Серпентин сызығын түсіну үшін сөйлесейік ПХД алдымен маршруттау. Бұл тұжырымдаманы енгізудің қажеті жоқ сияқты. Инженер-инженер сымдарды күнде істеп жүр емес пе? ПХД-дағы әрбір ізді аппараттық инженер бір-бірлеп шығарады. Не деуге болады? Шын мәнінде, бұл қарапайым маршрутта біз әдетте елемейтін көптеген білім нүктелерін қамтиды. Мысалы, микрожолақ және жолақ сызығы түсінігі. Қарапайым сөзбен айтқанда, микрожолақ сызығы ПХД тақтасының бетінде өтетін із, ал жолақ сызығы ПХД ішкі қабатында өтетін із болып табылады. Бұл екі жолдың айырмашылығы неде?

Микрожолақ сызығының эталондық жазықтығы ПХД ішкі қабатының жер жазықтығы болып табылады, ал іздің екінші жағы ауаға ұшырайды, бұл із айналасындағы диэлектрлік өтімділіктің сәйкессіздігін тудырады. Мысалы, біздің жиі қолданылатын FR4 субстратымыздың диэлектрлік өтімділігі шамамен 4.2, ауаның диэлектрлік өткізгіштігі 1. Жолақ сызығының жоғарғы және төменгі жағында да анықтамалық жазықтықтар бар, бүкіл із ПХД субстратына енгізілген, және із айналасындағы диэлектрлік өтімділік бірдей. Бұл сонымен қатар TEM толқынының жолақ сызығында берілуіне әкеледі, ал квази-TEM толқыны микрожолақ сызығында беріледі. Неліктен бұл квази-TEM толқыны? Бұл ауа мен ПХД субстраты арасындағы интерфейстегі фазалық сәйкессіздікке байланысты. TEM толқыны дегеніміз не? Бұл мәселені тереңірек зерттесеңіз, он жарым айда бітіре алмайсыз.

Ұзақ әңгімені қысқаша айту үшін, ол микрожолақ немесе жолақ сызығы болсын, олардың рөлі цифрлық сигналдар немесе аналогтық сигналдар болсын, сигналдарды тасымалдаудан басқа ештеңе емес. Бұл сигналдар ізде бір шетінен екінші шетіне электромагниттік толқындар түрінде беріледі. Бұл толқын болғандықтан, жылдамдық болуы керек. ПХД ізіндегі сигналдың жылдамдығы қандай? Диэлектрлік өтімділіктің айырмашылығына сәйкес жылдамдық та әртүрлі. Электромагниттік толқындардың ауадағы таралу жылдамдығы жарықтың белгілі жылдамдығы болып табылады. Басқа ортадағы таралу жылдамдығын келесі формула бойынша есептеу керек:

V=C/Er0.5

Олардың ішінде V – ортадағы таралу жылдамдығы, С – жарық жылдамдығы, Er – ортаның диэлектрлік өтімділігі. Бұл формула арқылы біз ПХД ізіндегі сигналдың берілу жылдамдығын оңай есептей аламыз. Мысалы, біз оны есептеу үшін формулаға FR4 негізгі материалының диэлектрлік өтімділігін аламыз, яғни FR4 негізгі материалындағы сигналдың берілу жылдамдығы жарық жылдамдығының жартысына тең. Алайда, бетінде қадағаланған микрожолақ сызығының жартысы ауада, жартысы субстратта болғандықтан, диэлектрлік өтімділік аздап төмендейді, сондықтан тарату жылдамдығы жолақ сызығынан сәл жылдамырақ болады. Жиі қолданылатын эмпирикалық деректер мынада: микрожолақ сызығының кідірісі шамамен 140 ps/дюйм, ал жолақ сызығының кідірісі шамамен 166 ps/дюйм.

Бұрын айтқанымдай, бір ғана мақсат бар, яғни ПХД-да сигнал беру кешіктірілді! Яғни сигнал бір түйреуіш жіберілгеннен кейін бірден сым арқылы екінші түйреуішке берілмейді. Сигналдың берілу жылдамдығы өте жылдам болғанымен, із ұзындығы жеткілікті ұзақ болса да, ол сигналдың берілуіне әсер етеді. Мысалы, 1 ГГц сигналы үшін период 1 нс, ал жиектің көтерілу немесе түсу уақыты кезеңнің оннан бір бөлігін құрайды, онда ол 100 ps болады. Егер біздің ізіміздің ұзындығы 1 дюймден (шамамен 2.54 см) асса, онда беріліс кідірісі көтерілу жиегінен көп болады. Егер із 8 дюймден (шамамен 20 см) асса, онда кідіріс толық цикл болады!

ПХД соншалықты үлкен әсер ететіні белгілі болды, біздің тақталарымызда 1 дюймден астам іздер болуы өте жиі кездеседі. Кешігу тақтаның қалыпты жұмысына әсер ете ме? Нақты жүйеге қарасақ, бұл жай ғана сигнал болса және сіз басқа сигналдарды өшіргіңіз келмесе, кешіктіру ешқандай әсер етпейтін сияқты. Дегенмен, жоғары жылдамдықты жүйеде бұл кешіктіру іс жүзінде күшіне енеді. Мысалы, біздің жалпы жад бөлшектері шиналар түрінде, деректер желілерімен, адрестік сызықтармен, сағаттармен және басқару сызықтарымен қосылған. Біздің бейне интерфейсімізді қараңыз. Қанша арна HDMI немесе DVI болса да, онда деректер арналары мен сағат арналары болады. Немесе кейбір шиналық протоколдар, олардың барлығы деректер мен сағатты синхронды тасымалдау болып табылады. Содан кейін, нақты жоғары жылдамдықты жүйеде бұл тактілік сигналдар мен деректер сигналдары негізгі чиптен синхронды түрде жіберіледі. Егер біздің ПХД ізінің дизайны нашар болса, тактілік сигналдың ұзындығы мен деректер сигналы өте ерекшеленеді. Деректердің қате таңдалуын тудыруы оңай, содан кейін бүкіл жүйе қалыпты жұмыс істемейді.

