל זה את זה. ככל שהצימוד הדוק יותר, כך פחות אנרגיה אלקטרומגנטית יוצאת לעולם החיצון. ג. מיקום התזמון מדויק. מכיוון ששינוי המתג של האות הדיפרנציאלי ממוקם בצומת של שני האותות, בניגוד לאות החד-קצה הרגיל, שתלוי במתח הסף הגבוה והנמוך שיש לקבוע, הוא מושפע פחות מהתהליך והטמפרטורה, שיכולים להפחית את השגיאה בתזמון. , אבל גם מתאים יותר למעגלי אותות בעלי משרעת נמוכה. ה-LVDS הפופולרי הנוכחי (lowvoltagedifferentialsignaling) מתייחס לטכנולוגיית אותות דיפרנציאל משרעת קטנה זו.

עבור מהנדסי PCB, הדאגה הגדולה ביותר היא כיצד להבטיח שניתן לנצל את היתרונות הללו של חיווט דיפרנציאלי במלואו בחיווט בפועל. אולי כל מי שהיה בקשר עם Layout יבין את הדרישות הכלליות של חיווט דיפרנציאלי, כלומר, “אורך שווה ומרחק שווה”. האורך השווה הוא להבטיח ששני האותות הדיפרנציאליים ישמרו על קוטביות הפוכה בכל עת ולהפחית את רכיב המצב המשותף; המרחק השווה נועד בעיקר להבטיח שהעכבות הדיפרנציאליות של השניים יהיו עקביות ולהפחית השתקפויות. “כמה שיותר קרוב” היא לפעמים אחת הדרישות של חיווט דיפרנציאלי. אבל כל הכללים האלה לא משמשים ליישום מכאני, ונראה שמהנדסים רבים עדיין לא מבינים את המהות של שידור אות דיפרנציאלי במהירות גבוהה.

להלן מתמקדים במספר אי הבנות נפוצות בתכנון אותות דיפרנציאליים PCB.

אי הבנה 1: מאמינים שהאות הדיפרנציאלי אינו זקוק למישור הארקה כנתיב חזרה, או שעקבות ההפרש מספקים נתיב חזרה זה לזה. הסיבה לאי ההבנה הזו היא שהם מבולבלים מתופעות שטחיות, או שהמנגנון של העברת אותות במהירות גבוהה אינו עמוק מספיק. ניתן לראות ממבנה הקצה הקולט של איור 1-8-15 שזרמי הפולט של הטרנזיסטורים Q3 ו-Q4 שווים ומנוגדים, והזרמים שלהם באדמה מבטלים זה את זה בדיוק (I1=0), כך שה מעגל דיפרנציאלי הוא הקפצות דומות ואותות רעש אחרים שעשויים להתקיים במישור הכוח והארקה אינם רגישים. ביטול ההחזרה החלקי של מישור ההארקה אינו אומר שהמעגל הדיפרנציאלי אינו משתמש במישור הייחוס כנתיב החזרת האות. למעשה, בניתוח החזרת אותות, המנגנון של חיווט דיפרנציאלי וחיווט חד-קצה רגיל זהה, כלומר, אותות בתדר גבוה תמיד זורמים מחדש לאורך הלולאה עם השראות הקטנה ביותר, ההבדל הגדול ביותר הוא שבנוסף ל הצימוד לקרקע, לקו הדיפרנציאלי יש גם צימוד הדדי. איזה סוג של צימוד חזק, איזה הופך לנתיב החזרה הראשי. איור 1-8-16 הוא דיאגרמה סכמטית של התפלגות השדה הגיאומגנטי של אותות חד-קצה ואותות דיפרנציאליים.

בתכנון מעגל PCB, הצימוד בין עקבות דיפרנציאליים הוא בדרך כלל קטן, לעתים קרובות מהווה רק 10 עד 20% מדרגת הצימוד, ויותר הוא הצימוד לאדמה, כך שמסלול ההחזרה הראשי של עקבות ההפרש עדיין קיים על הקרקע. מטוס . כאשר מישור ההארקה אינו רציף, הצימוד בין עקבות ההפרש יספק את נתיב החזרה הראשי באזור ללא מישור ייחוס, כפי שמוצג באיור 1-8-17. למרות שהשפעת אי הרציפות של מישור הייחוס על עקבות הדיפרנציאל אינה חמורה כמו זו של העקיבה החד-קצה הרגילה, היא עדיין תפחית את איכות האות ההפרש ותגביר את ה-EMI, אשר יש להימנע ממנו ככל האפשר. . כמה מתכננים מאמינים שניתן להסיר את מישור הייחוס מתחת לעקיבה הדיפרנציאלית כדי לדכא כמה אותות מצב נפוץ בשידור דיפרנציאלי. עם זאת, גישה זו אינה רצויה בתיאוריה. איך לשלוט בעכבה? אי מתן לולאת עכבת הארקה לאות המשותף יגרום בהכרח לקרינת EMI. גישה זו גורמת יותר נזק מתועלת.

