Układ jest jedną z najbardziej podstawowych umiejętności zawodowych inżynierów zajmujących się projektowaniem PCB. Jakość okablowania wpłynie bezpośrednio na wydajność całego systemu. Większość teorii szybkiego projektowania musi zostać ostatecznie wdrożona i zweryfikowana za pośrednictwem Layout. Widać, że okablowanie jest bardzo ważne w szybka płytka drukowana projekt. Poniżej przeanalizujemy racjonalność niektórych sytuacji, które mogą wystąpić w rzeczywistym okablowaniu i przedstawimy bardziej zoptymalizowane strategie routingu.

Wyjaśnia się to głównie z trzech aspektów: okablowania pod kątem prostym, okablowania różnicowego i okablowania serpentynowego.

1. Trasowanie pod kątem prostym

Okablowanie pod kątem prostym jest na ogół sytuacją, której należy unikać w jak największym stopniu w przypadku okablowania PCB i stało się prawie jednym ze standardów pomiaru jakości okablowania. Więc jaki wpływ będzie miało okablowanie pod kątem prostym na transmisję sygnału? Zasadniczo routing pod kątem prostym zmieni szerokość linii transmisyjnej, powodując nieciągłość impedancji. W rzeczywistości nie tylko trasowanie pod kątem prostym, ale także narożniki i trasowanie pod kątem ostrym może powodować zmiany impedancji.

Wpływ routingu pod kątem prostym na sygnał znajduje odzwierciedlenie głównie w trzech aspektach:

Jednym z nich jest to, że narożnik może być równoważny obciążeniu pojemnościowemu linii przesyłowej, co spowalnia czas narastania; po drugie, nieciągłość impedancji spowoduje odbicie sygnału; trzeci to EMI generowany przez końcówkę pod kątem prostym.

Pojemność pasożytniczą spowodowaną kątem prostym linii przesyłowej można obliczyć według następującego wzoru empirycznego:

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

W powyższym wzorze C odnosi się do równoważnej pojemności naroża (jednostka: pF), W odnosi się do szerokości śladu (jednostka: cal), εr odnosi się do stałej dielektrycznej ośrodka, a Z0 jest impedancją charakterystyczną linii przesyłowej. Na przykład dla linii transmisyjnej 4Mils 50 omów (εr wynosi 4.3), pojemność doprowadzona pod kątem prostym wynosi około 0.0101pF, a następnie spowodowaną przez to zmianę czasu narastania można oszacować:

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

Z obliczeń wynika, że ​​efekt pojemności wywołany przebiegiem pod kątem prostym jest niezwykle mały.

Wraz ze wzrostem szerokości linii prostokątnego śladu impedancja będzie się zmniejszać, więc wystąpi pewne zjawisko odbicia sygnału. Możemy obliczyć impedancję równoważną po wzroście szerokości linii zgodnie ze wzorem do obliczania impedancji wymienionym w rozdziale dotyczącym linii transmisyjnych, a następnie obliczyć współczynnik odbicia zgodnie ze wzorem empirycznym:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Generalnie zmiana impedancji spowodowana okablowaniem pod kątem prostym wynosi od 7% do 20%, więc maksymalny współczynnik odbicia wynosi około 0.1. Ponadto, jak widać na poniższym rysunku, impedancja linii transmisyjnej zmienia się na minimum na długości linii W/2, a następnie powraca do impedancji normalnej po czasie W/2. Cały czas zmiany impedancji jest niezwykle krótki, często w granicach 10 ps. Wewnątrz tak szybkie i niewielkie zmiany są prawie nieistotne dla ogólnej transmisji sygnału.

