פריסה היא אחת מכישורי העבודה הבסיסיים ביותר של תכנון PCB מהנדס. איכות החיווט תשפיע ישירות על הביצועים של המערכת כולה, את רוב תיאוריית העיצוב המהיר יש לממש ולבסוף לאמת על ידי Layout, כך שניתן לראות כי חיווט חיוני בעיצוב PCB במהירות גבוהה. הדברים הבאים יהיו לאור החיווט בפועל עשוי להיתקל במצבים מסוימים, ניתוח הרציונליות שלו ולתת איזו אסטרטגיית ניתוב מותאמת יותר. בעיקר מקו הזווית הימנית, קו ההבדל, קו הנחש וכן הלאה שלושה היבטים לפרט.

1. קו מלבני

חיווט בזווית ישרה נדרש בדרך כלל כדי להימנע מהמצב בחיווט PCB, וכמעט הפך לאחד הסטנדרטים למדידת איכות החיווט, אז כמה השפעה תהיה לחיווט בזווית ישרה על העברת האותות? באופן עקרוני, חיווט בזווית ישרה ישנה את רוחב הקו של קו ההולכה, וכתוצאה מכך חוסר רציפות עכבה. למעשה, לא רק קו זווית ימין, טון זווית, קו זווית חריפה עלולים לגרום לשינויי עכבה.

ההשפעה של יישור זווית ישרה על האות באה לידי ביטוי בעיקר בשלושה היבטים: ראשית, הפינה יכולה להיות שווה ערך לעומס הקיבולי על קו ההולכה, להאט את זמן העלייה; שנית, אי רציפות עכבה תגרום להשתקפות אותות; שלישית, EMI שנוצר על ידי קצה הזווית הימנית.

ניתן לחשב את הקיבול הטפיל הנגרם מהזווית הימנית של קו ההולכה על ידי הנוסחה האמפירית הבאה:

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

בנוסחה שלעיל, C מתייחס לקיבול המקביל בפינה (pF), W מתייחס לרוחב הקו (אינץ ‘), ε R מתייחס לקבוע הדיאלקטרי של המדיום, ו- Z0 הוא העכבה האופיינית לשידור קַו. לדוגמה, עבור קו שידור של 4Mils 50 אוהם (εr 4.3), הקיבול של זווית ישרה הוא בערך 0.0101pF, ואפשר להעריך את הווריאציה של זמן העלייה:

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

ניתן לראות מהחישוב שאפקט הקיבול המביא חיווט בזווית ישרה הוא קטן ביותר.

ככל שרוחב הקו של קו זווית ישרה עולה, העכבה בנקודה זו תרד, כך שתהיה תופעה מסוימת של השתקפות אותות. אנו יכולים לחשב את העכבה המקבילה לאחר שרוחב הקו גדל בהתאם לנוסחת חישוב העכבה המוזכרת בקטע קווי ההולכה, ולאחר מכן לחשב את מקדם ההשתקפות על פי הנוסחה האמפירית: ρ = (Zs-Z0)/(Zs+Z0), החיווט הכללי בזווית ישרה וכתוצאה מכך משתנה עכבה בין 7%-20%, כך שמקדם ההשתקפות המרבי הוא בערך 0.1. יתר על כן, כפי שניתן לראות מהאיור שלהלן, עכבת קו ההולכה משתנה למינימום באורך קו W/2, ולאחר מכן משחזרת לעכבה הרגילה לאחר זמן W/2. הזמן לשינוי העכבה כולו קצר מאוד, בדרך כלל תוך 10 ש”ח. שינוי כל כך מהיר וקטן הוא כמעט זניח עבור העברת האותות הכללית.