אי הבנה 2: מאמינים ששמירה על מרווח שווה חשובה יותר מהתאמת אורך קו. בפריסת PCB בפועל, לעתים קרובות לא ניתן לעמוד בדרישות של עיצוב דיפרנציאלי בו-זמנית. בשל קיומם של חלוקת פינים, דרך ומרחב חיווט, מטרת התאמת אורך הקו חייבת להיות מושגת באמצעות פיתול נכון, אך התוצאה חייבת להיות שחלק מהאזורים בזוג הדיפרנציאלי אינם יכולים להיות מקבילים. מה עלינו לעשות בזמן הזה? איזו בחירה? לפני הסקת מסקנות, בואו נסתכל על תוצאות הסימולציה הבאות.

מתוצאות הסימולציה לעיל, ניתן לראות שצורות הגל של סכימה 1 ושל סכמה 2 כמעט מקבילות, כלומר ההשפעה הנגרמת על ידי המרווח הלא שוויוני היא מינימלית. לשם השוואה, ההשפעה של אי ההתאמה של אורך הקו על התזמון היא הרבה יותר גדולה. (סכמה 3). מהניתוח התיאורטי, למרות שהמרווח הבלתי עקבי יגרום לשינוי העכבה הדיפרנציאלית, מכיוון שהצימוד בין צמד הדיפרנציאלי עצמו אינו משמעותי, גם טווח שינוי העכבה קטן מאוד, בדרך כלל בטווח של 10%, וזה שווה ערך למעבר אחד בלבד. . ההשתקפות הנגרמת על ידי החור לא תהיה בעלת השפעה משמעותית על העברת האות. ברגע שאורך הקו אינו תואם, בנוסף להיסט התזמון, רכיבי מצב משותף מוכנסים לאות הדיפרנציאלי, מה שמפחית את איכות האות ומגביר את ה-EMI.

ניתן לומר שהכלל החשוב ביותר בתכנון של עקבות דיפרנציאליות PCB הוא אורך הקו התואם, וניתן לטפל בחוקים אחרים בגמישות בהתאם לדרישות התכנון והיישומים המעשיים.

אי הבנה 3: חשבו שהחיווט הדיפרנציאלי חייב להיות קרוב מאוד. שמירה על עקבות הדיפרנציאלים קרובים היא לא יותר מאשר לשפר את הצימוד שלהם, מה שיכול לא רק לשפר חסינות לרעש, אלא גם לעשות שימוש מלא בקוטביות ההפוכה של השדה המגנטי כדי לקזז הפרעות אלקטרומגנטיות לעולם החיצון. למרות שגישה זו מועילה מאוד ברוב המקרים, היא אינה מוחלטת. אם אנחנו יכולים להבטיח שהם מוגנים לחלוטין מהפרעות חיצוניות, אז אנחנו לא צריכים להשתמש בצימוד חזק כדי להשיג אנטי-הפרעות. והמטרה של דיכוי EMI. כיצד נוכל להבטיח בידוד וסיכוך טובים של עקבות דיפרנציאליים? הגדלת המרווח עם עקבות אותות אחרים היא אחת הדרכים הבסיסיות ביותר. אנרגיית השדה האלקטרומגנטי פוחתת בריבוע המרחק. בדרך כלל, כאשר מרווח השורות עולה על פי 4 מרוחב הקו, ההפרעה ביניהם חלשה ביותר. אפשר להתעלם. בנוסף, בידוד על ידי מישור ההארקה יכול גם למלא תפקיד מיגון טוב. מבנה זה משמש לעתים קרובות בתכנון PCB של חבילת IC בתדר גבוה (מעל 10G). זה נקרא מבנה CPW, שיכול להבטיח עכבה דיפרנציאלית קפדנית. שליטה (2Z0), כפי שמוצג באיור 1-8-19.

