Išdėstymas yra vienas iš pagrindinių PCB projektavimo inžinierių darbo įgūdžių. Laidų kokybė tiesiogiai paveiks visos sistemos veikimą. Dauguma didelės spartos projektavimo teorijų turi būti galutinai įgyvendintos ir patikrintos naudojant Layout. Galima pastebėti, kad laidai yra labai svarbūs greitaeigė PCB dizainas. Toliau bus išanalizuotas kai kurių situacijų, su kuriomis gali susidurti faktiškai prijungiant laidus, racionalumas ir pateikiamos kelios optimizuotos maršruto parinkimo strategijos.

Tai daugiausia paaiškinama trimis aspektais: stačiakampio laidų, diferencialo laidų ir serpentino laidų.

1. Stačiakampis maršrutas

Stačiakampis laidai paprastai yra situacija, kurios reikia kuo labiau vengti spausdinant PCB laidus, ir tai beveik tapo vienu iš laidų kokybės matavimo standartų. Taigi, kokią įtaką signalo perdavimui turės stačiakampis laidas? Iš esmės stačiakampis maršrutas pakeis perdavimo linijos linijos plotį, sukeldamas impedanso nepertraukiamumą. Tiesą sakant, ne tik stačiakampis maršrutas, bet ir kampai bei smailus kampas gali sukelti varžos pokyčius.

Stačiakampio maršruto įtaka signalui daugiausia atsispindi trimis aspektais:

Vienas iš jų yra tas, kad kampas gali būti lygiavertis talpinei perdavimo linijos apkrovai, kuri sulėtina kilimo laiką; antrasis yra tas, kad varžos nepertraukiamumas sukels signalo atspindį; trečiasis yra EMI, kurį sukuria stačiakampis galas.

Parazitinė talpa, kurią sukelia stačias perdavimo linijos kampas, gali būti apskaičiuota pagal šią empirinę formulę:

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

Aukščiau pateiktoje formulėje C reiškia lygiavertę kampo talpą (vienetas: pF), W reiškia pėdsako plotį (vienetas: colis), εr reiškia terpės dielektrinę konstantą, o Z0 yra būdinga varža. perdavimo linijos. Pavyzdžiui, 4Mils 50 omų perdavimo linijai (εr yra 4.3) stačiu kampu atnešama talpa yra apie 0.0101 pF, o tada galima įvertinti dėl to kilimo laiko pokytį:

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

Skaičiuojant galima pastebėti, kad stačiakampio pėdsako sukuriamas talpos efektas yra labai mažas.

Didėjant stačiakampio pėdsako linijos pločiui, varža ten sumažės, todėl atsiras tam tikras signalo atspindžio reiškinys. Padidėjus linijos pločiui galime apskaičiuoti lygiavertę varžą pagal laidų skyriuje nurodytą varžos skaičiavimo formulę, o tada pagal empirinę formulę apskaičiuoti atspindžio koeficientą:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Paprastai stačiakampio laidų sukeltas varžos pokytis yra nuo 7% iki 20%, todėl didžiausias atspindžio koeficientas yra apie 0.1. Be to, kaip matyti iš toliau pateikto paveikslo, perdavimo linijos varža pasikeičia iki minimumo per W/2 linijos ilgį, o po W/2 laiko grįžta į normalią varžą. Visas varžos pasikeitimo laikas yra labai trumpas, dažnai per 10 ps. Viduje tokie greiti ir nedideli pokyčiai yra beveik nereikšmingi bendram signalo perdavimui.

Daugelis žmonių taip supranta stačiakampį laidus. Jie mano, kad antgalis lengvai perduoda arba priima elektromagnetines bangas ir generuoja EMI. Tai tapo viena iš priežasčių, kodėl daugelis žmonių mano, kad stačiakampių laidų negalima nutiesti. Tačiau daugelis faktinių bandymų rezultatų rodo, kad stačiakampiai pėdsakai nesukels akivaizdžių EMI nei tiesios linijos. Galbūt dabartinis prietaiso veikimas ir bandymo lygis riboja testo tikslumą, bet bent jau tai iliustruoja problemą. Stačiakampių laidų spinduliuotė jau mažesnė už paties prietaiso matavimo paklaidą.

