Макет – бул PCB дизайн инженерлери үчүн эң негизги жумуш көндүмдөрүнүн бири. Зымдардын сапаты бүт системанын иштешине түздөн-түз таасир этет. Көпчүлүк жогорку ылдамдыктагы дизайн теориялары акыры ишке ашырылышы жана Layout аркылуу текшерилиши керек. Бул зымдар абдан маанилүү экенин көрүүгө болот жогорку ылдамдыктагы PCB дизайн. Төмөндө чыныгы зымдарда кездешүүсү мүмкүн болгон кээ бир кырдаалдардын сарамжалдуулугун талдап, бир нече оптималдаштырылган маршруттук стратегияларды берет.

Ал негизинен үч аспектиден түшүндүрүлөт: тик бурчтуу зымдар, дифференциалдык зымдар жана серпентин зымдары.

1. Оң бурчтуу багыттоо

Оң бурчтуу зымдар жалпысынан ПХБ зымдарында мүмкүн болушунча качуу керек болгон жагдай жана зымдардын сапатын өлчөө үчүн дээрлик стандарттардын бири болуп калды. Ошентип, тик бурчтуу зымдар сигналды өткөрүүгө канчалык таасир этет? Негизинен, тик бурчтуу багыттоо өткөргүч линиясынын линиясынын туурасын өзгөртүп, импеданстын үзгүлтүккө учурашына алып келет. Чындыгында, бир гана туура бурчтуу багыттоо эмес, ошондой эле бурчтар жана курч бурчтук багыттоо импеданстын өзгөрүшүнө алып келиши мүмкүн.

Сигнал боюнча тик бурчтуу маршруттун таасири негизинен үч аспектиде чагылдырылат:

Алардын бири бурч электр өткөргүч линиясындагы сыйымдуулук жүккө барабар болушу мүмкүн, бул көтөрүлүү убактысын жайлатат; экинчиси, импеданстын үзгүлтүккө учурашы сигналдын чагылышын шарттайт; үчүнчүсү – тик бурчтун учу тарабынан түзүлгөн EMI.

Электр өткөргүч линиясынын туура бурчунан келип чыккан мите сыйымдуулук төмөнкү эмпирикалык формула менен эсептелсе болот:

C = 61W (Эр) 1/2/Z0

Жогорудагы формулада C бурчтун эквиваленттүү сыйымдуулугуна (бирдик: pF), W изинин кеңдигине (бирдик: дюйм), εr чөйрөнүн диэлектрдик өтүмдүүлүгүнө, Z0 – мүнөздүү импеданска тиешелүү. берүү линиясынын. Мисалы, 4Mils 50 Ом электр өткөргүч линиясы үчүн (εr 4.3), туура бурч менен алып келген сыйымдуулук болжол менен 0.0101pF, андан кийин ушундан улам көтөрүлүү убактысынын өзгөрүшүн баалоого болот:

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

Бул туура бурч изи менен алып сыйымдуулук таасири өтө аз экенин эсептөө аркылуу көрүүгө болот.

Тик бурчтук издин сызыгынын кеңдиги өскөн сайын ал жердеги импеданс азаят, ошондуктан белгилүү бир сигналды чагылдыруу кубулушу пайда болот. Электр өткөргүч линиясынын бөлүмүндө айтылган импедансты эсептөө формуласы боюнча линиянын кеңи көбөйгөндөн кийин эквиваленттүү импедансты эсептеп, андан кийин эмпирикалык формула боюнча чагылдыруу коэффициентин эсептей алабыз:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Жалпысынан алганда, тик бурчтуу зымдардан келип чыккан импеданстын өзгөрүшү 7%-20% ортосунда, ошондуктан максималдуу чагылдыруу коэффициенти болжол менен 0.1. Мындан тышкары, төмөндөгү сүрөттө көрүнүп тургандай, электр өткөргүч линиясынын импедансы W/2 линиясынын узундугу ичинде минимумга чейин өзгөрөт, андан кийин W/2 убактысынан кийин кадимки импеданска кайтып келет. Толук импеданс өзгөртүү убактысы өтө кыска, көбүнчө 10 сек ичинде. Ичинде, мындай тез жана кичинекей өзгөрүүлөр жалпы сигнал берүү үчүн дээрлик жокко эсе.

