Распоредот е една од најосновните работни вештини за инженерите за дизајн на ПХБ. Квалитетот на жици директно ќе влијае на перформансите на целиот систем. Повеќето теории за дизајн со голема брзина мора конечно да бидат имплементирани и потврдени преку Layout. Може да се види дека жиците се многу важни во PCB со голема брзина дизајн. Следното ќе ја анализира рационалноста на некои ситуации што може да се сретнат во вистинското ожичување и ќе даде некои пооптимизирани стратегии за рутирање.

Тоа главно се објаснува од три аспекти: жици со прав агол, диференцијални жици и жици со серпентина.

1. Рутирање под прав агол

Инсталирањето со прав агол е генерално ситуација што треба да се избегнува колку што е можно во жици со ПХБ и речиси стана еден од стандардите за мерење на квалитетот на жици. Значи, колкаво влијание ќе има жиците под прав агол врз преносот на сигналот? Во принцип, насочувањето под прав агол ќе ја промени ширината на линијата на далноводот, предизвикувајќи дисконтинуитет во импедансата. Всушност, не само насочувањето со прав агол, туку и аглите и насочувањето со остар агол може да предизвикаат промени на импедансата.

Влијанието на насочувањето под прав агол на сигналот главно се рефлектира во три аспекти:

Една од нив е дека аголот може да биде еквивалентен на капацитивното оптоварување на далноводот, што го забавува времето на кревање; втората е дека дисконтинуитетот на импедансата ќе предизвика рефлексија на сигналот; третиот е EMI ​​генериран од врвот под прав агол.

Паразитската капацитивност предизвикана од правиот агол на далноводот може да се пресмета со следнава емпириска формула:

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

Во горната формула, C се однесува на еквивалентниот капацитет на аголот (единица: pF), W се однесува на ширината на трагата (единица: инч), εr се однесува на диелектричната константа на медиумот, а Z0 е карактеристичната импеданса на далноводот. На пример, за далновод од 4 Mils 50 оми (εr е 4.3), капацитетот донесен од прав агол е околу 0.0101 pF, а потоа може да се процени промената на времето на пораст предизвикана од ова:

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

Преку пресметката може да се види дека ефектот на капацитивност што го носи трагата од прав агол е исклучително мал.

Како што се зголемува ширината на линијата на трагата од прав агол, импедансата таму ќе се намалува, па ќе се појави одреден феномен на рефлексија на сигналот. Можеме да ја пресметаме еквивалентната импеданса откако ќе се зголеми ширината на линијата според формулата за пресметување на импедансата спомената во поглавјето на далноводот, а потоа да го пресметаме коефициентот на рефлексија според емпириската формула:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Општо земено, промената на импедансата предизвикана од жици под прав агол е помеѓу 7%-20%, така што максималниот коефициент на рефлексија е околу 0.1. Покрај тоа, како што може да се види од сликата подолу, импедансата на далноводот се менува на минимум во должината на линијата W/2, а потоа се враќа на нормалната импеданса по времето на W/2. Целото време на промена на импедансата е исклучително кратко, често во рок од 10 секунди. Внатре, таквите брзи и мали промени се речиси занемарливи за општ пренос на сигнал.

Многу луѓе го имаат ова разбирање за жици со прав агол. Тие мислат дека врвот лесно се пренесува или прима електромагнетни бранови и генерира ЕМИ. Ова стана една од причините зошто многу луѓе мислат дека жиците со прав агол не можат да се насочат. Сепак, многу реални резултати од тестот покажуваат дека правоаголните траги нема да произведат очигледна EMI отколку прави линии. Можеби сегашната изведба на инструментот и нивото на тест ја ограничуваат точноста на тестот, но барем тоа илустрира проблем. Зрачењето на правоаголните жици е веќе помало од мерната грешка на самиот инструмент.

Во принцип, насочувањето под прав агол не е толку страшно како што се замислува. Барем во апликации под GHz, какви било ефекти како што се капацитивност, рефлексија, EMI, итн., тешко се рефлектираат во TDR тестирањето. Инженерите за дизајн на ПХБ со голема брзина сепак треба да се фокусираат на распоредот, дизајнот на моќност/земјување и дизајнот на жици. Преку дупки и други аспекти. Се разбира, иако влијанието на жици со прав агол не е многу сериозно, тоа не значи дека сите ние можеме да користиме жици со прав агол во иднина. Вниманието на деталите е основниот квалитет што мора да го има секој добар инженер. Покрај тоа, со брзиот развој на дигиталните кола, ПХБ Фреквенцијата на сигналот обработен од инженерите ќе продолжи да се зголемува. На полето на RF дизајн над 10 GHz, овие мали прави агли може да станат фокус на проблеми со голема брзина.