Wiele osób rozumie okablowanie pod kątem prostym. Uważają, że końcówka jest łatwa do przesyłania lub odbierania fal elektromagnetycznych i generowania EMI. Stało się to jednym z powodów, dla których wiele osób uważa, że ​​okablowania pod kątem prostym nie można poprowadzić. Jednak wiele rzeczywistych wyników testów pokazuje, że prostokątne ścieżki nie wygenerują oczywistych zakłóceń elektromagnetycznych niż linie proste. Być może obecna wydajność przyrządu i poziom testu ograniczają dokładność testu, ale przynajmniej ilustruje problem. Promieniowanie okablowania pod kątem prostym jest już mniejsze niż błąd pomiaru samego przyrządu.

Ogólnie rzecz biorąc, trasowanie pod kątem prostym nie jest tak straszne, jak sobie wyobrażano. Przynajmniej w zastosowaniach poniżej GHz wszelkie efekty, takie jak pojemność, odbicie, EMI itp., są ledwo odzwierciedlone w testach TDR. Inżynierowie zajmujący się szybkimi projektami PCB powinni nadal koncentrować się na rozmieszczeniu, projektowaniu zasilania/uziemienia i projektowaniu okablowania. Przez otwory i inne aspekty. Oczywiście, chociaż wpływ okablowania pod kątem prostym nie jest bardzo poważny, nie oznacza to, że w przyszłości wszyscy będziemy mogli korzystać z okablowania pod kątem prostym. Dbałość o szczegóły to podstawowa cecha, którą musi posiadać każdy dobry inżynier. Co więcej, wraz z szybkim rozwojem obwodów cyfrowych, PCB Częstotliwość sygnału przetwarzanego przez inżynierów będzie nadal rosła. W dziedzinie projektowania RF powyżej 10GHz te małe kąty proste mogą stać się ogniskiem problemów związanych z dużą prędkością.

2. Routing różnicowy

Sygnał różnicowy (DifferentialSignal) jest coraz szerzej stosowany w projektowaniu obwodów o dużej prędkości. Najbardziej krytyczny sygnał w obwodzie jest często projektowany ze strukturą różnicową. Co sprawia, że ​​jest tak popularny? Jak zapewnić jego dobrą wydajność w projektowaniu PCB? Z tymi dwoma pytaniami przechodzimy do następnej części dyskusji.

Co to jest sygnał różnicowy? W kategoriach laika, koniec napędowy wysyła dwa równe i odwrócone sygnały, a koniec odbierający ocenia stan logiczny „0” lub „1”, porównując różnicę między dwoma napięciami. Para śladów niosących sygnały różnicowe nazywana jest śladami różniczkowymi.

W porównaniu ze zwykłymi ścieżkami sygnału single-ended, sygnały różnicowe mają najbardziej oczywiste zalety w następujących trzech aspektach:

a. Silna zdolność przeciwzakłóceniowa, ponieważ sprzężenie między dwoma śladami różnicowymi jest bardzo dobre. Gdy występują zakłócenia z zewnątrz, są one prawie połączone z dwiema liniami jednocześnie, a strona odbiorcza dba tylko o różnicę między dwoma sygnałami. Dlatego zewnętrzne szumy trybu wspólnego można całkowicie wyeliminować. b. Może skutecznie tłumić EMI. Z tego samego powodu, ze względu na przeciwną biegunowość tych dwóch sygnałów, wypromieniowane przez nie pola elektromagnetyczne mogą się wzajemnie znosić. Im mocniejsze sprzężenie, tym mniej energii elektromagnetycznej jest odprowadzane do świata zewnętrznego. C. Pozycjonowanie czasu jest dokładne. Ponieważ zmiana przełącznika sygnału różnicowego znajduje się na przecięciu dwóch sygnałów, w przeciwieństwie do zwykłego sygnału single-ended, który zależy od wysokiego i niskiego napięcia progowego do ustalenia, jest mniej wpływ na proces i temperaturę, które mogą zmniejszyć błąd w rozrządzie. , Ale również bardziej nadaje się do obwodów sygnałowych o niskiej amplitudzie. Obecny popularny LVDS (niskonapięciowa sygnalizacja różnicowa) odnosi się do tej technologii sygnałów różnicowych o małej amplitudzie.