Көптөгөн адамдар туура бурчтуу зымдарды түшүнүшөт. Алар учу электромагниттик толкундарды берүү же кабыл алуу жана EMI түзүү үчүн жеңил деп ойлошот. Бул көптөгөн адамдар туура бурчтуу зымдарды өткөрүү мүмкүн эмес деп ойлошунун себептеринин бири болуп калды. Бирок, көптөгөн реалдуу сыноо натыйжалары түз бурчтуу издер түз сызыктарга караганда ачык EMI чыгара албасын көрсөтүп турат. Балким, учурдагы аспаптын иштеши жана тест деңгээли тесттин тактыгын чектейт, бирок, жок дегенде, бул көйгөйдү көрсөтүп турат. Тик бурчтуу зымдардын нурлануусу прибордун өзүнүн өлчөө катасынан мурунтан эле кичине.

Жалпысынан алганда, туура бурчтуу маршруту элестеткендей коркунучтуу эмес. Жок дегенде GHz төмөн колдонмолордо сыйымдуулук, чагылдыруу, EMI ж.б. сыяктуу эффекттер TDR тестинде дээрлик чагылдырылбайт. Жогорку ылдамдыктагы PCB долбоорлоо инженерлери дагы эле макетке, электр / жердин дизайнына жана зымдардын дизайнына көңүл бурушу керек. тешиктер жана башка аспектилери аркылуу. Албетте, тик бурчтуу зымдардын таасири анча деле олуттуу болбосо да, бул келечекте баарыбыз туура бурчтуу зымдарды колдоно алабыз дегенди билдирбейт. Детальдарга көңүл буруу – бул ар бир жакшы инженерде болушу керек болгон негизги сапат. Мындан тышкары, санариптик схемалардын тез өнүгүшү менен, PCB инженерлер тарабынан иштелип чыккан сигналдын жыштыгы көбөйө берет. 10 ГГц жогору RF дизайн тармагында, бул кичинекей туура бурчтар жогорку ылдамдыктагы көйгөйлөрдүн чордону болуп калышы мүмкүн.

2. Дифференциалдык багыттоо

Дифференциалдык сигнал (DifferentialSignal) жогорку ылдамдыктагы схемаларды долбоорлоодо барган сайын кеңири колдонулат. Схемадагы эң критикалык сигнал көбүнчө дифференциалдык түзүлүш менен иштелип чыккан. Аны мынчалык популярдуу кылган эмне? PCB дизайнында анын жакшы иштешин кантип камсыз кылуу керек? Ушул эки суроо менен биз талкуунун кийинки бөлүгүнө өтөбүз.

Дифференциалдык сигнал деген эмне? Жөнөкөй тил менен айтканда, кыймылдаткыч эки бирдей жана тескери сигналдарды жөнөтөт, ал эми кабыл алуучу бөлүк эки чыңалуу ортосундагы айырманы салыштырып логикалык абалды “0” же “1” деп эсептейт. Дифференциалдык сигналдарды алып жүрүүчү жуп издер дифференциалдык издер деп аталат.

Кадимки бир чектүү сигнал издерине салыштырмалуу дифференциалдык сигналдар төмөнкү үч аспектиде эң ачык артыкчылыктарга ээ:

а. Күчтүү анти-кийлигишүү жөндөмдүүлүгү, анткени эки дифференциалдык издин ортосундагы байланыш абдан жакшы. Сырттан ызы-чуу кийлигишүү болгондо, алар бир эле учурда эки линияга дээрлик кошулат жана кабыл алуучу тарап эки сигналдын ортосундагы айырмага гана кам көрөт. Ошондуктан, тышкы жалпы режим ызы-чуу толугу менен жокко чыгарууга болот. б. Бул натыйжалуу EMI басууга болот. Ушул эле себептен улам, эки сигналдын карама-каршы уюлдуулугунан улам, алар тараткан электромагниттик талаалар бири-бирин жокко чыгарышы мүмкүн. Кошуу канчалык бекем болсо, тышкы дүйнөгө азыраак электромагниттик энергия чыгарылат. в. Убакыттын ордун аныктоо так. Дифференциалдык сигналдын коммутаторунун өзгөрүшү эки сигналдын кесилишинде жайгашкандыктан, кадимки бир аягы сигналдан айырмаланып, аны аныктоо үчүн жогорку жана төмөнкү босого чыңалууларга көз каранды, ага процесс жана температура азыраак таасир этет. убакыттын катасын азайтуу. , Бирок ошондой эле аз амплитудалуу сигнал схемалары үчүн көбүрөөк ылайыктуу. Учурдагы популярдуу LVDS (төмөнкү чыңалуудагы дифференциалдык сигнализация) бул кичинекей амплитудалуу дифференциалдык сигнал технологиясын билдирет.