2. Диференцијално рутирање

Диференцијален сигнал (DifferentialSignal) се повеќе и повеќе се користи во дизајнот на колото со голема брзина. Најкритичниот сигнал во колото често е дизајниран со диференцијална структура. Што го прави толку популарен? Како да се обезбедат добри перформанси во дизајнот на ПХБ? Со овие две прашања продолжуваме кон следниот дел од дискусијата.

Што е диференцијален сигнал? Лаички кажано, погонскиот крај испраќа два еднакви и превртени сигнали, а крајниот крај ја оценува логичката состојба „0“ или „1“ со споредување на разликата помеѓу двата напони. Парот на траги кои носат диференцијални сигнали се нарекуваат диференцијални траги.

Во споредба со обичните траги на сигнал со еден крај, диференцијалните сигнали ги имаат најочигледните предности во следните три аспекти:

а. Силна способност против пречки, бидејќи спојувањето помеѓу двете диференцијални траги е многу добро. Кога има пречки од бучава однадвор, тие се речиси споени со двете линии во исто време, а приемниот крај се грижи само за разликата помеѓу двата сигнали. Затоа, надворешниот шум на заеднички режим може целосно да се откаже. б. Може ефикасно да го потисне ЕМИ. Од истата причина, поради спротивниот поларитет на двата сигнали, електромагнетните полиња зрачени од нив можат да се поништат меѓусебно. Колку е поцврста спојката, толку помалку електромагнетна енергија се испушта кон надворешниот свет. в. Позиционирањето на времето е точно. Бидејќи промената на прекинувачот на диференцијалниот сигнал се наоѓа на пресекот на двата сигнала, за разлика од обичниот сигнал со еден крај, кој зависи од високиот и нискиот праг напони за одредување, тоа е помалку под влијание на процесот и температурата, што може да намалете ја грешката во тајмингот. , Но, исто така, посоодветен за сигнални кола со ниска амплитуда. Сегашната популарна LVDS (нисконапонска диференцијална сигнализација) се однесува на оваа технологија на диференцијален сигнал со мала амплитуда.

За инженерите на ПХБ, најголема грижа е како да се осигураат дека овие предности на диференцијалните жици можат целосно да се искористат во вистинското ожичување. Можеби секој кој бил во контакт со Layout ќе ги разбере општите барања за диференцијални жици, односно „еднаква должина и еднаква оддалеченост“. Еднаквата должина е да се осигура дека двата диференцијални сигнали одржуваат спротивни поларитети во секое време и ја намалуваат компонентата на заедничкиот режим; еднаквото растојание е главно за да се осигура дека диференцијалните импеданси на двете се конзистентни и ги намалуваат рефлексиите. „Што е можно поблиску“ понекогаш е едно од барањата на диференцијалните жици. Но, сите овие правила не се користат за механичка примена, а многу инженери се чини дека сè уште не ја разбираат суштината на преносот на диференцијален сигнал со голема брзина.

Следното се фокусира на неколку вообичаени недоразбирања во дизајнот на диференцијалниот сигнал на ПХБ.

Недоразбирање 1: Се верува дека на диференцијалниот сигнал не му е потребна рамнина за заземјување како повратен пат, или дека диференцијалните траги обезбедуваат повратен пат еден за друг. Причината за ова недоразбирање е тоа што тие се збунети од површни појави или механизмот на пренос на сигнал со голема брзина не е доволно длабок. Од структурата на приемниот крај на Слика 1-8-15 може да се види дека емитерските струи на транзисторите Q3 и Q4 се еднакви и спротивни, а нивните струи на земјата точно се поништуваат (I1=0), така што диференцијалното коло е Слични отскокнувања и други сигнали за бучава што може да постојат на рамнините на моќноста и земјата се нечувствителни. Делумното повлекување на враќањето на рамнината на заземјувањето не значи дека диференцијалното коло не ја користи референтната рамнина како патека за враќање на сигналот. Всушност, во анализата за враќање на сигналот, механизмот на диференцијално ожичување и обичните еднокрајни жици е ист, односно високофреквентните сигнали се секогаш Reflow по јамката со најмала индуктивност, најголемата разлика е во тоа што покрај спојката со земја, диференцијалната линија има и меѓусебна спојка. Која спојка е силна, која станува главна повратна патека. Слика 1-8-16 е шематски дијаграм на распределбата на геомагнетното поле на сигналите со еден крај и диференцијалните сигнали.