Бұл мәселені шешу үшін не істеуіміз керек? Әрине, қысқа ұзындықтағы іздерді бір топтың іздерінің ұзындықтары бірдей болатындай етіп ұзартса, кідіріс бірдей болады деп ойлайтын едік? Сымды қалай ұзартуға болады? Айналыңыз! Бинго! Ақырында тақырыпқа қайта оралу оңай емес. Бұл жоғары жылдамдықты жүйедегі серпентин желісінің негізгі функциясы. Орам, ұзындығы бірдей. Бұл қарапайым. Серпентин сызығы бірдей ұзындықты орау үшін қолданылады. Серпентин сызығын сызу арқылы біз сигналдардың бірдей тобын бірдей ұзындыққа ие ете аламыз, сондықтан қабылдау чип сигналды қабылдағаннан кейін деректер ПХД ізіндегі әртүрлі кідірістерден туындамайды. Қате таңдау. Серпентиндік сызық басқа ПХД тақталарындағы іздермен бірдей.

Олар сигналдарды қосу үшін пайдаланылады, бірақ олар ұзағырақ және ол жоқ. Сондықтан серпентиндік сызық терең емес және тым күрделі емес. Бұл басқа сымдармен бірдей болғандықтан, кейбір жиі қолданылатын сым ережелері серпентиндік желілерге де қолданылады. Сонымен қатар, серпентиндік сызықтардың ерекше құрылымына байланысты сымдарды тарту кезінде оған назар аудару керек. Мысалы, серпентиндік сызықтарды бір-біріне параллельді қашықтықта ұстауға тырысыңыз. Қысқарақ, яғни үлкен иілуді айналып өтіңіз, шағын жерде тым тығыз және тым кішкентай жүрмеңіз.

Мұның бәрі сигнал кедергісін азайтуға көмектеседі. Серпентиндік сызық желі ұзындығының жасанды ұлғаюына байланысты сигналға нашар әсер етеді, сондықтан ол жүйедегі уақыт талаптарын қанағаттандыра алатын болса, оны пайдаланбаңыз. Кейбір инженерлер бүкіл топты бірдей ұзындықта ету үшін DDR немесе жоғары жылдамдықты сигналдарды пайдаланады. Жылан тәрізді сызықтар бүкіл борттың үстінде ұшып өтеді. Бұл жақсырақ сымдар сияқты. Шындығында, бұл жалқаулық және жауапсыздық. Жаралауды қажет етпейтін көптеген жерлер жараланған, бұл тақтаның аумағын ысырап етеді, сонымен қатар сигнал сапасын төмендетеді. Тақтаның сымдарды қосу ережелерін анықтау үшін біз нақты сигнал жылдамдығы талаптарына сәйкес кідірістің артықтығын есептеуіміз керек.

Ұзындығы бірдей функциядан басқа, серпентин сызығының бірнеше басқа функциялары Интернеттегі мақалаларда жиі айтылады, сондықтан мен бұл туралы қысқаша айтып беремін.

1. Мен жиі көретін сөздердің бірі – кедергілерді сәйкестендіру рөлі. Бұл мәлімдеме өте оғаш. ПХД ізінің кедергісі сызықтың еніне, диэлектрлік өтімділікке және тірек жазықтықтың қашықтығына байланысты. Ол қай кезде серпентиндік сызықпен байланысты? Қашан іздің пішіні кедергіге әсер етеді? Бұл мәлімдеменің қайдан шыққанын білмеймін.

2. сүзгілеу рөлі де айтылады. Бұл функция жоқ деп айтуға болмайды, бірақ сандық тізбектерде сүзу функциясы болмауы керек немесе бұл функцияны сандық тізбектерде пайдаланудың қажеті жоқ. Радиожиілік тізбегінде серпентин ізі LC тізбегін құра алады. Белгілі бір жиілік сигналына фильтрлеу әсері болса, ол әлі өткен.

3. Қабылдау антеннасы. Бұл болуы мүмкін. Біз бұл әсерді кейбір ұялы телефондардан немесе радиолардан көре аламыз. Кейбір антенналар ПХД ізімен жасалған.

4. Индуктивтілік. Бұл болуы мүмкін. ПХД-дағы барлық іздер бастапқыда паразиттік индуктивтілікке ие. Кейбір ПХД индукторларын жасауға болады.

5. Сақтандырғыш. Бұл әсер мені таң қалдырады. Қысқа және тар серпентин сымы сақтандырғыш ретінде қалай жұмыс істейді? Ток жоғары болған кезде жанып кету керек пе? Тақта сынған жоқ, бұл сақтандырғыштың бағасы тым жоғары, мен оның қандай қолданбада қолданылатынын білмеймін.

Жоғарыда келтірілген кіріспе арқылы біз аналогтық немесе радиожиілік тізбектерде серпентиндік желілердің микрожолақ сызықтарының сипаттамаларымен анықталатын кейбір арнайы функцияларға ие екенін түсіндіре аламыз. Цифрлық схема дизайнында уақыт сәйкестігіне қол жеткізу үшін серпентиндік сызық бірдей ұзындықта қолданылады. Сонымен қатар, серпентиндік сызық сигнал сапасына әсер етеді, сондықтан жүйеде жүйелік талаптар нақтылануы керек, жүйенің артық болуы нақты талаптарға сәйкес есептелуі керек және серпентиндік сызықты сақтықпен пайдалану керек.