לאנשים רבים יש הבנה כזו של ניתוב בזווית ישרה, מתוך אמונה שהקצה קל לפלוט או לקבל גלים אלקטרומגנטיים ולייצר EMI, מה שהפך לאחת הסיבות לכך שאנשים רבים חושבים כי ניתוב בזווית ישרה אינו אפשרי. עם זאת, תוצאות בדיקה מעשיות רבות מראות שקו בזווית ישרה אינו מייצר הרבה EMI מאשר קו ישר. אולי ביצועי המכשיר הנוכחיים ורמת הבדיקה מגבילים את דיוק הבדיקה, אך לפחות זה מראה שהקרינה של קו זווית ישרה פחותה משגיאת המדידה של המכשיר עצמו. באופן כללי, יישור זווית ישרה אינו נורא כפי שזה נראה. לפחות ביישומים מתחת ל- GHz כל השפעה כמו קיבול, השתקפות, EMI וכו ‘כמעט ואינה משתקפת בבדיקות TDR. מהנדס התכנון של PCB במהירות גבוהה צריך להתמקד בפריסה, עיצוב חשמל/קרקע, עיצוב חיווט, ניקוב וכו ‘. למרות שכמובן שההשפעות של קו מלבני אינן רציניות במיוחד, אך אין זה אומר שנוכל ללכת בקו זווית ימין, תשומת לב לפרטים היא האיכות החיונית לכל מהנדס טוב, ועם ההתפתחות המהירה של מעגלים דיגיטליים. , מהנדסי PCB מעבדים את תדר האות גם ימשיכו להשתפר, ליותר מ -10 שדות עיצוב RF GHZ, זוויות ישרות קטנות אלה יכולות להפוך למוקד של בעיות במהירות גבוהה.

2. ההבדל בין

אות DifferenTIal נמצא בשימוש נרחב בעיצוב מעגלים במהירות גבוהה. האות החשוב ביותר במעגל הוא עיצוב אותות DifferenTIal. כיצד להבטיח את ביצועיו הטובים בעיצוב PCB? עם שתי השאלות הללו בחשבון, אנו עוברים לחלק הבא של הדיון שלנו.

מהו אות דיפרנציאלי? באנגלית פשוטה הנהג שולח שני אותות שווים והופכים, והמקלט משווה את ההבדל בין שני המתחים כדי לקבוע אם המצב הלוגי הוא “0” או “1”. צמד החוטים הנושאים אותות דיפרנציאליים נקרא חוטי דיפרנציאל.

בהשוואה לניתוב אותות חד פעמיים רגילים, לאות דיפרנציאלי יש את היתרונות הבולטים ביותר בשלושת ההיבטים הבאים:

א. יכולת אנטי-הפרעה חזקה, מכיוון שהצימוד בין שני קווי דיפרנציאל הוא טוב מאוד, כאשר יש הפרעה ברעש, הם כמעט מחוברים לשני קווים בו זמנית, ולמקלט אכפת מההבדל בין שני האותות בלבד, כך שניתן לבטל לחלוטין את הרעש החיצוני במצב משותף חיצוני.

B. זה יכול לדכא ביעילות את EMI. באופן דומה, מכיוון ששני אותות בעלי קוטביות הפוכה, השדה האלקטרומגנטי המוקרן על ידיהם יכול לבטל זה את זה. ככל שהצימוד קרוב יותר כך האנרגיה האלקטרומגנטית פחות משתחררת לעולם החיצון.

ג מיקום העיתוי מדויק. מכיוון ששינוי ההחלפה של אותות דיפרנציאליים ממוקם בצומת של שני אותות, בניגוד לאותות חד-פעמיים נפוצים הנשפטים על-ידי מתח סף גבוה ונמוך, הוא מושפע פחות מתהליך וטמפרטורה, מה שיכול להפחית טעויות תזמון ומתאים יותר עבור מעגלים עם אותות משרעת נמוכה. LVDS (differen מתח נמוך) מתייחס לטכנולוגיית אותות דיפרנציאל משרעת קטנה זו.

