Izkārtojums ir viena no visvienkāršākajām PCB projektēšanas inženieru darba prasmēm. Elektroinstalācijas kvalitāte tieši ietekmēs visas sistēmas veiktspēju. Lielākā daļa ātrgaitas dizaina teoriju beidzot ir jāīsteno un jāpārbauda, ​​izmantojot Layout. Var redzēt, ka elektroinstalācijai ir liela nozīme ātrgaitas PCB dizains. Tālāk tiks analizēta dažu situāciju racionalitāte, kas var rasties faktiskajā elektroinstalācijā, un sniegtas dažas optimizētākas maršrutēšanas stratēģijas.

To galvenokārt izskaidro trīs aspekti: taisnleņķa vadi, diferenciāļa vadi un serpentīna vadi.

1. Taisnleņķa maršrutēšana

Taisnleņķa elektroinstalācija parasti ir situācija, no kuras pēc iespējas vairāk jāizvairās PCB elektroinstalācijā, un tā ir gandrīz kļuvusi par vienu no vadu kvalitātes mērīšanas standartiem. Tātad, cik liela ietekme uz signāla pārraidi būs taisnleņķa vadiem? Principā taisnleņķa maršrutēšana mainīs pārvades līnijas līnijas platumu, izraisot pretestības pārtraukumu. Faktiski ne tikai taisnleņķa maršrutēšana, bet arī stūri un akūtā leņķa maršrutēšana var izraisīt pretestības izmaiņas.

Taisnleņķa maršrutēšanas ietekme uz signālu galvenokārt izpaužas trīs aspektos:

Viens no tiem ir tāds, ka stūris var būt līdzvērtīgs pārvades līnijas kapacitatīvajai slodzei, kas palēnina pieauguma laiku; otrs ir tāds, ka pretestības pārtraukums izraisīs signāla atstarošanu; trešais ir EMI, ko rada taisnleņķa gals.

Parazītisko kapacitāti, ko izraisa pārvades līnijas taisnais leņķis, var aprēķināt pēc šādas empīriskās formulas:

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

Iepriekš minētajā formulā C attiecas uz stūra ekvivalento kapacitāti (vienība: pF), W attiecas uz trases platumu (vienība: collas), εr attiecas uz vides dielektrisko konstanti, un Z0 ir raksturīgā pretestība. no pārvades līnijas. Piemēram, 4Mils 50 omu pārvades līnijai (εr ir 4.3) taisnā leņķa radītā kapacitāte ir aptuveni 0.0101 pF, un tad var aprēķināt tā izraisītās pieauguma laika izmaiņas:

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

Izmantojot aprēķinus, var redzēt, ka kapacitātes efekts, ko rada taisnleņķa trase, ir ārkārtīgi mazs.

Palielinoties taisnleņķa trases līnijas platumam, pretestība tur samazināsies, tāpēc radīsies noteikta signāla atstarošanas parādība. Mēs varam aprēķināt ekvivalento pretestību pēc līnijas platuma pieauguma saskaņā ar elektropārvades līniju nodaļā minēto pretestības aprēķina formulu un pēc tam aprēķināt atstarošanas koeficientu pēc empīriskās formulas:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Parasti taisnleņķa vadu izraisītās pretestības izmaiņas ir no 7% līdz 20%, tāpēc maksimālais atstarošanas koeficients ir aptuveni 0.1. Turklāt, kā redzams zemāk esošajā attēlā, pārvades līnijas pretestība W/2 līnijas garumā mainās līdz minimumam un pēc W/2 laika atgriežas normālā pretestībā. Viss pretestības maiņas laiks ir ārkārtīgi īss, bieži vien 10 ps robežās. Iekšpusē šādas ātras un nelielas izmaiņas ir gandrīz niecīgas vispārējai signāla pārraidei.