Apskritai, stačiakampis maršrutas nėra toks baisus, kaip įsivaizduota. Bent jau žemiau GHz taikomuose įrenginiuose TDR bandymuose beveik neatsispindi jokie efektai, tokie kaip talpa, atspindys, EMI ir kt. Didelės spartos PCB projektavimo inžinieriai vis tiek turėtų sutelkti dėmesį į išdėstymą, galios / žemės dizainą ir laidų dizainą. Per skylutes ir kitus aspektus. Žinoma, nors stačiakampių laidų poveikis nėra labai rimtas, tai nereiškia, kad ateityje visi galėsime naudoti stačiakampius laidus. Dėmesys detalėms yra pagrindinė savybė, kurią turi turėti kiekvienas geras inžinierius. Be to, sparčiai tobulėjant skaitmeninėms grandinėms, PCB Inžinierių apdoroto signalo dažnis ir toliau didės. Didesnių nei 10 GHz radijo dažnių projektavimo srityje šie maži stačiakampiai kampai gali tapti didelės spartos problemų židiniu.

2. Diferencialinis maršrutas

Diferencialinis signalas (DifferentialSignal) vis plačiau naudojamas didelės spartos grandinių projektavimui. Svarbiausias signalas grandinėje dažnai yra suprojektuotas su diferencine struktūra. Kuo jis toks populiarus? Kaip užtikrinti gerą jo našumą kuriant PCB? Su šiais dviem klausimais pereiname prie kitos diskusijos dalies.

Kas yra diferencinis signalas? Žodžiu, varomoji pusė siunčia du vienodus ir atvirkštinius signalus, o priimančioji pusė nustato loginę būseną „0“ arba „1“, lygindama skirtumą tarp dviejų įtampų. Diferencialinius signalus nešanti pėdsakų pora vadinama diferencialiniais pėdsakais.

Palyginti su įprastais vieno galo signalo pėdsakais, diferencialiniai signalai turi akivaizdžiausių pranašumų šiais trimis aspektais:

a. Stiprus atsparumas trukdžiams, nes ryšys tarp dviejų diferencialo pėdsakų yra labai geras. Kai yra triukšmo trukdžių iš išorės, jie beveik tuo pačiu metu yra sujungti su dviem linijomis, o priėmimo galas rūpinasi tik dviejų signalų skirtumu. Todėl išorinis bendrojo režimo triukšmas gali būti visiškai panaikintas. b. Jis gali veiksmingai slopinti EMI. Dėl tos pačios priežasties, dėl priešingo dviejų signalų poliškumo, jų skleidžiami elektromagnetiniai laukai gali vienas kitą panaikinti. Kuo tvirtesnė jungtis, tuo mažiau elektromagnetinės energijos išleidžiama į išorinį pasaulį. c. Laiko padėtis yra tiksli. Kadangi diferencialinio signalo jungiklis yra dviejų signalų sankirtoje, skirtingai nuo įprasto vienpusio signalo, kurio nustatymas priklauso nuo aukštos ir žemos slenkstinės įtampos, jį mažiau veikia procesas ir temperatūra, kuri gali sumažinti laiko klaidą. , Bet taip pat labiau tinka mažos amplitudės signalų grandinėms. Dabartinis populiarus LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling) reiškia šią mažos amplitudės diferencinio signalo technologiją.