Dla inżynierów PCB największym problemem jest zapewnienie, aby te zalety okablowania różnicowego mogły być w pełni wykorzystane w rzeczywistym okablowaniu. Być może każdy, kto miał styczność z Layout, zrozumie ogólne wymagania dotyczące okablowania różnicowego, czyli „równej długości i równej odległości”. Równa długość ma zapewnić, że dwa sygnały różnicowe będą zawsze utrzymywać przeciwne bieguny i zredukować składową wspólną; równa odległość ma głównie na celu zapewnienie, że impedancje różnicowe obu są spójne i zmniejszą odbicia. „Tak blisko, jak to możliwe” jest czasami jednym z wymagań okablowania różnicowego. Ale wszystkie te zasady nie są stosowane do mechanicznego zastosowania, a wielu inżynierów wydaje się nadal nie rozumieć istoty szybkiej transmisji sygnału różnicowego.

Poniżej skupiono się na kilku typowych nieporozumieniach związanych z projektowaniem sygnałów różnicowych na płytkach drukowanych.

Nieporozumienie 1: Uważa się, że sygnał różnicowy nie potrzebuje płaszczyzny uziemienia jako ścieżki powrotnej lub że ścieżki różnicowe zapewniają sobie nawzajem ścieżkę powrotną. Powodem tego nieporozumienia jest to, że są zdezorientowani powierzchownymi zjawiskami lub mechanizm szybkiej transmisji sygnału nie jest wystarczająco głęboki. Ze struktury końcówki odbiorczej z rysunku 1-8-15 widać, że prądy emiterów tranzystorów Q3 i Q4 są równe i przeciwne, a ich prądy przy ziemi dokładnie znoszą się (I1=0), więc obwód różnicowy jest Podobne odbicia i inne sygnały szumowe, które mogą występować na płaszczyznach zasilania i uziemienia, są niewrażliwe. Częściowe anulowanie powrotu płaszczyzny uziemienia nie oznacza, że ​​obwód różnicowy nie wykorzystuje płaszczyzny odniesienia jako ścieżki powrotu sygnału. W rzeczywistości w analizie powrotu sygnału mechanizm okablowania różnicowego i zwykłego okablowania jednokierunkowego jest taki sam, to znaczy sygnały o wysokiej częstotliwości są zawsze Reflow wzdłuż pętli o najmniejszej indukcyjności, największą różnicą jest to, że oprócz sprzężenie z ziemią, linia różnicowa ma również wzajemne sprzężenie. Jaki rodzaj sprzężenia jest silny, który staje się główną ścieżką powrotną. Rysunek 1-8-16 jest schematycznym diagramem rozkładu pola geomagnetycznego sygnałów niesymetrycznych i sygnałów różnicowych.

W projektowaniu obwodów PCB sprzężenie między ścieżkami różnicowymi jest na ogół niewielkie, często stanowi tylko 10 do 20% stopnia sprzężenia, a więcej to sprzężenie z masą, więc główna ścieżka powrotna ścieżki różnicowej nadal istnieje na ziemi samolot . Gdy płaszczyzna uziemienia jest nieciągła, sprzężenie między śladami różnicowymi zapewni główną ścieżkę powrotną w obszarze bez płaszczyzny odniesienia, jak pokazano na rysunku 1-8-17. Chociaż wpływ nieciągłości płaszczyzny odniesienia na przebieg różnicowy nie jest tak poważny jak w przypadku zwykłego przebiegu single-ended, to i tak będzie obniżać jakość sygnału różnicowego i zwiększać EMI, czego należy w miarę możliwości unikać . Niektórzy projektanci uważają, że płaszczyznę odniesienia pod śladem różnicowym można usunąć, aby stłumić niektóre sygnały wspólne w transmisji różnicowej. Jednak takie podejście nie jest pożądane w teorii. Jak kontrolować impedancję? Brak pętli impedancji uziemienia dla sygnału w trybie wspólnym nieuchronnie spowoduje promieniowanie EMI. Takie podejście wyrządza więcej szkody niż pożytku.

