Układ jest jedną z najbardziej podstawowych umiejętności pracy Projekt PCB inżynier. Jakość okablowania wpłynie bezpośrednio na wydajność całego systemu, większość teorii szybkiego projektowania musi zostać ostatecznie zrealizowana i zweryfikowana przez Layout, więc można zauważyć, że okablowanie ma kluczowe znaczenie w projektowaniu szybkich płytek drukowanych. Poniżej przedstawiono rzeczywiste okablowanie, które może napotkać w niektórych sytuacjach, analizę jego racjonalności i przedstawienie bardziej zoptymalizowanej strategii routingu. Głównie z właściwej linii kąta, linii różnicy, linii węża i tak dalej, do opracowania trzech aspektów.

1. Prostokątna linia go

Okablowanie pod kątem prostym jest generalnie wymagane, aby uniknąć sytuacji w okablowaniu PCB i stało się prawie jednym ze standardów pomiaru jakości okablowania, więc jaki wpływ będzie miało okablowanie pod kątem prostym na transmisję sygnału? Zasadniczo okablowanie pod kątem prostym zmieni szerokość linii transmisyjnej, powodując nieciągłość impedancji. W rzeczywistości nie tylko linia kąta prostego, kąta tonowego, linia kąta ostrego mogą powodować zmiany impedancji.

Wpływ wyrównania pod kątem prostym na sygnał znajduje odzwierciedlenie głównie w trzech aspektach: po pierwsze, narożnik może odpowiadać obciążeniu pojemnościowemu linii transmisyjnej, spowalniając czas narastania; Po drugie, nieciągłość impedancji spowoduje odbicie sygnału; Po trzecie, EMI generowane przez końcówkę pod odpowiednim kątem.

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 narożnej (pF), W odnosi się do szerokości linii (cale), ε R odnosi się do stałej dielektrycznej ośrodka, a Z0 jest charakterystyczną impedancją transmisji linia. Na przykład dla linii transmisyjnej 4Mils 50 omów (εr 4.3), pojemność kąta prostego wynosi około 0.0101 pF, a zmienność czasu narastania można oszacować:

T10-90%=2.2*C* z0/2 =2.2* 0.0101*50/2 = 0.556ps

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

Wraz ze wzrostem szerokości linii pod kątem prostym impedancja w tym punkcie 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 sekcji linii przesyłowych, a następnie obliczyć współczynnik odbicia zgodnie ze wzorem empirycznym: ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0), ogólne okablowanie pod kątem prostym powoduje zmiany impedancji między 7%-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 normalnej impedancji po czasie W/2. Czas na zmianę całej impedancji jest bardzo krótki, zwykle w granicach 10 ps. Tak szybka i niewielka zmiana jest prawie nieistotna dla ogólnej transmisji sygnału.

Wiele osób ma taką wiedzę na temat routingu pod kątem prostym, wierząc, że końcówka łatwo emituje lub odbiera fale elektromagnetyczne i wytwarza EMI, co stało się jednym z powodów, dla których wiele osób uważa, że ​​trasowanie pod kątem prostym nie jest możliwe. Jednak wiele praktycznych wyników testów pokazuje, że linia pod kątem prostym nie wytwarza dużo EMI niż linia prosta. Być może obecne osiągi przyrządu i poziom testu ograniczają dokładność testu, ale przynajmniej pokazuje, że promieniowanie linii pod kątem prostym jest mniejsze niż błąd pomiaru samego przyrządu. Ogólnie rzecz biorąc, wyrównanie pod kątem prostym nie jest tak straszne, jak mogłoby się wydawać. Przynajmniej w zastosowaniach poniżej GHz wszelkie efekty, takie jak pojemność, odbicie, EMI itp., są prawie nie odzwierciedlone w testach TDR. Inżynier projektujący szybkie PCB powinien skupić się na układzie, projekcie zasilania / uziemienia, projektowaniu okablowania, perforacji itp. Chociaż, oczywiście, efekty prostopadłościennej linii nie są bardzo poważne, ale nie oznacza to, że możemy chodzić po prostej linii kątowej, dbałość o szczegóły jest podstawową cechą każdego dobrego inżyniera, a wraz z szybkim rozwojem układów cyfrowych , inżynierowie PCB przetwarzanie częstotliwości sygnału również będzie się poprawiać, do ponad 10 GHZ w dziedzinie projektowania RF, Te małe kąty proste mogą stać się ogniskiem problemów związanych z dużą prędkością.