PCB inžinieriams didžiausią rūpestį kelia tai, kaip užtikrinti, kad šie diferencialinių laidų pranašumai būtų visiškai išnaudoti realiame laidų jungime. Galbūt visi, kurie turėjo ryšį su „Layout“, supras bendruosius diferencialo laidų reikalavimus, tai yra „vienodo ilgio ir vienodo atstumo“. Vienodo ilgio tikslas yra užtikrinti, kad du diferenciniai signalai visą laiką išlaikytų priešingą poliškumą ir sumažintų bendrojo režimo komponentą; vienodas atstumas iš esmės yra skirtas užtikrinti, kad dviejų skirtumų impedansai būtų nuoseklūs ir sumažintų atspindžius. „Kuo arčiau“ kartais yra vienas iš diferencialinių laidų reikalavimų. Tačiau visos šios taisyklės nėra naudojamos mechaniškai taikyti, ir atrodo, kad daugelis inžinierių vis dar nesupranta didelio greičio diferencialinio signalo perdavimo esmės.

Toliau daugiausia dėmesio skiriama keletui dažniausiai pasitaikančių nesusipratimų, susijusių su PCB diferencialinio signalo projektavimu.

1 nesusipratimas: Manoma, kad diferencialiniam signalui nereikia įžeminimo plokštumos kaip grįžimo kelio arba kad diferencialiniai pėdsakai suteikia vienas kitam grįžimo kelią. Šio nesusipratimo priežastis yra ta, kad juos glumina paviršutiniški reiškiniai, arba didelio greičio signalo perdavimo mechanizmas nėra pakankamai gilus. Iš 1-8-15 paveikslo priėmimo galo struktūros matyti, kad tranzistorių Q3 ir Q4 emiterio srovės yra lygios ir priešingos, o jų srovės žemėje tiksliai anuliuoja viena kitą (I1=0), todėl diferencialo grandinė yra Panašūs atšokimai ir kiti triukšmo signalai, kurie gali būti maitinimo ir įžeminimo plokštumose, yra nejautrūs. Dalinis įžeminimo plokštumos grąžinimo panaikinimas nereiškia, kad diferencialo grandinė nenaudoja atskaitos plokštumos kaip signalo grįžimo kelio. Tiesą sakant, signalo grąžinimo analizėje diferencialo laidų ir įprastų vieno galo laidų mechanizmas yra tas pats, tai yra, aukšto dažnio signalai visada grįžtama išilgai kilpos su mažiausia induktyvumu, didžiausias skirtumas yra tas, kad be jungtis su žeme, diferencialo linija taip pat turi abipusę jungtį. Kuri jungtis stipri, kuri tampa pagrindiniu grįžimo keliu. 1-8-16 pav. yra vienpusių signalų ir diferencialinių signalų geomagnetinio lauko pasiskirstymo schema.

PCB grandinės konstrukcijoje jungtis tarp diferencialo pėdsakų paprastai yra maža, dažnai sudaro tik 10–20% sujungimo laipsnio, o daugiau yra sujungimo su žeme, todėl pagrindinis diferencialo pėdsakų grįžimo kelias vis dar egzistuoja ant žemės. lėktuvas . Kai įžeminimo plokštuma yra nenuosekli, diferencialo pėdsakų jungtis užtikrins pagrindinį grįžimo kelią srityje be atskaitos plokštumos, kaip parodyta 1-8-17 pav. Nors atskaitos plokštumos netolydumo įtaka diferencialiniam pėdsakui nėra tokia rimta kaip įprasto vieno galo pėdsako, tai vis tiek sumažins diferencinio signalo kokybę ir padidins EMI, ko reikėtų kiek įmanoma vengti. . Kai kurie dizaineriai mano, kad atskaitos plokštuma, esanti po diferencialo pėdsaku, gali būti pašalinta, kad būtų slopinami kai kurie bendro režimo signalai diferencialo perdavimo metu. Tačiau teoriškai šis metodas nėra pageidautinas. Kaip valdyti varžą? Nesuteikus įžeminimo varžos kilpos bendrojo režimo signalui, neišvengiamai sukels EMI spinduliuotė. Šis požiūris atneša daugiau žalos nei naudos.

