Norėdami suprasti serpantino liniją, pakalbėkime apie PCB pirmiausia maršrutas. Atrodo, kad šios koncepcijos nereikia pristatyti. Ar aparatūros inžinierius ne kasdien atlieka elektros instaliacijos darbus? Kiekvieną PCB pėdsaką po vieną nubrėžia aparatūros inžinierius. Ką galima pasakyti? Tiesą sakant, šiame paprastame maršrute taip pat yra daug žinių taškų, kurių paprastai nepaisome. Pavyzdžiui, mikrojuostos linijos ir juostelės sąvoka. Paprasčiau tariant, mikrojuostos linija yra pėdsakas, einantis PCB plokštės paviršiuje, o juostelė yra pėdsakas, einantis vidiniame PCB sluoksnyje. Kuo skiriasi šios dvi eilutės?

Mikrojuostos linijos atskaitos plokštuma yra PCB vidinio sluoksnio įžeminimo plokštuma, o kita pėdsako pusė yra veikiama oro, todėl dielektrinė konstanta aplink pėdsaką yra nenuosekli. Pavyzdžiui, mūsų dažniausiai naudojamo FR4 pagrindo dielektrinė konstanta yra maždaug 4.2, oro dielektrinė konstanta yra 1. Viršutinėje ir apatinėje juostos linijos pusėse yra atskaitos plokštumos, visas pėdsakas yra įterptas į PCB pagrindą, o dielektrinė konstanta aplink pėdsaką yra tokia pati. Dėl to TEM banga perduodama juostos linija, o kvazi-TEM banga perduodama mikrojuostos linija. Kodėl tai kvazi-TEM banga? Taip yra dėl fazių nesutapimo sąsajoje tarp oro ir PCB substrato. Kas yra TEM banga? Jei įsigilinsite į šį klausimą, per dešimt su puse mėnesio jo nepabaigsite.

Trumpai tariant, nesvarbu, ar tai būtų mikrojuostelinė linija, ar juostinė linija, jų vaidmuo yra ne kas kita, kaip signalų perdavimas, nesvarbu, ar tai būtų skaitmeniniai, ar analoginiai signalai. Šie signalai yra perduodami elektromagnetinių bangų pavidalu iš vieno pėdsako galo į kitą. Kadangi tai banga, greitis turi būti. Koks yra PCB pėdsako signalo greitis? Pagal dielektrinės konstantos skirtumą skiriasi ir greitis. Elektromagnetinių bangų sklidimo ore greitis yra gerai žinomas šviesos greitis. Sklidimo greitis kitose terpėse turi būti apskaičiuojamas pagal šią formulę:

V=C/Er0.5

Tarp jų V – sklidimo greitis terpėje, C – šviesos greitis, o Er – terpės dielektrinė konstanta. Naudodami šią formulę galime lengvai apskaičiuoti signalo perdavimo greitį ant PCB pėdsako. Pavyzdžiui, FR4 pagrindinės medžiagos dielektrinę konstantą tiesiog paimame į formulę, kad ją apskaičiuotume, tai yra, signalo perdavimo greitis FR4 pagrindinėje medžiagoje yra pusė šviesos greičio. Tačiau, kadangi pusė mikrojuostos linijos, nubrėžtos ant paviršiaus, yra ore, o pusė – substrate, dielektrinė konstanta bus šiek tiek sumažinta, todėl perdavimo greitis bus šiek tiek didesnis nei juostelės linijos. Dažniausiai naudojami empiriniai duomenys yra tai, kad mikrojuostos linijos pėdsakų delsa yra apie 140ps/col., o juostos linijos sekimo delsa yra apie 166ps/col.

Kaip jau sakiau anksčiau, yra tik vienas tikslas, tai yra, signalo perdavimas PCB yra atidėtas! Tai reiškia, kad signalas neperduodamas į kitą kaištį per laidus akimirksniu po vieno kaiščio išsiuntimo. Nors signalo perdavimo greitis yra labai greitas, tol, kol sekimo ilgis yra pakankamai ilgas, jis vis tiek turės įtakos signalo perdavimui. Pavyzdžiui, 1 GHz signalo periodas yra 1ns, o kylančio arba krintančio krašto laikas yra apie dešimtadalį periodo, tada jis yra 100ps. Jei mūsų pėdsako ilgis viršija 1 colią (maždaug 2.54 cm), perdavimo delsa bus daugiau nei kylanti briauna. Jei pėdsakas viršija 8 colius (maždaug 20 cm), vėlavimas bus visas ciklas!

Pasirodo, kad PCB turi tokį didelį poveikį, labai dažnai mūsų plokštėse yra daugiau nei 1 colio pėdsakai. Ar delsimas turės įtakos normaliam lentos veikimui? Žvelgiant į tikrąją sistemą, jei tai tik signalas ir nenorite išjungti kitų signalų, atrodo, kad delsa neturi jokios įtakos. Tačiau didelės spartos sistemoje šis delsimas iš tikrųjų įsigalios. Pavyzdžiui, mūsų bendros atminties dalelės yra sujungtos magistralės pavidalu su duomenų linijomis, adresų linijomis, laikrodžiais ir valdymo linijomis. Pažvelkite į mūsų vaizdo sąsają. Nesvarbu, kiek kanalų yra HDMI ar DVI, jame bus duomenų kanalų ir laikrodžio kanalų. Arba kai kurie magistralės protokolai, kurie visi yra sinchroninis duomenų ir laikrodžio perdavimas. Tada tikroje didelės spartos sistemoje šie laikrodžio signalai ir duomenų signalai sinchroniškai siunčiami iš pagrindinės lusto. Jei mūsų PCB sekimo dizainas yra prastas, laikrodžio signalo ir duomenų signalo ilgis labai skiriasi. Nesunku sukelti klaidingą duomenų atranką, tada visa sistema neveiks normaliai.