ПХБ инженерлери үчүн дифференциалдык зымдардын бул артыкчылыктары чыныгы зымдарда толугу менен колдонулушуна кантип кепилдик берүү керек. Балким, Layout менен байланышта болгон ар бир адам дифференциалдык зымдардын жалпы талаптарын, башкача айтканда, “бардык узундук жана бирдей аралыкты” түшүнөт. бирдей узундук эки дифференциалдык сигналдар ар дайым карама-каршы полярдуулуктарды сактоо жана жалпы режим компонентин азайтуу камсыз кылуу болуп саналат; бирдей аралык негизинен экөөнүн дифференциалдык импеданстарынын ырааттуу болушун камсыз кылуу жана чагылууларды азайтуу. “Мүмкүн болушунча жакын” кээде дифференциалдык өткөргүчтөрдүн талаптарынын бири болуп саналат. Бирок бул эрежелердин баары механикалык түрдө колдонулбайт жана көптөгөн инженерлер дагы эле жогорку ылдамдыктагы дифференциалдык сигнал берүүнүн маңызын түшүнө электей.

Төмөндө PCB дифференциалдык сигнал дизайнындагы бир нече жалпы түшүнбөстүктөргө багытталган.

Түшүнбөстүк 1: Бул дифференциалдык сигналга кайтуу жолу катары жер тегиздигине муктаж эмес, же дифференциалдык издер бири-бирине кайтуу жолун камсыз кылат деп эсептелет. Мындай түшүнбөстүктүн себеби, алардын үстүртөн көрүнүштөр менен чаташтырылышы же сигналдын жогорку ылдамдыкта өтүү механизминин терең эместиги. 1-8-15-сүрөттүн кабыл алуучу учунун структурасынан Q3 жана Q4 транзисторлорунун эмитенттик агымдары барабар жана карама-каршы, ал эми алардын жердеги агымдары бири-бирин так жокко чыгарат (I1=0), ошондуктан дифференциалдык чынжыр – Окшош секирүү жана башка ызы-чуу сигналдары, кубат жана жердеги учактарда болушу мүмкүн. Жер тегиздигинин жарым-жартылай кайтаруу жокко чыгарылышы дифференциалдык чынжыр сигналды кайтаруу жолу катары таяныч тегиздигин колдонбойт дегенди билдирбейт. Чындыгында, сигналды кайтаруу талдоосунда дифференциалдык зымдар менен кадимки бир учтуу зымдардын механизми бирдей, башкача айтканда, жогорку жыштыктагы сигналдар ар дайым цикл боюнча эң аз индуктивдүүлүк менен кайра агып турат, эң чоң айырмачылык андан тышкары жерге бириктирүү, дифференциалдык линия да өз ара байланышка ээ. Кайсы биригүү күчтүү, кайсынысы негизги кайтуу жолу болуп калат. 1-8-16-сүрөт – бир жактуу сигналдардын жана дифференциалдык сигналдардын геомагниттик талаасынын бөлүштүрүлүшүнүн схемалык диаграммасы.

ПХБ схемасынын конструкциясында дифференциалдык издер ортосундагы туташуу жалпысынан кичинекей, көбүнчө туташтыруу даражасынын 10-20% гана түзөт, ал эми жерге кошулуу андан да көп, ошондуктан дифференциалдык издин негизги кайтуу жолу дагы эле жерде бар. учак. Жер тегиздиги үзгүлтүккө учураганда, дифференциалдык издердин ортосундагы бириктирүү 1-8-17-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, эталондук тегиздиксиз аймактагы негизги кайтуу жолун камсыз кылат. Эталондук тегиздиктин үзгүлтүксүздүгүнүн дифференциалдык трассага тийгизген таасири кадимки бир учтуу изи сыяктуу олуттуу болбосо да, ал дифференциалдык сигналдын сапатын төмөндөтөт жана EMIди жогорулатат, аны мүмкүн болушунча болтурбоо керек. . Кээ бир дизайнерлер дифференциалдык трассанын астындагы таяныч тегиздигин дифференциалдык берүүдөгү кээ бир жалпы режим сигналдарын басуу үчүн алып салууга болот деп эсептешет. Бирок, бул ыкма теориялык жактан каалаган эмес. Импедансты кантип башкаруу керек? Жалпы режимдеги сигнал үчүн жердин импеданс циклин камсыз кылбоо сөзсүз EMI нурлануусуна алып келет. Бул ыкма пайдага караганда көбүрөөк зыян алып келет.