2. Różnica

Sygnał różnicowy jest szeroko stosowany w projektowaniu obwodów o dużej prędkości. Najważniejszym sygnałem w obwodzie jest konstrukcja sygnału różnicowego. Jak zapewnić jego dobrą wydajność w projektowaniu PCB? Mając na uwadze te dwa pytania, przechodzimy do następnej części naszej dyskusji.

Co to jest sygnał różnicowy? Mówiąc prostym językiem, sterownik wysyła dwa równoważne i odwracające sygnały, a odbiornik porównuje różnicę między dwoma napięciami, aby określić, czy stan logiczny to „0” czy „1”. Para przewodów przenoszących sygnały różnicowe nazywana jest przewodami różnicowymi.

W porównaniu ze zwykłym routingiem sygnału single-ended, sygnał różnicowy ma najbardziej oczywiste zalety w następujących trzech aspektach:

A. Silna zdolność przeciwzakłóceniowa, ponieważ sprzężenie między dwiema liniami różnicowymi jest bardzo dobre, gdy występują zakłócenia szumowe, są one prawie połączone z dwiema liniami jednocześnie, a odbiornik dba tylko o różnicę między dwoma sygnałami, dzięki czemu zewnętrzny szum w trybie wspólnym może zostać całkowicie usunięty.

B. Może skutecznie tłumić EMI. Podobnie, ponieważ dwa sygnały mają przeciwną biegunowość, wypromieniowane przez nie pole elektromagnetyczne może się nawzajem znosić. Im bliższe sprzężenie, tym mniej energii elektromagnetycznej uwalnianej do świata zewnętrznego.

C. Pozycjonowanie czasu jest dokładne. Ponieważ zmiana przełączania sygnałów różnicowych znajduje się na przecięciu dwóch sygnałów, w przeciwieństwie do zwykłych sygnałów niesymetrycznych, które są oceniane na podstawie wysokich i niskich napięć progowych, jest ona mniej zależna od procesu i temperatury, co może zmniejszyć błędy taktowania i jest bardziej odpowiednie do obwodów z sygnałami o małej amplitudzie. LVDS (low voltage differenTIalsignaling) odnosi się do tej technologii sygnałów różnicowych o małej amplitudzie.

Dla inżynierów PCB najważniejszym problemem jest zapewnienie, aby te zalety trasowania różnicowego mogły być w pełni wykorzystane w rzeczywistym trasowaniu. Być może tak długo, jak będzie w kontakcie z Layoutem, ludzie zrozumieją ogólne wymagania routingu różnicowego, czyli „równej długości, równej odległości”. Izometryczny ma na celu zapewnienie, że dwa sygnały różnicowe zawsze zachowują przeciwną polaryzację, redukują składową wspólnego trybu; Izometryczny ma głównie na celu zapewnienie tej samej impedancji różnicowej, zmniejszenie odbicia. „Tak blisko, jak to możliwe” jest czasami jednym z wymagań dotyczących routingu różnicowego. Jednak żadna z tych zasad nie ma być stosowana mechanicznie, a wielu inżynierów wydaje się nie rozumieć natury szybkiej sygnalizacji różnicowej. Poniżej skupiono się na kilku typowych błędach w projektowaniu sygnałów różnicowych na płytce drukowanej.

Błędne przekonanie 1: Sygnały różnicowe nie potrzebują płaszczyzny uziemienia jako ścieżki przepływu zwrotnego ani nie sądzą, że linie różnicowe zapewniają sobie nawzajem ścieżkę przepływu zwrotnego. Przyczynę tego nieporozumienia myli zjawisko powierzchniowe lub mechanizm szybkiej transmisji sygnału nie jest wystarczająco głęboki. Jak widać ze struktury końca przyjmującego na FIG. 1-8-15, prądy emiterów tranzystorów Q3 i Q4 są równoważne i przeciwne, a ich prąd na złączu dokładnie znosi się nawzajem (I1=0). Dlatego obwód różnicowy jest niewrażliwy na podobne rzuty uziemienia i inne sygnały szumowe, które mogą występować w zasilaczu i płaszczyźnie uziemienia. Częściowe anulowanie przepływu wstecznego płaszczyzny uziemienia nie oznacza, że ​​obwód różnicowy nie przyjmuje płaszczyzny odniesienia jako ścieżki powrotnej sygnału. W rzeczywistości w analizie przepływu zwrotnego sygnału mechanizm routingu różnicowego jest taki sam, jak w przypadku zwykłego routingu pojedynczego końca, a mianowicie wysoki

Sygnał częstotliwości zawsze wraca po obwodzie z najmniejszą indukcyjnością. Największa różnica polega na tym, że linia różnicowa nie tylko ma sprzężenie z ziemią, ale także ma sprzężenie między sobą. Silne sprzężenie staje się główną ścieżką przepływu wstecznego.