Во дизајнот на колото на ПХБ, спојката помеѓу диференцијалните траги е генерално мала, честопати претставува само 10 до 20% од степенот на спојување, а повеќе е спојувањето со земјата, така што главната повратна патека на диференцијалната трага сè уште постои на земјата. рамнина . Кога рамнината на заземјувањето е дисконтинуирана, спојувањето помеѓу диференцијалните траги ќе ја обезбеди главната патека за враќање во областа без референтна рамнина, како што е прикажано на Слика 1-8-17. Иако влијанието на дисконтинуитетот на референтната рамнина врз диференцијалната трага не е толку сериозно како она на обичната трага со еден крај, сепак ќе го намали квалитетот на диференцијалниот сигнал и ќе го зголеми EMI, што треба да се избегнува колку што е можно повеќе. . Некои дизајнери веруваат дека референтната рамнина под диференцијалната трага може да се отстрани за да се потиснат некои сигнали од заеднички режим во диференцијалниот пренос. Сепак, овој пристап не е пожелен теоретски. Како да се контролира импедансата? Необезбедувањето на јамка за импеданса на заземјувањето за сигналот за заеднички режим неизбежно ќе предизвика зрачење EMI. Овој пристап прави повеќе штета отколку корист.

Недоразбирање 2: Се верува дека одржувањето на еднакво растојание е поважно од усогласувањето на должината на линијата. Во вистинскиот распоред на ПХБ, честопати не е можно истовремено да се исполнат барањата за диференцијален дизајн. Поради постоењето на дистрибуција на иглички, виси и простор за ожичување, целта на усогласувањето на должината на линијата мора да се постигне преку правилно намотување, но резултатот мора да биде дека некои области од диференцијалниот пар не можат да бидат паралелни. Што треба да правиме во овој момент? Кој избор? Пред да донесеме заклучоци, да ги погледнеме следните резултати од симулацијата.

Од горенаведените резултати од симулацијата, може да се види дека брановите форми на Шемата 1 и Шемата 2 се речиси совпаѓаат, односно влијанието предизвикано од нееднаквото растојание е минимално. За споредба, влијанието на неусогласеноста на должината на линијата врз тајмингот е многу поголемо. (Шема 3). Од теоретската анализа, иако неконзистентното растојание ќе предизвика промена на диференцијалната импеданса, бидејќи спојувањето помеѓу самиот диференцијален пар не е значајно, опсегот на промена на импедансата е исто така многу мал, обично во рамките на 10%, што е само еднакво на едно поминување . Одразот предизвикан од дупката нема да има значително влијание врз преносот на сигналот. Откако должината на линијата не се совпаѓа, покрај поместувањето на времето, во диференцијалниот сигнал се воведуваат компоненти на заеднички режим, што го намалува квалитетот на сигналот и го зголемува EMI.

Може да се каже дека најважното правило во дизајнот на диференцијалните траги на ПХБ е усогласената должина на линијата, а со другите правила може флексибилно да се постапува според барањата за дизајн и практичните апликации.

Недоразбирање 3: Мислам дека диференцијалното жици мора да биде многу блиску. Одржувањето на диференцијалните траги блиску не е ништо повеќе од подобрување на нивната спојка, што не само што може да го подобри имунитетот на бучава, туку и целосно да го искористи спротивниот поларитет на магнетното поле за да ги надомести електромагнетните пречки во надворешниот свет. Иако овој пристап е многу корисен во повеќето случаи, тој не е апсолутен. Ако можеме да се осигураме дека тие се целосно заштитени од надворешни пречки, тогаш не треба да користиме силна спојка за да постигнеме анти-пречки. И целта на сузбивање на ЕМИ. Како можеме да обезбедиме добра изолација и заштита на диференцијалните траги? Зголемувањето на растојанието со други сигнални траги е еден од најосновните начини. Енергијата на електромагнетното поле се намалува со квадратот на растојанието. Општо земено, кога растојанието помеѓу линиите надминува 4 пати од ширината на линијата, мешањето меѓу нив е исклучително слабо. Може да се игнорира. Покрај тоа, изолацијата со рамнината на земјата, исто така, може да игра добра заштитна улога. Оваа структура често се користи во дизајнот на PCB со високофреквентни (над 10G) IC пакети. Се нарекува CPW структура, која може да обезбеди строга диференцијална импеданса. Контрола (2Z0), како што е прикажано на Слика 1-8-19.