2 nesusipratimas: manoma, kad vienodo atstumo laikymasis yra svarbiau nei linijos ilgio suderinimas. Faktiniame PCB išdėstyme dažnai neįmanoma vienu metu atitikti diferencialinio projektavimo reikalavimų. Dėl kaiščių paskirstymo, perėjimų ir laidų erdvės, linijos ilgio suderinimo tikslas turi būti pasiektas naudojant tinkamą apviją, tačiau rezultatas turi būti toks, kad kai kurios diferencialinės poros sritys negali būti lygiagrečios. Ką turėtume daryti šiuo metu? Kuris pasirinkimas? Prieš darydami išvadas, pažvelkime į šiuos modeliavimo rezultatus.

Iš aukščiau pateiktų modeliavimo rezultatų matyti, kad 1 ir 2 schemos bangos formos beveik sutampa, tai yra, nevienodo atstumo įtaka yra minimali. Palyginimui, linijos ilgio neatitikimo įtaka laikui yra daug didesnė. (3 schema). Remiantis teorine analize, nors dėl nenuoseklaus atstumo pasikeis diferencinė varža, nes pati diferencialinės poros jungtis nėra reikšminga, varžos kitimo diapazonas taip pat yra labai mažas, paprastai 10%, o tai atitinka tik vieną praėjimą. . Skylės sukeltas atspindys neturės didelės įtakos signalo perdavimui. Kai linijos ilgis nesutampa, be laiko poslinkio, į diferencialinį signalą įvedami bendrojo režimo komponentai, o tai sumažina signalo kokybę ir padidina EMI.

Galima sakyti, kad svarbiausia taisyklė projektuojant PCB diferencialinius pėdsakus yra linijos ilgis, o kitos taisyklės gali būti lanksčiai tvarkomos atsižvelgiant į projektavimo reikalavimus ir praktinį pritaikymą.

3 nesusipratimas: pagalvokite, kad diferencialo laidai turi būti labai arti. Diferencialinių pėdsakų išlaikymas yra ne kas kita, kaip sustiprinti jų jungtį, kuri gali ne tik pagerinti atsparumą triukšmui, bet ir visiškai išnaudoti priešingą magnetinio lauko poliškumą, kad būtų kompensuoti elektromagnetiniai trukdžiai išoriniam pasauliui. Nors šis metodas daugeliu atvejų yra labai naudingas, jis nėra absoliutus. Jei galime užtikrinti, kad jie būtų visiškai apsaugoti nuo išorinių trukdžių, mums nereikia naudoti stiprios jungties, kad būtų išvengta trukdžių. Ir EMI slopinimo tikslas. Kaip galime užtikrinti gerą diferencialo pėdsakų izoliaciją ir ekranavimą? Atstumo didinimas su kitais signalo pėdsakais yra vienas iš pagrindinių būdų. Elektromagnetinio lauko energija mažėja didėjant atstumo kvadratui. Paprastai, kai atstumas tarp eilučių viršija 4 kartus linijos plotį, trukdžiai tarp jų yra labai silpni. Galima ignoruoti. Be to, izoliacija pagal įžeminimo plokštumą taip pat gali atlikti gerą ekranavimo vaidmenį. Ši struktūra dažnai naudojama aukšto dažnio (virš 10G) IC paketo PCB projektavimui. Tai vadinama CPW struktūra, kuri gali užtikrinti griežtą diferencinę varžą. Valdiklis (2Z0), kaip parodyta 1-8-19 pav.