W projektowaniu obwodów PCB sprzężenie między okablowaniem różnicowym jest na ogół niewielkie, zwykle stanowi tylko 10 ~ 20% stopnia sprzężenia, a większość sprzężenia znajduje się na ziemi, więc główna ścieżka cofania okablowania różnicowego nadal istnieje w ziemi samolot. W przypadku nieciągłości w płaszczyźnie lokalnej, sprzężenie pomiędzy trasami różnicowymi zapewnia główną ścieżkę przepływu wstecznego w obszarze bez płaszczyzny odniesienia, jak pokazano na FIG. 1-8-17. Chociaż wpływ nieciągłości płaszczyzny odniesienia na okablowanie różnicowe nie jest tak poważny, jak w przypadku zwykłego okablowania typu single-end, nadal będzie obniżał jakość sygnału różnicowego i zwiększał EMI, czego należy w miarę możliwości unikać. Niektórzy projektanci uważają, że płaszczyznę odniesienia linii transmisji różnicowej można usunąć, aby wytłumić część sygnału wspólnego w transmisji różnicowej, ale teoretycznie takie podejście nie jest pożądane. Jak kontrolować impedancję? Bez zapewnienia pętli impedancji uziemienia dla sygnału w trybie wspólnym, promieniowanie EMI na pewno zostanie wywołane, co wyrządza więcej szkody niż pożytku.

Mit 2: Zachowanie równych odstępów jest ważniejsze niż dopasowanie długości linii. W rzeczywistym okablowaniu PCB często nie jest w stanie spełnić wymagań projektu różnicowego. Ze względu na rozmieszczenie pinów, otworów i miejsca na okablowanie oraz inne czynniki konieczne jest osiągnięcie celu dopasowania długości linii poprzez odpowiednie uzwojenie, ale wynik jest nieuchronnie częścią pary różnicy nie może być równoległa, w tej chwili, jak wybierać? Zanim przejdziemy do wniosków, przyjrzyjmy się następującym wynikom symulacji. Z powyższych wyników symulacji widać, że przebiegi schematu 1 i schematu 2 prawie się pokrywają, to znaczy wpływ nierównych odstępów jest minimalny, a wpływ niedopasowania długości linii jest znacznie większy na sekwencję czasową (Schemat 3) . Z perspektywy analizy teoretycznej wprawdzie niespójne odstępy będą prowadzić do zmian impedancji różnicowej, ale ponieważ sprzężenie między samą parą różnicową nie jest znaczące, więc zakres zmian impedancji jest również bardzo mały, zwykle w granicach 10%, tylko równoważne do odbicia spowodowanego przez dziurę, które nie wpłynie znacząco na transmisję sygnału. Gdy długość linii jest niedopasowana, oprócz przesunięcia sekwencji czasowej, do sygnału różnicowego wprowadzane są komponenty trybu wspólnego, co obniża jakość sygnału i zwiększa EMI.

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

Błędne przekonanie trzecie: myśl, że linia różnicy musi polegać na bardzo bliskiej odległości. Celem utrzymywania linii różnicowych blisko siebie jest jedynie zwiększenie ich sprzężenia, zarówno w celu poprawy ich odporności na zakłócenia, jak i wykorzystania przeciwnej biegunowości pola magnetycznego do wyeliminowania zakłóceń elektromagnetycznych ze świata zewnętrznego. Chociaż to podejście jest w większości przypadków bardzo korzystne, nie jest absolutne. Jeśli można je w pełni ekranować przed zakłóceniami zewnętrznymi, to nie musimy już osiągać celu przeciwdziałania zakłóceniom i tłumienia EMI poprzez silne sprzężenie ze sobą. Jak zapewnić dobrą izolację i ekranowanie routingu różnicowego? Zwiększanie odległości między liniami a innymi sygnałami to jeden z najbardziej podstawowych sposobów. Energia pola elektromagnetycznego maleje wraz z kwadratową relacją odległości. Ogólnie rzecz biorąc, gdy odległość między liniami jest ponad 4 razy większa od szerokości linii, interferencja między nimi jest bardzo słaba i można ją w zasadzie zignorować. Ponadto izolacja przez płaszczyznę uziemienia może również zapewnić dobry efekt ekranowania. Ta struktura jest często stosowana w projektach obwodów scalonych o wysokiej częstotliwości (powyżej 10G), znanych jako struktura CPW, w celu zapewnienia ścisłej kontroli impedancji różnicowej (2Z0), RYS. 1-8-19.

