Susun atur adalah salah satu kemahiran kerja paling asas untuk jurutera reka bentuk PCB. Kualiti pendawaian secara langsung akan mempengaruhi prestasi keseluruhan sistem. Kebanyakan teori reka bentuk berkelajuan tinggi mesti akhirnya dilaksanakan dan disahkan melalui Layout. Dapat dilihat bahawa pendawaian adalah sangat penting dalam PCB berkelajuan tinggi reka bentuk. Berikut akan menganalisis rasional beberapa situasi yang mungkin dihadapi dalam pendawaian sebenar, dan memberikan beberapa strategi penghalaan yang lebih optimum.

Ia dijelaskan terutamanya dari tiga aspek: pendawaian sudut kanan, pendawaian pembezaan, dan pendawaian serpentin.

1. Penghalaan sudut kanan

Pendawaian sudut kanan secara amnya adalah situasi yang perlu dielakkan sebanyak mungkin dalam pendawaian PCB, dan ia hampir menjadi salah satu piawaian untuk mengukur kualiti pendawaian. Jadi berapa banyak pengaruh pendawaian sudut kanan pada penghantaran isyarat? Pada dasarnya, penghalaan sudut kanan akan mengubah lebar talian talian penghantaran, menyebabkan ketakselanjaran dalam impedans. Sebenarnya, bukan sahaja penghalaan sudut kanan, tetapi juga penghalaan sudut dan sudut akut boleh menyebabkan perubahan impedans.

Pengaruh penghalaan sudut kanan pada isyarat terutamanya ditunjukkan dalam tiga aspek:

Satu ialah sudut boleh bersamaan dengan beban kapasitif pada talian penghantaran, yang memperlahankan masa kenaikan; yang kedua ialah ketakselanjaran impedans akan menyebabkan pantulan isyarat; yang ketiga ialah EMI yang dihasilkan oleh hujung sudut kanan.

Kapasiti parasit yang disebabkan oleh sudut kanan saluran penghantaran boleh dikira dengan formula empirikal berikut:

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

Dalam formula di atas, C merujuk kepada kapasitansi setara sudut (unit: pF), W merujuk kepada lebar jejak (unit: inci), εr merujuk kepada pemalar dielektrik medium, dan Z0 ialah impedans ciri. daripada talian penghantaran. Sebagai contoh, untuk talian penghantaran 4Mils 50 ohm (εr ialah 4.3), kapasitansi yang dibawa oleh sudut tepat ialah kira-kira 0.0101pF, dan kemudian perubahan masa kenaikan yang disebabkan oleh ini boleh dianggarkan:

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

Ia boleh dilihat melalui pengiraan bahawa kesan kemuatan yang dibawa oleh surih sudut tepat adalah sangat kecil.

Apabila lebar garis surih sudut kanan meningkat, impedans di sana akan berkurangan, jadi fenomena pantulan isyarat tertentu akan berlaku. Kita boleh mengira galangan setara selepas lebar talian meningkat mengikut formula pengiraan galangan yang disebut dalam bab talian penghantaran, dan kemudian Kira pekali pantulan mengikut formula empirikal:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Secara amnya, perubahan impedans yang disebabkan oleh pendawaian sudut tegak adalah antara 7%-20%, jadi pekali pantulan maksimum adalah kira-kira 0.1. Selain itu, seperti yang dapat dilihat dari rajah di bawah, impedans talian penghantaran berubah kepada minimum dalam panjang talian W/2, dan kemudian kembali kepada impedans biasa selepas masa W/2. Keseluruhan masa perubahan impedans adalah sangat singkat, selalunya dalam 10ps. Di dalam, perubahan pantas dan kecil itu hampir boleh diabaikan untuk penghantaran isyarat umum.