Nieporozumienie 2: Uważa się, że zachowanie równych odstępów jest ważniejsze niż dopasowanie długości linii. W rzeczywistym układzie PCB często nie jest możliwe jednoczesne spełnienie wymagań projektowania różnicowego. Ze względu na istnienie rozmieszczenia pinów, przelotek i miejsca na okablowanie, cel dopasowania długości linii musi być osiągnięty przez odpowiednie uzwojenie, ale w rezultacie niektóre obszary pary różnicowej nie mogą być równoległe. Co powinniśmy teraz zrobić? Jaki wybór? Zanim wyciągniemy wnioski, spójrzmy na poniższe wyniki symulacji.

Z powyższych wyników symulacji można zauważyć, że przebiegi ze Schematu 1 i Schematu 2 są prawie zbieżne, to znaczy wpływ spowodowany nierównymi odstępami jest minimalny. Dla porównania, wpływ niedopasowania długości linii na taktowanie jest znacznie większy. (Schemat 3). Z analizy teoretycznej, chociaż niespójny odstęp spowoduje zmianę impedancji różnicowej, ponieważ sprzężenie między samą parą różnicową nie jest znaczące, zakres zmian impedancji jest również bardzo mały, zwykle w granicach 10%, co jest równoważne tylko jednemu przejściu . Odbicie powodowane przez dziurę nie będzie miało znaczącego wpływu na transmisję sygnału. Gdy długość linii nie jest zgodna, oprócz przesunięcia czasowego, do sygnału różnicowego wprowadzane są składowe trybu wspólnego, co obniża jakość sygnału i zwiększa EMI.

Można powiedzieć, że najważniejszą zasadą przy projektowaniu ścieżek różnicowych PCB jest dopasowanie długości linii, a inne zasady można elastycznie obsługiwać zgodnie z wymaganiami projektowymi i praktycznymi zastosowaniami.

Nieporozumienie 3: Pomyśl, że okablowanie różnicowe musi być bardzo blisko. Utrzymanie bliskości śladów różnicowych to nic innego jak wzmocnienie ich sprzężenia, co może nie tylko poprawić odporność na zakłócenia, ale także w pełni wykorzystać przeciwną biegunowość pola magnetycznego do zrównoważenia zakłóceń elektromagnetycznych na świat zewnętrzny. Chociaż w większości przypadków to podejście jest bardzo korzystne, nie jest absolutne. Jeśli możemy zapewnić, że są one w pełni ekranowane przed zakłóceniami zewnętrznymi, to nie musimy używać silnego sprzężenia, aby uzyskać ochronę przed zakłóceniami. I cel tłumienia EMI. Jak zapewnić dobrą izolację i ekranowanie śladów różnicowych? Zwiększanie odstępów innymi śladami sygnału to jeden z najbardziej podstawowych sposobów. Energia pola elektromagnetycznego maleje wraz z kwadratem odległości. Ogólnie rzecz biorąc, gdy odstęp między wierszami przekracza 4 razy szerokość linii, interferencja między nimi jest bardzo słaba. Można zignorować. Ponadto izolacja przez płaszczyznę uziemienia może również odgrywać dobrą rolę ekranującą. Ta struktura jest często używana w projektowaniu PCB o wysokiej częstotliwości (powyżej 10G). Nazywa się to strukturą CPW, która może zapewnić ścisłą impedancję różnicową. Kontrola (2Z0), jak pokazano na rysunku 1-8-19.