Routing różnicowy można również przeprowadzić w różnych warstwach sygnału, ale generalnie nie jest to zalecane, ponieważ różnice, takie jak impedancja i otwory przelotowe w różnych warstwach, mogą zniszczyć efekt transmisji w trybie różnicowym i wprowadzić szum w trybie wspólnym. Ponadto, jeśli dwie sąsiednie warstwy nie są ściśle połączone, zdolność różnicowego trasowania do opierania się szumom zostanie zmniejszona, ale przesłuch nie stanowi problemu, jeśli zachowane są odpowiednie odstępy z otaczającym trasowaniem. Na ogólnej częstotliwości (poniżej GHz) EMI nie będzie poważnym problemem. Eksperymenty pokazują, że tłumienie energii promieniowania linii różnicowych o odległości 500Mils powyżej 3 metrów osiągnęło 60dB, co jest wystarczające do spełnienia normy promieniowania ELEKTROMAGNETYCZNEGO FCC. Dlatego projektanci nie muszą się zbytnio martwić o niekompatybilność elektromagnetyczną spowodowaną niewystarczającym sprzężeniem linii różnicowych.

3. serpentynowy

Linia serpentyn jest często używana w Layout. Jego głównym celem jest dostosowanie opóźnienia czasowego i spełnienie wymagań projektowania taktowania systemu. Projektanci powinni najpierw zrozumieć, że przewód serpentynowy niszczy jakość sygnału, zmienia opóźnienie transmisji i należy go unikać podczas okablowania. Jednak w praktycznej konstrukcji, aby zapewnić wystarczający czas podtrzymania sygnałów lub zmniejszyć przesunięcie czasowe między tą samą grupą sygnałów, uzwojenie musi być celowo wykonane.

Więc co robi serpentyna z transmisją sygnału? Na co powinienem zwrócić uwagę idąc po linie? Dwa najbardziej krytyczne parametry to długość sprzężenia równoległego (Lp) i odległość sprzężenia (S), jak pokazano na FIG. 1-8-21. Oczywiście, gdy sygnał jest przesyłany linią serpentynową, nastąpi sprzężenie między równoległymi odcinkami linii w postaci trybu różnicowego. Im mniejszy jest S, tym większy jest Lp i tym większy będzie stopień sprzężenia. Może to skutkować zmniejszeniem opóźnień transmisji i znacznym obniżeniem jakości sygnału z powodu przesłuchu, jak opisano w rozdziale 3 dotyczącym analizy przesłuchów w trybie wspólnym i różnicowym.

Oto kilka wskazówek dla inżynierów układu, którzy mają do czynienia z serpentynami:

1. Spróbuj zwiększyć odległość (S) równoległego odcinka linii, która jest co najmniej większa niż 3H. H odnosi się do odległości od linii sygnałowej do płaszczyzny odniesienia. Ogólnie rzecz biorąc, jest to duża krzywizna. Dopóki S jest wystarczająco duże, można prawie całkowicie uniknąć efektu sprzężenia.

2. Gdy długość sprzężenia Lp jest zmniejszona, generowany przesłuch osiągnie nasycenie, gdy opóźnienie Lp dwukrotnie zbliża się lub przekracza czas narastania sygnału.

3. Opóźnienie transmisji sygnału spowodowane przez wężowatą linię paska lub osadzonego mikropaska jest mniejsze niż w przypadku mikropaska. Teoretycznie linia taśmowa nie wpływa na szybkość transmisji ze względu na przesłuchy w trybie różnicowym.

4. W przypadku linii dużych prędkości i linii sygnałowych o ścisłych wymaganiach dotyczących czasu, staraj się nie chodzić po serpentynach, zwłaszcza na małym obszarze.

5. Często można zastosować serpentynowe prowadzenie pod dowolnym kątem. Struktura C na FIG. 1-8-20 może skutecznie zmniejszyć sprzężenie między sobą.

6. W szybkich projektach PCB serpentyna 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 żadnego innego celu.

7. Czasami można rozważyć uzwojenie spiralne. Symulacja pokazuje, że jego efekt jest lepszy niż normalne uzwojenie serpentynowe.