Daudziem cilvēkiem ir šāda izpratne par taisnleņķa elektroinstalāciju. Viņi domā, ka uzgalis ir viegli pārraidīt vai uztvert elektromagnētiskos viļņus un radīt EMI. Tas ir kļuvis par vienu no iemesliem, kāpēc daudzi cilvēki domā, ka taisnleņķa vadus nevar izvilkt. Tomēr daudzi faktiskie testa rezultāti liecina, ka taisnleņķa pēdas neradīs acīmredzamas EMI kā taisnas līnijas. Iespējams, pašreizējā instrumenta veiktspēja un testa līmenis ierobežo testa precizitāti, taču tas vismaz ilustrē problēmu. Taisnleņķa vadu starojums jau ir mazāks par paša instrumenta mērījumu kļūdu.

Kopumā taisnleņķa maršrutēšana nav tik briesmīga, kā iedomāties. Vismaz lietojumprogrammās, kas ir zemākas par GHz, jebkādi efekti, piemēram, kapacitāte, atstarošana, EMI utt., TDR testēšanā gandrīz netiek atspoguļoti. Ātrgaitas PCB projektēšanas inženieriem joprojām jākoncentrējas uz izkārtojumu, strāvas/zemes dizainu un vadu dizainu. Caur caurumiem un citiem aspektiem. Protams, lai gan taisnleņķa vadu ietekme nav īpaši nopietna, tas nenozīmē, ka mēs visi nākotnē varēsim izmantot taisnleņķa vadu. Uzmanība pret detaļām ir katra laba inženiera pamatīpašība. Turklāt, strauji attīstoties digitālajām shēmām, PCB Inženieru apstrādātā signāla frekvence turpinās palielināties. RF projektēšanas jomā virs 10 GHz šie mazie taisnie leņķi var kļūt par ātrgaitas problēmu fokusu.

2. Diferenciālā maršrutēšana

Diferenciālais signāls (DifferentialSignal) tiek arvien plašāk izmantots ātrgaitas ķēžu projektēšanā. Viskritiskākais signāls ķēdē bieži tiek veidots ar diferenciālo struktūru. Kas padara to tik populāru? Kā nodrošināt tā labu veiktspēju PCB dizainā? Ar šiem diviem jautājumiem mēs pārejam pie nākamās diskusijas daļas.

Kas ir diferenciālais signāls? Nespeciālista izteiksmē piedziņas gals sūta divus vienādus un apgrieztus signālus, un uztverošais gals nosaka loģisko stāvokli “0” vai “1”, salīdzinot atšķirību starp diviem spriegumiem. Pēdu pāri, kas nes diferenciālos signālus, sauc par diferenciālzīmēm.

Salīdzinot ar parastajiem viena gala signāla trasēm, diferenciālajiem signāliem ir visredzamākās priekšrocības šādos trīs aspektos:

a. Spēcīga prettraucējumu spēja, jo savienojums starp diviem diferenciāliem ir ļoti labs. Ja ir trokšņa traucējumi no ārpuses, tie ir gandrīz vienlaikus savienoti ar abām līnijām, un uztveršanas galam rūp tikai atšķirība starp diviem signāliem. Tāpēc ārējā kopējā režīma troksni var pilnībā atcelt. b. Tas var efektīvi nomākt EMI. Tā paša iemesla dēļ abu signālu pretējās polaritātes dēļ to izstarotie elektromagnētiskie lauki var viens otru izslēgt. Jo ciešāks savienojums, jo mazāk elektromagnētiskās enerģijas tiek izvadītas uz ārpasauli. c. Laika pozicionēšana ir precīza. Tā kā diferenciālā signāla slēdža maiņa atrodas abu signālu krustpunktā, atšķirībā no parastā viena gala signāla, kura noteikšana ir atkarīga no augstā un zemā sliekšņa sprieguma, to mazāk ietekmē process un temperatūra, kas var samaziniet laika kļūdu. , Bet arī vairāk piemērots zemas amplitūdas signālu ķēdēm. Pašreizējā populārā LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling) attiecas uz šo mazās amplitūdas diferenciālo signālu tehnoloģiju.