Диференцијалните траги може да се движат и во различни слоеви на сигнали, но овој метод генерално не се препорачува, бидејќи разликите во импедансата и висите произведени од различни слоеви ќе го уништат ефектот на пренос на диференцијален режим и ќе воведат шум на заеднички режим. Дополнително, ако соседните два слоја не се цврсто споени, тоа ќе ја намали способноста на диференцијалната трага да се спротивстави на бучавата, но ако можете да одржувате соодветно растојание од околните траги, презборувањето не е проблем. На општите фреквенции (под GHz), EMI нема да биде сериозен проблем. Експериментите покажаа дека слабеењето на зрачената енергија на растојание од 500 милји од диференцијална трага достигна 60 dB на растојание од 3 метри, што е доволно за исполнување на стандардот за електромагнетно зрачење на FCC, така што дизајнерот не мора да се грижи. многу за електромагнетната некомпатибилност предизвикана од недоволното спојување на диференцијалната линија.

3. Серпентини линија

Snake line е тип на метод на рутирање кој често се користи во Layout. Неговата главна цел е да го прилагоди доцнењето за да ги исполни барањата за дизајнирање на времето на системот. Дизајнерот мора прво да го има ова разбирање: серпентинската линија ќе го уништи квалитетот на сигналот, ќе го промени доцнењето на преносот и ќе се обиде да избегне да го користи при поврзување со жици. Меѓутоа, во вистинскиот дизајн, со цел да се осигура дека сигналот има доволно време на задржување или да се намали времето за поместување помеѓу истата група сигнали, често е потребно намерно да се намотува жицата.

Значи, каков ефект има серпентинската линија врз преносот на сигналот? На што треба да обрнам внимание при жици? Двата најкритични параметри се должината на паралелната спојка (Lp) и растојанието за спојување (S), како што е прикажано на Слика 1-8-21. Очигледно, кога сигналот се пренесува на серпентинската трага, паралелните линиски сегменти ќе се спојат во диференцијален режим. Колку е помал S и колку е поголем Lp, толку е поголем степенот на спојување. Тоа може да предизвика намалување на доцнењето на преносот, а квалитетот на сигналот е значително намален поради препреки. Механизмот може да се однесува на анализата на заеднички режим и диференцијален режим на разговор во Поглавје 3.

Следниве се неколку предлози за инженерите за распоред кога се занимаваат со серпентина линии:

1. Обидете се да го зголемите растојанието (S) на паралелните отсечки на линии, барем поголемо од 3H, H се однесува на растојанието од трагата на сигналот до референтната рамнина. Лаички кажано, тоа е да се заобиколи голема кривина. Сè додека S е доволно голем, ефектот на взаемна спојка може речиси целосно да се избегне. 2. Намалете ја должината на спојката Lp. Кога двојното доцнење на Lp ќе се приближи или ќе го надмине времето на зголемување на сигналот, генерираниот преслушување ќе достигне заситеност. 3. Доцнењето на преносот на сигналот предизвикано од серпентинската линија на Strip-Line или Embedded Micro-strip е помало од она на Micro-лентата. Теоретски, стриплинот нема да влијае на брзината на пренос поради прекршување на диференцијалниот режим. 4. За брзите сигнални линии и оние со строги барања за тајминг, обидете се да не користите серпентина линии, особено во мали области. 5. Често можете да користите серпентина траги под кој било агол, како што е структурата C на Слика 1-8-20, што може ефективно да го намали меѓусебното спојување. 6. Во дизајнот на ПХБ со голема брзина, серпентинската линија ја нема таканаречената способност за филтрирање или анти-пречки и може само да го намали квалитетот на сигналот, па затоа се користи само за совпаѓање на времето и нема друга намена. 7. Понекогаш можете да размислите за спирално рутирање за намотување. Симулацијата покажува дека нејзиниот ефект е подобар од вообичаеното серпентинско рутирање.