Түшүнбөстүк 2: Бирдей аралыкты сактоо сызык узундугуна туура келгенге караганда маанилүүрөөк деп эсептелинет. Чыныгы PCB макетинде, көп учурда бир эле учурда дифференциалдык дизайндын талаптарына жооп берүү мүмкүн эмес. Пиндерди бөлүштүрүү, линиялар жана зымдар мейкиндиги бар болгондуктан, линиянын узундугун тууралоо максатына туура ороо аркылуу жетишүү керек, бирок натыйжада дифференциалдык жуптун кээ бир аймактары параллелдүү болушу мүмкүн эмес болушу керек. Бул убакта эмне кылышыбыз керек? Кайсы тандоо? Корутунду чыгаруудан мурун, келгиле, симуляциянын төмөнкү натыйжаларын карап көрөлү.

Жогорудагы симуляциянын натыйжаларынан 1-схема менен 2-схемадагы толкун формалары дээрлик дал келгендигин, башкача айтканда, бирдей эмес аралыктын таасири минималдуу экенин көрүүгө болот. Салыштыруу үчүн, линиянын узундугунун дал келбестигинин убакытка тийгизген таасири алда канча чоң. (3-схема). Теориялык анализден, дал келбеген аралык дифференциалдык импеданстын өзгөрүшүнө алып келет, анткени дифференциалдык жуптун ортосундагы туташуу олуттуу эмес, импеданстын өзгөрүү диапазону да өтө кичинекей, адатта 10% чегинде, бул бир гана өтүүгө барабар. . Тешиктен келип чыккан чагылуу сигналды өткөрүүгө олуттуу таасирин тийгизбейт. Саптын узундугу дал келбегенден кийин, убакыттын офсетинен тышкары, дифференциалдык сигналга жалпы режимдин компоненттери киргизилет, бул сигналдын сапатын төмөндөтөт жана EMIди жогорулатат.

Бул PCB дифференциалдык издерин долбоорлоодо абдан маанилүү эреже дал келген сызык узундугу болуп саналат деп айтууга болот, жана башка эрежелер ийкемдүү дизайн талаптарына жана практикалык колдонмолорго ылайык чечүүгө болот.

Түшүнбөстүк 3: Дифференциалдык зымдар абдан жакын болушу керек деп ойлойсуз. Дифференциалдык издерди жакын кармоо алардын туташууларын күчөтүүдөн башка эч нерсе эмес, бул ызы-чууга каршы иммунитетти гана жакшыртпастан, ошондой эле тышкы дүйнөгө электромагниттик тоскоолдуктарды жабуу үчүн магнит талаасынын карама-каршы полярдуулугун толук пайдалана алат. Бул ыкма көпчүлүк учурларда абдан пайдалуу болсо да, ал абсолюттук эмес. Эгерде биз алардын тышкы кийлигишүүлөрдөн толугу менен корголушун камсыздай алсак, анда анти-кетерилүүгө жетишүү үчүн күчтүү туташтыруунун кереги жок. Жана EMI басуу максаты. Кантип дифференциалдык издердин жакшы изоляциясын жана корголушун камсыздай алабыз? Башка сигнал издери менен аралыкты көбөйтүү эң негизги жолдордун бири болуп саналат. Электромагниттик талаанын энергиясы аралыктын квадраты менен азаят. Жалпысынан, сызык аралыгы сызык туурасынан 4 эсе ашса, алардын ортосундагы интерференция өтө начар. Көңүл бурбай коюуга болот. Мындан тышкары, жер учагы менен обочолонуу да жакшы коргоочу ролду ойной алат. Бул структура көбүнчө жогорку жыштыктагы (10Gден жогору) IC пакетинин ПХБ дизайнында колдонулат. Бул катуу дифференциалдык импедансты камсыз кыла турган CPW структурасы деп аталат. Башкаруу (2Z0), 1-8-19-сүрөттө көрсөтүлгөндөй.