PCB inženieriem vislielākās bažas rada tas, kā nodrošināt, lai šīs diferenciālo vadu priekšrocības varētu pilnībā izmantot faktiskajā elektroinstalācijā. Varbūt ikviens, kurš ir sazinājies ar Layout, sapratīs vispārējās prasības attiecībā uz diferenciālo vadu, tas ir, “vienāds garums un vienāds attālums”. Vienāds garums ir paredzēts, lai nodrošinātu, ka divi diferenciālie signāli vienmēr saglabā pretēju polaritāti un samazina kopējā režīma komponentu; vienāds attālums galvenokārt ir paredzēts, lai nodrošinātu, ka abu diferenciālās pretestības ir konsekventas un samazina atstarojumu. “Pēc iespējas tuvāk” dažreiz ir viena no diferenciālo vadu prasībām. Taču visi šie noteikumi netiek izmantoti mehāniskai piemērošanai, un šķiet, ka daudzi inženieri joprojām nesaprot ātrgaitas diferenciālā signāla pārraides būtību.

Tālāk ir pievērsta uzmanība vairākiem bieži sastopamiem pārpratumiem PCB diferenciālā signāla projektēšanā.

1. pārpratums: tiek uzskatīts, ka diferenciālajam signālam nav vajadzīga iezemētā plakne kā atgriešanās ceļš, vai arī diferenciālās trases nodrošina viena otrai atgriešanās ceļu. Šī pārpratuma iemesls ir tas, ka viņus mulsina virspusējas parādības, vai arī ātrgaitas signāla pārraides mehānisms nav pietiekami dziļš. No 1-8-15 attēla uztverošā gala struktūras ir redzams, ka tranzistoru Q3 un Q4 emitētāja strāvas ir vienādas un pretējas, un to strāvas zemē precīzi atceļ viena otru (I1=0), tāpēc diferenciālā ķēde ir Līdzīgi atsitieni un citi trokšņu signāli, kas var pastāvēt strāvas un zemes plaknēs, ir nejutīgi. Iezemētās plaknes daļēja atgriešanās atcelšana nenozīmē, ka diferenciālā ķēde neizmanto atskaites plakni kā signāla atgriešanās ceļu. Faktiski signāla atgriešanas analīzē diferenciālo vadu un parasto viena gala vadu mehānisms ir vienāds, tas ir, augstfrekvences signāli vienmēr tiek pārpludināti pa cilpu ar mazāko induktivitāti, lielākā atšķirība ir tā, ka papildus savienojums ar zemi, diferenciāļa līnijai ir arī savstarpēja sakabe. Kura veida sakabe ir spēcīga, kura kļūst par galveno atgriešanās ceļu. Attēlā 1-8-16 ir shematiska diagramma, kurā attēlots viena gala signālu un diferenciālo signālu ģeomagnētiskā lauka sadalījums.

PCB shēmas projektēšanā savienojums starp diferenciālceļiem parasti ir mazs, bieži vien tas veido tikai 10 līdz 20% no savienojuma pakāpes, un vairāk ir savienojums ar zemi, tāpēc diferenciāļa trases galvenais atgriešanās ceļš joprojām pastāv uz zemes. lidmašīna . Ja iezemētā plakne ir pārtraukta, savienojums starp diferenciālām trasēm nodrošinās galveno atgriešanās ceļu apgabalā bez atskaites plaknes, kā parādīts 1-8-17 attēlā. Lai gan atskaites plaknes pārtraukuma ietekme uz diferenciālo trajektoriju nav tik nopietna kā parastai viengala trasei, tā tomēr samazinās diferenciālā signāla kvalitāti un palielinās EMI, no kā vajadzētu pēc iespējas izvairīties. . Daži dizaineri uzskata, ka atskaites plakni zem diferenciālās trases var noņemt, lai diferenciālajā pārraidē nomāktu dažus parastā režīma signālus. Tomēr teorētiski šī pieeja nav vēlama. Kā kontrolēt pretestību? Ja kopējā režīma signālam netiek nodrošināta zemējuma pretestības cilpa, tas neizbēgami izraisīs EMI starojumu. Šī pieeja nodara vairāk ļauna nekā laba.