Ramai orang mempunyai pemahaman ini tentang pendawaian sudut kanan. Mereka berpendapat bahawa hujungnya mudah untuk menghantar atau menerima gelombang elektromagnet dan menjana EMI. Ini telah menjadi salah satu sebab mengapa ramai orang berfikir bahawa pendawaian sudut kanan tidak boleh dialihkan. Walau bagaimanapun, banyak keputusan ujian sebenar menunjukkan bahawa surih bersudut tepat tidak akan menghasilkan EMI yang jelas daripada garis lurus. Mungkin prestasi instrumen semasa dan tahap ujian menyekat ketepatan ujian, tetapi sekurang-kurangnya ia menggambarkan masalah. Sinaran pendawaian bersudut tegak sudah lebih kecil daripada ralat pengukuran instrumen itu sendiri.

Secara umum, penghalaan sudut kanan tidaklah seteruk yang dibayangkan. Sekurang-kurangnya dalam aplikasi di bawah GHz, sebarang kesan seperti kemuatan, pantulan, EMI, dll. hampir tidak dapat dilihat dalam ujian TDR. Jurutera reka bentuk PCB berkelajuan tinggi masih harus fokus pada susun atur, reka bentuk kuasa/tanah dan reka bentuk pendawaian. Melalui lubang dan aspek lain. Sudah tentu, walaupun kesan pendawaian sudut kanan tidak begitu serius, ia tidak bermakna kita semua boleh menggunakan pendawaian sudut kanan pada masa hadapan. Perhatian terhadap perincian adalah kualiti asas yang mesti ada pada setiap jurutera yang baik. Selain itu, dengan perkembangan pesat litar digital, PCB Kekerapan isyarat yang diproses oleh jurutera akan terus meningkat. Dalam bidang reka bentuk RF di atas 10GHz, sudut tegak kecil ini mungkin menjadi tumpuan masalah kelajuan tinggi.

2. Penghalaan pembezaan

Isyarat pembezaan (DifferentialSignal) semakin banyak digunakan dalam reka bentuk litar berkelajuan tinggi. Isyarat paling kritikal dalam litar sering direka dengan struktur pembezaan. Apa yang menjadikannya begitu popular? Bagaimana untuk memastikan prestasi yang baik dalam reka bentuk PCB? Dengan dua soalan ini, kami meneruskan ke bahagian seterusnya perbincangan.

Apakah isyarat pembezaan? Dalam istilah awam, hujung pemacu menghantar dua isyarat yang sama dan terbalik, dan hujung penerima menilai keadaan logik “0” atau “1” dengan membandingkan perbezaan antara dua voltan. Sepasang jejak yang membawa isyarat pembezaan dipanggil jejak pembezaan.

Berbanding dengan jejak isyarat satu hujung biasa, isyarat pembezaan mempunyai kelebihan yang paling jelas dalam tiga aspek berikut:

a. Keupayaan anti-gangguan yang kuat, kerana gandingan antara dua jejak pembezaan adalah sangat baik. Apabila terdapat gangguan bunyi dari luar, ia hampir digabungkan dengan dua baris pada masa yang sama, dan hujung penerima hanya mengambil berat tentang perbezaan antara kedua-dua isyarat. Oleh itu, bunyi mod biasa luaran boleh dibatalkan sepenuhnya. b. Ia boleh menekan EMI dengan berkesan. Atas sebab yang sama, disebabkan oleh kekutuban yang bertentangan antara kedua-dua isyarat, medan elektromagnet yang dipancarkan oleh mereka boleh membatalkan satu sama lain. Semakin ketat gandingan, semakin kurang tenaga elektromagnet yang disalurkan ke dunia luar. c. Kedudukan masa adalah tepat. Oleh kerana perubahan suis isyarat pembezaan terletak di persimpangan kedua-dua isyarat, tidak seperti isyarat satu hujung biasa, yang bergantung pada voltan ambang tinggi dan rendah untuk menentukan, ia kurang dipengaruhi oleh proses dan suhu, yang boleh mengurangkan ralat dalam masa. , Tetapi juga lebih sesuai untuk litar isyarat amplitud rendah. LVDS popular semasa (lowvoltagedifferentialsignaling) merujuk kepada teknologi isyarat pembezaan amplitud kecil ini.