עבור מהנדסי PCB, החשש החשוב ביותר הוא כיצד להבטיח שניתן יהיה לנצל את היתרונות הללו של ניתוב דיפרנציאלי במלואו בניתוב בפועל. אולי כל עוד הוא נמצא במגע עם Layout אנשים יבינו את הדרישות הכלליות של ניתוב דיפרנציאלי, כלומר “אורך שווה, מרחק שווה”. איזומטרי הוא להבטיח ששני האותות הדיפרנציאליים תמיד ישמרו על קוטביות הפוכה, ויפחיתו את רכיב המצב הנפוץ; איזומטרי נועד בעיקר להבטיח את אותה עכבה דיפרנציאלית, להפחית את ההשתקפות. “קרוב ככל האפשר” הוא לפעמים אחת הדרישות לניתוב דיפרנציאלי. אך אף אחד מהכללים הללו לא מיועד ליישום מכני, ונראה שמהנדסים רבים אינם מבינים את טיבו של איתות דיפרנציאלי במהירות גבוהה. להלן מתמקד במספר טעויות נפוצות בעיצוב אותות דיפרנציאל PCB.

תפיסה מוטעית 1: אותות דיפרנציאליים אינם זקוקים למטוס קרקע כנתיב זרימה אחורה, או חושבים שקווים דיפרנציאליים מספקים נתיב זרימה אחורה זה לזה. הסיבה לאי הבנה זו מתבלבלת בין תופעת השטח, או שמנגנון העברת האות במהירות גבוהה אינו עמוק מספיק. כפי שניתן לראות ממבנה הקצה המקבל באיור. 1-8-15, זרמי הפולט של הטרנזיסטורים Q3 ו- Q4 שווים ומנוגדים, והזרם שלהם בצומת מבטל בדיוק זה את זה (I1 = 0). לכן, המעגל הדיפרנציאלי אינו רגיש לפרויקטים קרקעיים דומים ולאותות רעש אחרים שעשויים להתקיים באספקת החשמל ובמטוס הקרקע. ביטול זרימה אחורית חלקית של מטוס קרקע אין פירושו שהמעגל הדיפרנציאלי אינו לוקח את מטוס ההתייחסות כנתיב החזרת האות. למעשה, בניתוח זרימת החזרה של האותות, המנגנון של ניתוב דיפרנציאלי זהה לזה של ניתוב קצה חד-רגיל, כלומר גבוה

אות התדר תמיד זורם לאחור לאורך המעגל עם השראות הקטנה ביותר. ההבדל הגדול ביותר הוא בכך שלקו ההבדל לא רק יש צימוד לקרקע, אלא גם יש צימוד ביניהם. הצימוד החזק הופך לנתיב הזרימה העיקרית.

בתכנון מעגל PCB, הצימוד בין חיווט דיפרנציאלי הוא בדרך כלל קטן, בדרך כלל מהווה רק 10 ~ 20% מתואר הצימוד, ורוב הצימוד הוא לקרקע, כך שדרך ההזרמה החזרה העיקרית של חיווט דיפרנציאלי עדיין קיימת בקרקע. מָטוֹס. במקרה של אי רציפות במישור המקומי, הצימוד בין מסלולים דיפרנציאליים מספק את נתיב הזרימה העיקרית באזור ללא מטוס התייחסות, כפי שמוצג באיור. 1-8-17. למרות שההשפעה של הרציפות של מטוס ההתייחסות על חיווט דיפרנציאלי אינה חמורה כמו זו של חיווט חד-צדדי רגיל, היא עדיין תפחית את איכות האות הדיפרנציאלי ותגדיל את ה- EMI, שיש להימנע ממנו ככל האפשר. חלק מהמעצבים מאמינים שניתן להסיר את מטוס ההתייחסות של קו השידור הדיפרנציאלי כדי לדכא חלק מאות המצב הנפוץ בשידור דיפרנציאלי, אך תיאורטית גישה זו אינה רצויה. כיצד לשלוט על העכבה? מבלי לספק לולאת עכבה קרקעית לאות במצב משותף, קרינת EMI צפויה להיגרם, מה שגורם יותר נזק מתועלת.