2. pārpratums: tiek uzskatīts, ka vienādu atstarpju saglabāšana ir svarīgāka par līnijas garuma saskaņošanu. Faktiskā PCB izkārtojumā bieži vien nav iespējams vienlaikus izpildīt diferenciālā dizaina prasības. Tā kā pastāv kontaktu sadalījums, caurumi un elektroinstalācijas vieta, līnijas garuma saskaņošanas mērķis ir jāsasniedz, izmantojot pareizu tinumu, taču rezultātam ir jābūt tādam, ka daži diferenciālā pāra apgabali nevar būt paralēli. Kas mums būtu jādara šajā laikā? Kura izvēle? Pirms secinājumu izdarīšanas apskatīsim šādus simulācijas rezultātus.

No iepriekšminētajiem simulācijas rezultātiem var redzēt, ka shēmas 1 un shēmas 2 viļņu formas gandrīz sakrīt, tas ir, nevienlīdzīgā atstatuma radītā ietekme ir minimāla. Salīdzinājumam, līnijas garuma neatbilstības ietekme uz laiku ir daudz lielāka. (3. shēma). No teorētiskās analīzes, lai gan nekonsekventais atstatums izraisīs diferenciālās pretestības izmaiņas, jo savienojums starp diferenciālo pāri pats par sevi nav nozīmīgs, arī pretestības izmaiņu diapazons ir ļoti mazs, parasti 10% robežās, kas ir līdzvērtīgs tikai vienai caurlaidei. . Atstarojums, ko rada caurums, būtiski neietekmēs signāla pārraidi. Kad līnijas garums nesakrīt, papildus laika nobīdei diferenciālajā signālā tiek ievadīti kopējā režīma komponenti, kas samazina signāla kvalitāti un palielina EMI.

Var teikt, ka vissvarīgākais noteikums PCB diferenciālo trašu projektēšanā ir atbilstības līnijas garums, un citus noteikumus var elastīgi apstrādāt atbilstoši dizaina prasībām un praktiskiem pielietojumiem.

3. pārpratums: padomājiet, ka diferenciāļa vadiem jābūt ļoti tuvu. Diferenciālceļu tuvināšana ir nekas cits kā to savienojuma uzlabošana, kas var ne tikai uzlabot noturību pret troksni, bet arī pilnībā izmantot pretējo magnētiskā lauka polaritāti, lai kompensētu elektromagnētiskos traucējumus ārpasaulei. Lai gan šī pieeja vairumā gadījumu ir ļoti izdevīga, tā nav absolūta. Ja mēs varam nodrošināt, ka tie ir pilnībā aizsargāti pret ārējiem traucējumiem, mums nav jāizmanto spēcīga sakabe, lai panāktu prettraucējumus. Un EMI nomākšanas mērķis. Kā mēs varam nodrošināt labu diferenciālo pēdu izolāciju un ekranēšanu? Viens no visvienkāršākajiem veidiem ir palielināt atstarpi ar citiem signāla pēdām. Elektromagnētiskā lauka enerģija samazinās līdz ar attāluma kvadrātu. Parasti, ja rindu atstatums pārsniedz līnijas platumu 4 reizes, traucējumi starp tiem ir ārkārtīgi vāji. Var ignorēt. Turklāt izolācijai ar zemes plakni var būt arī laba ekranēšanas loma. Šo struktūru bieži izmanto augstfrekvences (virs 10G) IC pakotnes PCB dizainā. To sauc par CPW struktūru, kas var nodrošināt stingru diferenciālo pretestību. Vadība (2Z0), kā parādīts 1-8-19 attēlā.