Bagi jurutera PCB, yang paling dibimbangkan ialah bagaimana untuk memastikan bahawa kelebihan pendawaian pembezaan ini boleh digunakan sepenuhnya dalam pendawaian sebenar. Mungkin sesiapa yang telah berhubung dengan Layout akan memahami keperluan umum pendawaian pembezaan, iaitu, “sama panjang dan sama jarak”. Panjang yang sama adalah untuk memastikan bahawa kedua-dua isyarat pembezaan mengekalkan kekutuban bertentangan pada setiap masa dan mengurangkan komponen mod biasa; jarak yang sama adalah terutamanya untuk memastikan galangan pembezaan kedua-duanya adalah konsisten dan mengurangkan pantulan. “Sedekat mungkin” kadangkala merupakan salah satu keperluan pendawaian pembezaan. Tetapi semua peraturan ini tidak digunakan untuk digunakan secara mekanikal, dan ramai jurutera nampaknya masih tidak memahami intipati penghantaran isyarat pembezaan berkelajuan tinggi.

Berikut memberi tumpuan kepada beberapa salah faham biasa dalam reka bentuk isyarat pembezaan PCB.

Salah Faham 1: Adalah dipercayai bahawa isyarat pembezaan tidak memerlukan satah tanah sebagai laluan kembali, atau jejak pembezaan menyediakan laluan pulangan antara satu sama lain. Sebab salah faham ini ialah mereka keliru dengan fenomena cetek, atau mekanisme penghantaran isyarat berkelajuan tinggi tidak cukup dalam. Ia boleh dilihat daripada struktur hujung penerima Rajah 1-8-15 bahawa arus pemancar transistor Q3 dan Q4 adalah sama dan bertentangan, dan arus mereka di tanah betul-betul membatalkan satu sama lain (I1=0), jadi litar pembezaan adalah lantunan serupa dan isyarat hingar lain yang mungkin wujud pada satah kuasa dan darat adalah tidak sensitif. Pembatalan pulangan separa satah tanah tidak bermakna litar pembezaan tidak menggunakan satah rujukan sebagai laluan pulangan isyarat. Malah, dalam analisis pulangan isyarat, mekanisme pendawaian pembezaan dan pendawaian satu hujung biasa adalah sama, iaitu, isyarat frekuensi tinggi sentiasa Reflow sepanjang gelung dengan kearuhan terkecil, perbezaan terbesar ialah sebagai tambahan kepada gandingan ke tanah, garis pembezaan juga mempunyai gandingan bersama. Gandingan mana yang kuat, yang mana satu menjadi jalan pulang utama. Rajah 1-8-16 ialah gambar rajah skema taburan medan geomagnet bagi isyarat hujung tunggal dan isyarat pembezaan.

Dalam reka bentuk litar PCB, gandingan antara jejak pembezaan biasanya kecil, selalunya hanya menyumbang 10 hingga 20% daripada tahap gandingan, dan lebih banyak lagi adalah gandingan ke tanah, jadi laluan pulangan utama jejak pembezaan masih wujud di atas tanah. kapal terbang. Apabila satah tanah tidak selanjar, gandingan antara jejak pembezaan akan menyediakan laluan pulang utama di kawasan tanpa satah rujukan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1-8-17. Walaupun pengaruh ketakselanjaran satah rujukan pada surih pembezaan tidak seserius kesan surih tunggal biasa, ia masih akan mengurangkan kualiti isyarat pembezaan dan meningkatkan EMI, yang harus dielakkan seberapa banyak yang mungkin. . Sesetengah pereka percaya bahawa satah rujukan di bawah jejak pembezaan boleh dialih keluar untuk menyekat beberapa isyarat mod biasa dalam penghantaran pembezaan. Walau bagaimanapun, pendekatan ini tidak diingini secara teori. Bagaimana untuk mengawal impedans? Tidak menyediakan gelung impedans tanah untuk isyarat mod biasa pasti akan menyebabkan sinaran EMI. Pendekatan ini lebih mendatangkan kemudaratan daripada kebaikan.