מיתוס 2: שמירה על מרווח שווה חשובה יותר מאורך קו תואם. בחיווט ה- PCB בפועל, לרוב הוא אינו מסוגל לעמוד בדרישות העיצוב הדיפרנציאלי. בשל התפלגות הפינים, החורים ומרחב החיווט וגורמים אחרים, יש צורך להשיג את המטרה של התאמת אורך הקו באמצעות סלילה מתאימה, אך התוצאה היא בהכרח חלק מצמד ההבדלים לא יכול להיות מקביל, בשלב זה, כיצד לבחור? לפני שנקפוץ למסקנות, הבה נבחן את תוצאות הסימולציה הבאות. ניתן לראות מתוצאות הסימולציה שלעיל צורות גל של תכנית 1 ותוכנית 2 כמעט חופפות, כלומר, ההשפעה של מרווח לא שווה היא מינימלית, וההשפעה של חוסר התאמה באורך הקו גדולה בהרבה על רצף התזמון (תכנית 3) . מנקודת המבט של הניתוח התיאורטי, למרות שהמרווח הבלתי עקבי יוביל לשינויים עכבה ההבדל, אך מכיוון שהצימוד בין צמד ההבדלים עצמו אינו משמעותי, כך שטווח שינויי העכבה הוא קטן מאוד, בדרך כלל בתוך 10%, שווה ערך בלבד להשתקפות הנגרמת על ידי חור, שלא תגרום לפגיעה משמעותית בהעברת האותות. ברגע שאורך הקו אינו תואם, בנוסף לקיזוז רצף הזמן, מוכנסים לאות הדיפרנציאלי רכיבי מצב נפוץ, מה שמפחית את איכות האות ומגדיל את ה- EMI.

ניתן לומר כי הכלל החשוב ביותר בעיצוב חיווט דיפרנציאלי PCB הוא התאמת אורך הקו, וניתן לטפל בכללים אחרים בגמישות בהתאם לדרישות התכנון והיישומים המעשיים.

תפיסה מוטעית שלישית: חושב שקו ההבדל חייב להסתמך על קרוב מאוד. הנקודה לשמור על קווי ההבדל קרובים זה לזה היא לא יותר מאשר להגדיל את הצימוד שלהם, הן כדי לשפר את חסינותם לרעש והן לנצל את הקוטביות ההפוכה של השדה המגנטי כדי לבטל הפרעות אלקטרומגנטיות מהעולם החיצון. למרות שגישה זו נוחה ביותר ברוב המקרים, היא אינה מוחלטת. אם ניתן להגן עליהם באופן מלא מפני הפרעות חיצוניות, אין לנו צורך להשיג את מטרת ההפרעה והדחקת ה- EMI באמצעות צימוד חזק זה לזה יותר. כיצד להבטיח שלניתוב הדיפרנציאלי תהיה בידוד והגנה טובים? הגדלת המרחק בין הקווים לאותות אחרים היא אחת הדרכים הבסיסיות ביותר. האנרגיה של השדה האלקטרומגנטי פוחתת ביחס המרובע של המרחק. באופן כללי, כאשר המרחק בין הקווים הוא יותר מפי 4 מרוחב הקו, ההפרעה ביניהם חלשה ביותר וניתן להתעלם מכך בעצם. בנוסף, הבידוד דרך מטוס הקרקע יכול גם לספק אפקט מיגון טוב. מבנה זה משמש לעתים קרובות בעיצובים PCB ארוזים בתדירות גבוהה (מעל 10G), המכונה מבנה CPW, כדי להבטיח בקרת עכבה דיפרנציאלית קפדנית (2Z0), איור. 1-8-19.