Diferencialiniai pėdsakai taip pat gali veikti skirtinguose signalo sluoksniuose, tačiau šis metodas paprastai nerekomenduojamas, nes skirtingų sluoksnių impedansų ir perėjimų skirtumai sunaikins diferencinio režimo perdavimo efektą ir įves bendro režimo triukšmą. Be to, jei gretimi du sluoksniai nėra tvirtai sujungti, tai sumažins diferencialo pėdsakų gebėjimą atsispirti triukšmui, tačiau jei galite išlaikyti tinkamą atstumą nuo aplinkinių pėdsakų, perdavimas nėra problema. Esant bendriesiems dažniams (žemiau GHz), EMI nebus rimta problema. Eksperimentai parodė, kad spinduliuojamos energijos slopinimas 500 mylių atstumu nuo diferencialo pėdsako pasiekė 60 dB 3 metrų atstumu, o to pakanka, kad atitiktų FCC elektromagnetinės spinduliuotės standartą, todėl dizaineriui taip pat nereikia jaudintis. daug apie elektromagnetinį nesuderinamumą, kurį sukelia nepakankamas diferencialinės linijos sujungimas.

3. Serpantino linija

Gyvatės linija yra maršruto parinkimo metodas, dažnai naudojamas makete. Pagrindinis jo tikslas yra sureguliuoti delsą, kad ji atitiktų sistemos laiko projektavimo reikalavimus. Projektuotojas pirmiausia turi suprasti: serpantino linija sugadins signalo kokybę, pakeis perdavimo delsą ir stengsis jo nenaudoti jungiant laidus. Tačiau realiame projekte, norint užtikrinti, kad signalas turėtų pakankamai laiko, arba sumažinti laiko nuokrypį tarp tos pačios signalų grupės, dažnai reikia sąmoningai apvynioti laidą.

Taigi, kokį poveikį serpantino linija turi signalo perdavimui? Į ką turėčiau atkreipti dėmesį jungiant laidus? Du svarbiausi parametrai yra lygiagrečios movos ilgis (Lp) ir sukabinimo atstumas (S), kaip parodyta 1-8-21 pav. Akivaizdu, kad kai signalas perduodamas serpantino pėdsaku, lygiagrečios linijos atkarpos bus sujungtos diferencialiniu režimu. Kuo mažesnis S ir didesnis Lp, tuo didesnis sukabinimo laipsnis. Dėl to gali sumažėti perdavimo delsa, o signalo kokybė labai pablogėja dėl perkalbėjimo. Mechanizmas gali būti susijęs su bendrojo režimo ir diferencinio režimo skersinio pokalbio analize 3 skyriuje.

Toliau pateikiami keli pasiūlymai maketavimo inžinieriams dirbant su serpantino linijomis:

1. Pabandykite padidinti lygiagrečių linijos atkarpų atstumą (S) bent didesnį nei 3H, H reiškia atstumą nuo signalo pėdsako iki atskaitos plokštumos. Žodžiu, tai reiškia apeiti didelį vingį. Kol S yra pakankamai didelis, abipusio sujungimo efekto galima beveik visiškai išvengti. 2. Sumažinkite movos ilgį Lp. Kai dvigubas Lp delsas priartėja prie signalo kilimo laiko arba jį viršija, sugeneruotas skersinis pokalbis pasieks prisotinimą. 3. Signalo perdavimo delsa, kurią sukelia Strip-Line arba Embedded Micro-juostos serpantino linija, yra mažesnė nei mikrojuostos. Teoriškai juostinė linija neturės įtakos perdavimo greičiui dėl diferencinio režimo perjungimo. 4. Didelės spartos signalo linijoms ir toms, kurioms taikomi griežti laiko reikalavimai, stenkitės nenaudoti serpantininių linijų, ypač mažose vietose. 5. Dažnai galite naudoti serpantino pėdsakus bet kokiu kampu, pvz., C struktūrą 1-8-20 pav., kuri gali veiksmingai sumažinti tarpusavio ryšį. 6. Didelės spartos PCB konstrukcijoje serpentino linija neturi vadinamųjų filtravimo ar anti-trukdžių galimybių ir gali tik sumažinti signalo kokybę, todėl ji naudojama tik laiko suderinimui ir neturi jokios kitos paskirties. 7. Kartais galite apsvarstyti galimybę vynioti spiralinį maršrutą. Modeliavimas rodo, kad jo poveikis yra geresnis nei įprastas serpantino maršrutas.