Ką turėtume daryti, kad išspręstume šią problemą? Natūralu, kad manytume, kad jei trumpo ilgio pėdsakai pailginami taip, kad tos pačios grupės pėdsakų ilgiai būtų vienodi, tai vėlavimas bus toks pat? Kaip prailginti laidus? Eik aplinkui! Bingo! Pagaliau grįžti prie temos nėra lengva. Tai yra pagrindinė serpantino linijos funkcija greitųjų greičių sistemoje. Apvija, vienodo ilgio. Tai taip paprasta. Serpantino linija naudojama vienodo ilgio vyniojimui. Nubrėžę serpantino liniją, galime padaryti, kad ta pati signalų grupė būtų vienodo ilgio, kad po to, kai priimančioji mikroschema gautų signalą, duomenų nesukeltų skirtingi PCB pėdsakų vėlavimai. Neteisingas pasirinkimas. Serpantino linija yra tokia pati kaip ir kitų PCB plokščių pėdsakai.

Jie naudojami signalams sujungti, bet yra ilgesni ir jų neturi. Taigi serpantino linija nėra gili ir nesudėtinga. Kadangi tai yra tokia pati kaip ir kiti laidai, kai kurios dažniausiai naudojamos laidų taisyklės taip pat taikomos serpantino linijoms. Tuo pačiu metu, dėl ypatingos serpantino linijų struktūros, į tai turėtumėte atkreipti dėmesį sujungdami laidus. Pavyzdžiui, pasistenkite, kad serpantino linijos būtų lygiagrečios viena kitai toliau. Trumpiau, tai yra, apeikite didelį vingį, kaip sakoma, nevažiuokite per tankiai ir per mažame plote.

Visa tai padeda sumažinti signalo trukdžius. Serpantino linija turės blogą įtaką signalui dėl dirbtinio linijos ilgio padidinimo, todėl tol, kol ji gali atitikti sistemos laiko reikalavimus, nenaudokite jos. Kai kurie inžinieriai naudoja DDR arba didelės spartos signalus, kad visa grupė būtų vienodo ilgio. Serpantino linijos skraido per visą lentą. Atrodo, kad tai geresnis laidas. Tiesą sakant, tai tingu ir neatsakinga. Daugelis vietų, kurių nereikia vynioti, yra suvyniotos, o tai eikvoja lentos plotą, taip pat sumažina signalo kokybę. Turėtume apskaičiuoti uždelsimo dubliavimą pagal faktinius signalo greičio reikalavimus, kad būtų nustatytos plokštės laidų taisyklės.

Be vienodo ilgio funkcijos, internetiniuose straipsniuose dažnai minimos ir kelios kitos serpantino linijos funkcijos, todėl čia trumpai ir pakalbėsiu apie tai.

1. Vienas iš žodžių, kurį dažnai matau, yra varžos suderinimo vaidmuo. Šis teiginys labai keistas. PCB pėdsako varža yra susijusi su linijos pločiu, dielektrine konstanta ir atskaitos plokštumos atstumu. Kada tai susiję su serpantino linija? Kada pėdsako forma turi įtakos varžai? Nežinau, iš kur kilo šis teiginys.

2. taip pat sakoma, kad tai yra filtravimo vaidmuo. Negalima sakyti, kad šios funkcijos nėra, tačiau skaitmeninėse grandinėse neturėtų būti filtravimo funkcijos arba šios funkcijos nereikia naudoti skaitmeninėse grandinėse. Radijo dažnio grandinėje serpantino pėdsakas gali sudaryti LC grandinę. Jei jis turi tam tikro dažnio signalo filtravimo efektą, tai vis tiek yra praeitis.

3. Priėmimo antena. Tai gali būti. Šį poveikį matome kai kuriuose mobiliuosiuose telefonuose ar radijo imtuvuose. Kai kurios antenos pagamintos su PCB pėdsakais.

4. Induktyvumas. Tai gali būti. Visi PCB pėdsakai iš pradžių turi parazitinį induktyvumą. Galima pagaminti kai kuriuos PCB induktorius.

5. Saugiklis. Šis efektas mane glumina. Kaip trumpas ir siauras serpantino laidas veikia kaip saugiklis? Perdegti, kai srovė didelė? Plokštė neišmesta į metalo laužą, šio saugiklio kaina per didelė, tikrai nežinau kokioje programoje ji bus naudojama.

Per pirmiau pateiktą įvadą galime paaiškinti, kad analoginėse arba radijo dažnių grandinėse serpentino linijos turi keletą specialių funkcijų, kurias lemia mikrojuostelių linijų charakteristikos. Kuriant skaitmeninę grandinę, serpantino linija naudojama vienodo ilgio, kad būtų suderintas laikas. Be to, serpantino linija turės įtakos signalo kokybei, todėl sistemoje turėtų būti patikslinti sistemos reikalavimai, skaičiuojamas sistemos perteklius pagal faktinius reikalavimus, o serpantino linija turėtų būti naudojama atsargiai.