עקבות דיפרנציאליים יכולים לרוץ גם בשכבות אות שונות, אך שיטה זו אינה מומלצת בדרך כלל, מכיוון שההבדלים בעכבה ובוויאס המיוצרים על ידי שכבות שונות יהרסו את ההשפעה של שידור מצב דיפרנציאלי ויכניסו רעשי מצב משותף. בנוסף, אם שתי השכבות הסמוכות אינן מחוברות בחוזקה, זה יקטין את יכולת העקיבה הדיפרנציאלית להתנגד לרעש, אבל אם אתה יכול לשמור על מרחק מתאים מהעקבות שמסביב, הצלבה אינה מהווה בעיה. בתדרים כלליים (מתחת ל-GHz), EMI לא יהווה בעיה רצינית. ניסויים הראו שההנחתה של אנרגיה מוקרנת במרחק של 500 מיל מעקבה דיפרנציאלית הגיעה ל-60 dB במרחק של 3 מטרים, וזה מספיק כדי לעמוד בתקן הקרינה האלקטרומגנטית FCC, כך שהמעצב לא צריך לדאוג מדי. הרבה על חוסר ההתאמה האלקטרומגנטית הנגרמת על ידי צימוד קו דיפרנציאלי לא מספיק.

3. קו סרפנטין

קו נחש הוא סוג של שיטת ניתוב המשמשת לעתים קרובות ב-Layout. מטרתו העיקרית היא להתאים את ההשהיה כדי לעמוד בדרישות תכנון תזמון המערכת. על המעצב לקבל תחילה הבנה זו: קו הסרפנטין יהרוס את איכות האות, ישנה את עיכוב השידור וינסה להימנע משימוש בו בעת חיווט. עם זאת, בתכנון בפועל, על מנת להבטיח שלאות יש זמן החזקה מספיק, או כדי להפחית את היסט הזמן בין אותה קבוצת אותות, לעתים קרובות יש צורך ללפף את החוט בכוונה.

אז, איזו השפעה יש לקו הסרפנטין על העברת האות? למה אני צריך לשים לב בעת החיווט? שני הפרמטרים הקריטיים ביותר הם אורך הצימוד המקביל (Lp) ומרחק הצימוד (S), כפי שמוצג באיור 1-8-21. ברור שכאשר האות מועבר על עקבות הסרפנטין, מקטעי הקו המקבילים יהיו מחוברים במצב דיפרנציאלי. ככל שה-S קטן יותר וה-Lp גדול יותר, כך מידת הצימוד גדולה יותר. זה עלול לגרום להפחתת עיכוב השידור, ואיכות האות מופחתת מאוד עקב הצלבה. המנגנון יכול להתייחס לניתוח של הצלבת מצב משותף ומצב דיפרנציאלי בפרק 3.

להלן כמה הצעות למהנדסי פריסה בעת התמודדות עם קווי נחש:

1. נסו להגדיל את המרחק (S) של מקטעי קו מקבילים, לפחות גדול מ-3H, H מתייחס למרחק מעקבת האות למישור הייחוס. במונחים של הדיוט, זה להסתובב בעיקול גדול. כל עוד S גדול מספיק, ניתן להימנע כמעט לחלוטין מאפקט הצימוד ההדדי. 2. הקטן את אורך הצימוד Lp. כאשר ההשהיה הכפולה של Lp מתקרבת או עולה על זמן עליית האות, הדיבור הנוצר יגיע לרוויה. 3. עיכוב שידור האות הנגרם על ידי קו הסרפנטין של ה-Strip-Line או Embedded Micro-Strip קטן מזה של ה-Micro-Strip. בתיאוריה, הסטריפליין לא ישפיע על קצב השידור עקב הצלבה במצב דיפרנציאלי. 4. לקווי איתות מהירים ולבעלי דרישות תזמון קפדניות, השתדלו לא להשתמש בקווי סרפנטין, במיוחד באזורים קטנים. 5. לעתים קרובות אתה יכול להשתמש עקבות סרפנטין בכל זווית, כמו מבנה C באיור 1-8-20, מה שיכול למעשה להפחית את הצימוד ההדדי. 6. בתכנון PCB מהיר, לקו הסרפנטין אין את מה שנקרא יכולת סינון או אנטי-הפרעות, והוא יכול רק להפחית את איכות האות, כך שהוא משמש רק להתאמת תזמון ואין לו מטרה אחרת. 7. לפעמים אתה יכול לשקול ניתוב ספירלי לליפוף. הדמיה מראה שהשפעתו טובה יותר מניתוב נחש רגיל.