Salah Faham 2: Adalah dipercayai bahawa mengekalkan jarak yang sama adalah lebih penting daripada memadankan panjang baris. Dalam susun atur PCB sebenar, selalunya tidak mungkin untuk memenuhi keperluan reka bentuk pembezaan pada masa yang sama. Disebabkan kewujudan pengedaran pin, vias, dan ruang pendawaian, tujuan pemadanan panjang talian mesti dicapai melalui penggulungan yang betul, tetapi hasilnya mestilah beberapa kawasan pasangan pembezaan tidak boleh selari. Apa yang perlu kita lakukan pada masa ini? pilihan yang mana? Sebelum membuat kesimpulan, mari kita lihat hasil simulasi berikut.

Daripada hasil simulasi di atas, dapat dilihat bahawa bentuk gelombang Skim 1 dan Skim 2 adalah hampir bertepatan, iaitu pengaruh yang disebabkan oleh jarak yang tidak sama adalah minimum. Sebagai perbandingan, pengaruh ketidakpadanan panjang garisan pada masa adalah lebih besar. (Skim 3). Daripada analisis teori, walaupun jarak yang tidak konsisten akan menyebabkan impedans pembezaan berubah, kerana gandingan antara pasangan pembezaan itu sendiri tidak ketara, julat perubahan impedans juga sangat kecil, biasanya dalam 10%, yang hanya bersamaan dengan satu laluan. . Pantulan yang disebabkan oleh lubang tidak akan memberi kesan yang ketara pada penghantaran isyarat. Setelah panjang talian tidak sepadan, sebagai tambahan kepada pengimbangan masa, komponen mod biasa dimasukkan ke dalam isyarat pembezaan, yang mengurangkan kualiti isyarat dan meningkatkan EMI.

Boleh dikatakan bahawa peraturan yang paling penting dalam reka bentuk jejak pembezaan PCB ialah panjang garisan yang sepadan, dan peraturan lain boleh dikendalikan secara fleksibel mengikut keperluan reka bentuk dan aplikasi praktikal.

Salah Faham 3: Fikirkan bahawa pendawaian pembezaan mestilah sangat rapat. Mengekalkan kesan pembezaan rapat adalah tidak lebih daripada untuk meningkatkan gandingan mereka, yang bukan sahaja dapat meningkatkan imuniti terhadap bunyi, tetapi juga menggunakan sepenuhnya kekutuban bertentangan medan magnet untuk mengimbangi gangguan elektromagnet kepada dunia luar. Walaupun pendekatan ini sangat bermanfaat dalam kebanyakan kes, ia tidak mutlak. Jika kita boleh memastikan bahawa ia dilindungi sepenuhnya daripada gangguan luar, maka kita tidak perlu menggunakan gandingan yang kuat untuk mencapai anti-gangguan. Dan tujuan menindas EMI. Bagaimanakah kita boleh memastikan pengasingan yang baik dan melindungi kesan pembezaan? Meningkatkan jarak dengan jejak isyarat lain adalah salah satu cara paling asas. Tenaga medan elektromagnet berkurangan dengan kuasa dua jarak. Secara amnya, apabila jarak garisan melebihi 4 kali lebar garisan, gangguan antaranya adalah amat lemah. Boleh diabaikan. Di samping itu, pengasingan oleh satah darat juga boleh memainkan peranan pelindung yang baik. Struktur ini sering digunakan dalam reka bentuk PCB pakej IC frekuensi tinggi (di atas 10G). Ia dipanggil struktur CPW, yang boleh memastikan galangan pembezaan yang ketat. Kawalan (2Z0), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1-8-19.

Jejak pembezaan juga boleh dijalankan dalam lapisan isyarat yang berbeza, tetapi kaedah ini secara amnya tidak disyorkan, kerana perbezaan impedans dan vias yang dihasilkan oleh lapisan berbeza akan memusnahkan kesan penghantaran mod pembezaan dan memperkenalkan bunyi mod biasa. Di samping itu, jika dua lapisan bersebelahan tidak berganding rapat, ia akan mengurangkan keupayaan jejak pembezaan untuk menahan bunyi, tetapi jika anda boleh mengekalkan jarak yang betul dari jejak sekeliling, crosstalk tidak menjadi masalah. Pada frekuensi umum (di bawah GHz), EMI tidak akan menjadi masalah yang serius. Eksperimen telah menunjukkan bahawa pengecilan tenaga terpancar pada jarak 500 mil dari surih pembezaan telah mencapai 60 dB pada jarak 3 meter, yang mencukupi untuk memenuhi piawaian sinaran elektromagnet FCC, jadi Pereka bentuk tidak perlu risau juga banyak tentang ketidakserasian elektromagnet yang disebabkan oleh gandingan talian pembezaan yang tidak mencukupi.