Дифференциалдык издер ар кандай сигнал катмарларында да иштеши мүмкүн, бирок бул ыкма жалпысынан сунушталбайт, анткени ар кандай катмарлар тарабынан өндүрүлгөн импеданстын жана визалардагы айырмачылыктар дифференциалдык режим берүүнүн таасирин жок кылат жана жалпы режимдин ызы-чуусун киргизет. Кошумчалай кетсек, эгерде чектеш эки катмар тыгыз байланышпаса, дифференциалдык изи ызы-чууга туруштук берүү мүмкүнчүлүгүн азайтат, бирок сиз курчап турган издерден туура аралыкты сактай алсаңыз, кайчылашуу көйгөй жаратпайт. Жалпы жыштыктарда (ГГцтен төмөн) EMI олуттуу көйгөй болбойт. Тажрыйбалар дифференциалдык изден 500 миль аралыкта нурлануучу энергиянын басаңдашы 60 метр аралыкта 3 дБ жеткендигин көрсөттү, бул FCC электромагниттик нурлануу стандартын канааттандыруу үчүн жетиштүү, ошондуктан дизайнер да тынчсыздануунун кереги жок. жетишсиз дифференциалдык линия менен шартталган электромагниттик келишпестик жөнүндө көп.

3. Серпентин линиясы

Жылан сызыгы – Layout’та көбүнчө колдонулган маршруттук ыкманын бир түрү. Анын негизги максаты – системанын убактысын долбоорлоо талаптарына жооп берүү үчүн кечиктирүүнү тууралоо. Дизайнер адегенде мындай түшүнүккө ээ болушу керек: серпентин линиясы сигналдын сапатын бузуп, берүүнүн кечигүүсүн өзгөртөт жана зымдарды туташтырууда аны колдонуудан качууга аракет кылат. Бирок, иш жүзүндө долбоорлоодо, сигналдын жетиштүү кармап туруу убактысын камсыз кылуу үчүн же бир эле топтун сигналдарынын ортосундагы аралыкты кыскартуу үчүн, зымды атайылап ороп коюу зарыл.

Ошентип, серпентин линиясы сигналды өткөрүүгө кандай таасир этет? Зымдарды тартууда эмнеге көңүл буруум керек? 1-8-21-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, эң критикалык эки параметр параллелдүү бириктирүү узундугу (Lp) жана бириктирүү аралыктары (S) болуп саналат. Белгилүү болгондой, сигнал серпентин изи боюнча берилгенде, параллель сызык сегменттери дифференциалдык режимде бириктирилет. S канчалык кичине жана Lp чоңураак болсо, бириктирүү даражасы ошончолук чоң болот. Бул берүүнүн кечигүүсүнүн азайышына алып келиши мүмкүн жана сигналдын сапаты кайчылашуунун айынан бир топ төмөндөйт. Механизм 3-главадагы жалпы режимдин жана дифференциалдык режимдин кайчылаш талдоосуна шилтеме жасай алат.

Төмөндө Серпентин линиялары менен иштөөдө Layout инженерлери үчүн кээ бир сунуштар бар:

1. Параллель сызык сегменттеринин аралыгын (S) көбөйтүүгө аракет кылыңыз, жок эле дегенде 3H чоңураак, H сигнал изинен таяныч тегиздигине чейинки аралыкты билдирет. Жөнөкөй тил менен айтканда, бул чоң бурулуштан айланып өтүү. S жетишерлик чоң болсо, өз ара бириктирүү эффектинен дээрлик толугу менен качууга болот. 2. Муфтанын узундугун азайтыңыз Lp. Кош Lp кечигүү сигналдын көтөрүлүү убактысына жакындаганда же андан ашканда, түзүлгөн кайчылаш каныккандыкка жетет. 3. Strip-Line же Embedded Micro-стриптин серпентиндик сызыгынан келип чыккан сигнал берүүнүн кечигүү микро-стриптикине караганда азыраак. Теориялык жактан алганда, тилке сызык дифференциалдык режимдин кайчылашуусунан улам берүү ылдамдыгына таасир этпейт. 4. Жогорку ылдамдыктагы сигнал линиялары жана катуу убакыт талаптары барлар үчүн, өзгөчө кичинекей жерлерде серпентиндик линияларды колдонбогонго аракет кылыңыз. 5. Сиз көп учурда ар кандай бурчта серпентин издерин колдоно аласыз, мисалы, 1-8-20-сүрөттөгү С структурасы, бул өз ара байланышты натыйжалуу азайта алат. 6. Жогорку ылдамдыктагы PCB дизайнында серпентин линиясы чыпкалоочу же анти-кетеришүү жөндөмүнө ээ эмес жана сигналдын сапатын гана төмөндөтүшү мүмкүн, ошондуктан ал убакытты дал келтирүү үчүн гана колдонулат жана башка максаты жок. 7. Кээде орогуч үчүн спиралдык маршрутту карап көрүүгө болот. Симуляция анын эффектиси кадимки серпентиндик маршрутка караганда жакшыраак экенин көрсөтүп турат.