Ścieżki różnicowe mogą również przebiegać w różnych warstwach sygnału, ale ta metoda generalnie nie jest zalecana, ponieważ różnice w impedancji i przelotkach wytwarzanych przez różne warstwy niszczą efekt transmisji w trybie różnicowym i wprowadzają szum w trybie wspólnym. Ponadto, jeśli sąsiednie dwie warstwy nie są ciasno połączone, zmniejszy to odporność ścieżki różnicowej na hałas, ale jeśli możesz zachować odpowiednią odległość od otaczających ścieżek, przesłuch nie stanowi problemu. Przy częstotliwościach ogólnych (poniżej GHz) EMI nie będzie poważnym problemem. Eksperymenty wykazały, że tłumienie energii wypromieniowanej w odległości 500 mils od śladu różnicowego osiągnęło 60 dB w odległości 3 metrów, co jest wystarczające do spełnienia normy promieniowania elektromagnetycznego FCC, więc projektant nie musi się też martwić dużo o niekompatybilności elektromagnetycznej spowodowanej niewystarczającym sprzężeniem linii różnicowej.

3. Linia serpentyn

Snake line to rodzaj metody routingu często używanej w Layout. Jego głównym celem jest dostosowanie opóźnienia w celu spełnienia wymagań projektowych dotyczących taktowania systemu. Projektant musi najpierw mieć to zrozumienie: linia serpentynowa zniszczy jakość sygnału, zmieni opóźnienie transmisji i spróbuje unikać jej używania podczas okablowania. Jednak w rzeczywistej konstrukcji, w celu zapewnienia wystarczającego czasu podtrzymania sygnału lub zmniejszenia odstępu czasowego między tą samą grupą sygnałów, często konieczne jest celowe zwinięcie przewodu.

Jaki wpływ ma więc linia serpentynowa na transmisję sygnału? Na co powinienem zwrócić uwagę podczas okablowania? Dwa najbardziej krytyczne parametry to długość połączenia równoległego (Lp) i odległość połączenia (S), jak pokazano na rysunku 1-8-21. Oczywiście, gdy sygnał jest przesyłany po serpentynowym torze, równoległe odcinki linii zostaną połączone w trybie różnicowym. Im mniejsze S i większe Lp, tym większy stopień sprzężenia. Może to spowodować zmniejszenie opóźnienia transmisji, a jakość sygnału znacznie się pogorszy z powodu przesłuchów. Mechanizm można odnieść do analizy wspólnych i różnicowych przesłuchów modowych w rozdziale 3.

Poniżej znajduje się kilka sugestii dla inżynierów układu, którzy mają do czynienia z liniami serpentynowymi:

1. Spróbuj zwiększyć odległość (S) równoległych odcinków linii, co najmniej większą niż 3H, H odnosi się do odległości od śladu sygnału do płaszczyzny odniesienia. W kategoriach laika jest to obejście wielkiego zakrętu. Dopóki S jest wystarczająco duże, można prawie całkowicie uniknąć efektu wzajemnego sprzężenia. 2. Zmniejsz długość sprzęgła Lp. Gdy podwójne opóźnienie Lp zbliża się lub przekracza czas narastania sygnału, generowany przesłuch osiągnie nasycenie. 3. Opóźnienie transmisji sygnału spowodowane serpentynową linią Strip-Line lub Embedded Microstrip jest mniejsze niż Microstrip. Teoretycznie linia paskowa nie wpłynie na szybkość transmisji ze względu na przesłuchy w trybie różnicowym. 4. W przypadku szybkich linii sygnałowych i tych o ścisłych wymaganiach czasowych, staraj się nie używać linii serpentynowych, szczególnie na małych obszarach. 5. Często można użyć śladów serpentynowych pod dowolnym kątem, takich jak struktura C na rysunku 1-8-20, co może skutecznie zmniejszyć wzajemne sprzężenie. 6. W szybkich projektach PCB linia serpentynowa nie ma tak zwanej zdolności filtrowania lub przeciwdziałania zakłóceniom i może tylko obniżyć jakość sygnału, więc jest używana tylko do dopasowywania taktowania i nie ma innego celu. 7. Czasami możesz rozważyć kręcenie spiralne do nawijania. Symulacja pokazuje, że jego efekt jest lepszy niż zwykły routing serpentynowy.