3. Talian serpentin

Garisan ular ialah sejenis kaedah penghalaan yang sering digunakan dalam Reka Letak. Tujuan utamanya adalah untuk melaraskan kelewatan untuk memenuhi keperluan reka bentuk pemasaan sistem. Pereka bentuk mesti terlebih dahulu mempunyai pemahaman ini: talian serpentin akan memusnahkan kualiti isyarat, menukar kelewatan penghantaran, dan cuba mengelak daripada menggunakannya semasa pendawaian. Walau bagaimanapun, dalam reka bentuk sebenar, untuk memastikan bahawa isyarat mempunyai masa tahan yang mencukupi, atau untuk mengurangkan masa mengimbangi antara kumpulan isyarat yang sama, selalunya perlu untuk menggulung wayar dengan sengaja.

Jadi, apakah kesan talian serpentin terhadap penghantaran isyarat? Apakah yang perlu saya perhatikan semasa pendawaian? Dua parameter yang paling kritikal ialah panjang gandingan selari (Lp) dan jarak gandingan (S), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1-8-21. Jelas sekali, apabila isyarat dihantar pada jejak serpentin, segmen garisan selari akan digandingkan dalam mod pembezaan. Lebih kecil S dan lebih besar Lp, lebih besar darjah gandingan. Ia boleh menyebabkan kelewatan penghantaran dikurangkan, dan kualiti isyarat sangat berkurangan disebabkan oleh crosstalk. Mekanisme ini boleh merujuk kepada analisis mod biasa dan mod pembezaan crosstalk dalam Bab 3.

Berikut ialah beberapa cadangan untuk jurutera Susun atur apabila berurusan dengan garisan serpentin:

1. Cuba tambahkan jarak (S) segmen garis selari, sekurang-kurangnya lebih besar daripada 3H, H merujuk kepada jarak dari surih isyarat ke satah rujukan. Dalam istilah orang awam, ia adalah untuk mengelilingi selekoh besar. Selagi S cukup besar, kesan gandingan bersama boleh dielakkan sepenuhnya. 2. Kurangkan panjang gandingan Lp. Apabila kelewatan Lp berganda menghampiri atau melebihi masa kenaikan isyarat, crosstalk yang dihasilkan akan mencapai ketepuan. 3. Kelewatan penghantaran isyarat yang disebabkan oleh talian serpentin Jalur-Jalur atau Jalur Mikro Terbenam adalah kurang daripada jalur Mikro. Secara teorinya, garisan jalur tidak akan menjejaskan kadar penghantaran disebabkan oleh crosstalk mod pembezaan. 4. Untuk talian isyarat berkelajuan tinggi dan yang mempunyai keperluan pemasaan yang ketat, cuba jangan gunakan talian serpentin, terutamanya di kawasan kecil. 5. Anda selalunya boleh menggunakan jejak serpentin pada mana-mana sudut, seperti struktur C dalam Rajah 1-8-20, yang boleh mengurangkan gandingan bersama dengan berkesan. 6. Dalam reka bentuk PCB berkelajuan tinggi, talian serpentine tidak mempunyai keupayaan penapisan atau anti-gangguan yang dipanggil, dan hanya boleh mengurangkan kualiti isyarat, jadi ia hanya digunakan untuk pemadanan masa dan tidak mempunyai tujuan lain. 7. Kadangkala anda boleh mempertimbangkan penghalaan lingkaran untuk penggulungan. Simulasi menunjukkan bahawa kesannya lebih baik daripada penghalaan serpentin biasa.