ניתוב דיפרנציאלי יכול להתבצע גם בשכבות אות שונות, אך בדרך כלל זה לא מומלץ, מכיוון שהבדלים כגון עכבה ודרך חורים בשכבות שונות יכולים להרוס את אפקט שידור מצב הדיפרנציאל ולהכניס רעש של מצב נפוץ. בנוסף, אם שתי השכבות הסמוכות אינן צמודות הדוק, היכולת של ניתוב דיפרנציאלי להתנגד לרעש תפחת, אך דיבור חוצה אינו מהווה בעיה אם יש לשמור על מרווח נכון עם הניתוב שמסביב. בתדירות כללית (מתחת ל- GHz), EMI לא יהווה בעיה רצינית. ניסויים מראים שהנחתת אנרגיית הקרינה של קווים דיפרנציאליים במרחק של 500 מיל מעבר ל -3 מטרים הגיעה ל 60dB, וזה מספיק כדי לעמוד בתקן הקרינה האלקטרומגנטית של FCC. לכן, מעצבים לא צריכים לדאוג יותר מדי מחוסר תאימות אלקטרומגנטית הנגרמת כתוצאה מצירוף לא מספיק של קווי דיפרנציאל.

3. מִתפַּתֵל

לעתים קרובות נעשה שימוש בקו נחש ב- Layout. מטרתו העיקרית היא להתאים את עיכוב הזמן ולעמוד בדרישות עיצוב תזמון המערכת. על המעצבים להבין תחילה שחוט נחש יהרוס את איכות האות, ישנה את עיכוב השידור ויש להימנע מהם בעת חיווט. עם זאת, בעיצוב מעשי, על מנת להבטיח זמן אחיזה מספיק של אותות, או כדי לצמצם את קיזוז הזמן בין אותה קבוצת אותות, יש לבצע את הסלילה בכוונה.

אז מה עושה הנחש לאותת שידור? למה עלי לשים לב בעת הליכה על הקו? שני הפרמטרים הקריטיים ביותר הם אורך צימוד מקביל (Lp) ומרחק צימוד (S), כפי שמוצג באיור. 1-8-21. ברור שכאשר האות מועבר בקו נחש, יהיה צימוד בין מקטעי קו מקבילים בצורה של מצב הבדל. ככל ש- S קטן יותר, ה- Lp גדול יותר, ותואר הצימוד יהיה גבוה יותר. זה עלול לגרום לעיכובים בשידור מופחת ולהפחתה משמעותית באיכות האות עקב שיחות הצטלבות, כפי שמתואר בפרק 3 לניתוח מצב משותף ומצב דיפרנציאלי.

להלן כמה טיפים למהנדסי פריסה בהתמודדות עם נחש:

1. נסה להגדיל את המרחק (S) של קטע הקו המקביל, שהוא לפחות גדול מ -3 H. H מתייחס למרחק מקו האות למישור ההתייחסות. באופן כללי, זה לקחת עקומה גדולה. כל עוד S מספיק גדול, אפשר להימנע כמעט לחלוטין מאפקט הצימוד.

2. כאשר אורך הצימוד Lp מצטמצם, דיווח ההצלבה שנוצר יגיע לרוויה כאשר העיכוב של Lp יתקרב פעמיים או יעלה על זמן עליית האות.

3. העיכוב בשידור האותות הנגרם על ידי קו דמוי הנחש של קו רצועות או מיקרו-פס מוטבע קטן מזה של מיקרו-פס. באופן תיאורטי, קו הסרט אינו משפיע על קצב השידור בגלל דיווח מצב דיפרנציאלי.

4. עבור קווי מהירות ואות עם דרישות קפדניות לגבי תזמון, נסה לא ללכת בקווים נחשיים, במיוחד באזור קטן.

5. לעתים ניתן לאמץ את ניתוב הנחש בכל זווית. מבנה C באיור. 1-8-20 יכול להפחית ביעילות את הצימוד ביניהם.

6. בעיצוב PCB במהירות גבוהה, לנחש אין מה שנקרא סינון או יכולת הפרעה, והוא יכול רק להפחית את איכות האות, ולכן הוא משמש רק להתאמת תזמון וללא מטרה אחרת.

7. לפעמים ניתן לשקול התפתלות ספירלית. סימולציה מראה שההשפעה שלה טובה יותר מתפתלת נחש רגילה.