Diferenciālās trases var darboties arī dažādos signāla slāņos, taču šī metode parasti nav ieteicama, jo dažādu slāņu radītās pretestības un caurumu atšķirības iznīcinās diferenciālā režīma pārraides efektu un ieviesīs kopēja režīma troksni. Turklāt, ja abi blakus esošie slāņi nav cieši savienoti, tas samazinās diferenciāļa trases spēju pretoties troksnim, bet, ja jūs varat uzturēt atbilstošu attālumu no apkārtējām pēdām, šķērsruna nav problēma. Vispārējās frekvencēs (zem GHz) EMI nebūs nopietna problēma. Eksperimenti ir parādījuši, ka izstarotās enerģijas vājināšanās 500 jūdžu attālumā no diferenciāļa trases ir sasniegusi 60 dB 3 metru attālumā, kas ir pietiekami, lai atbilstu FCC elektromagnētiskā starojuma standartam, tāpēc dizainerim arī nav jāuztraucas. daudz par elektromagnētisko nesaderību, ko izraisa nepietiekama diferenciālās līnijas savienošana.

3. Serpentīna līnija

Čūskas līnija ir maršrutēšanas metodes veids, ko bieži izmanto izkārtojumā. Tās galvenais mērķis ir pielāgot aizkavi, lai tā atbilstu sistēmas laika projektēšanas prasībām. Projektētājam vispirms ir jābūt šādai izpratnei: serpentīna līnija iznīcinās signāla kvalitāti, mainīs pārraides aizkavi un mēģinās izvairīties no tā izmantošanas, veicot vadu. Tomēr faktiskajā projektēšanā, lai nodrošinātu, ka signālam ir pietiekams aizturēšanas laiks, vai lai samazinātu laika nobīdi starp vienu un to pašu signālu grupu, bieži vien ir nepieciešams apzināti uztīt vadu.

Tātad, kāda ir serpentīna līnijas ietekme uz signāla pārraidi? Kam jāpievērš uzmanība, veicot elektroinstalāciju? Divi vissvarīgākie parametri ir paralēlās sakabes garums (Lp) un savienojuma attālums (S), kā parādīts 1-8-21 attēlā. Acīmredzot, kad signāls tiek pārraidīts uz serpentīna trases, paralēlās līnijas segmenti tiks savienoti diferenciālā režīmā. Jo mazāks S un lielāks Lp, jo lielāka ir savienojuma pakāpe. Tas var izraisīt pārraides aizkaves samazināšanos, un signāla kvalitāte ir ievērojami samazināta šķērsruna dēļ. Mehānisms var attiekties uz kopējā režīma un diferenciālā režīma šķērsrunas analīzi 3. nodaļā.

Tālāk ir sniegti daži ieteikumi izkārtojuma inženieriem, strādājot ar serpentīna līnijām.

1. Mēģiniet palielināt paralēlo līniju segmentu attālumu (S) vismaz par 3H, H attiecas uz attālumu no signāla trases līdz atskaites plaknei. Nespeciālisti izsakoties, tas ir apbraukt lielu līkumu. Kamēr S ir pietiekami liels, var gandrīz pilnībā izvairīties no savstarpējās savienošanas efekta. 2. Samaziniet savienojuma garumu Lp. Kad dubultā Lp aizkave tuvojas vai pārsniedz signāla pieauguma laiku, ģenerētais šķērsruna sasniegs piesātinājumu. 3. Signāla pārraides aizkave, ko izraisa Strip-Line vai Embedded Micro-sloksnes serpentīna līnija, ir mazāka nekā mikrosloksnei. Teorētiski stripline neietekmēs pārraides ātrumu diferenciālā režīma šķērsruna dēļ. 4. Ātrgaitas signālu līnijām un tām, kurām ir stingras laika noteikšanas prasības, mēģiniet neizmantot serpentīna līnijas, īpaši mazās vietās. 5. Jūs bieži varat izmantot serpentīna pēdas jebkurā leņķī, piemēram, C struktūru attēlā 1-8-20, kas var efektīvi samazināt savstarpējo savienojumu. 6. Ātrgaitas PCB dizainā serpentīna līnijai nav tā sauktās filtrēšanas vai prettraucējumu spējas, un tā var tikai samazināt signāla kvalitāti, tāpēc to izmanto tikai laika saskaņošanai, un tai nav cita mērķa. 7. Dažreiz jūs varat apsvērt spirālveida maršrutēšanu tinumam. Simulācija rāda, ka tā iedarbība ir labāka nekā parastā serpentīna maršrutēšana.