Aspectul este una dintre cele mai de bază abilități de lucru ale Design PCB inginer. Calitatea cablajului va afecta în mod direct performanța întregului sistem, cea mai mare parte a teoriei proiectării de mare viteză trebuie să fie realizată și verificată în cele din urmă prin Layout, astfel încât se poate vedea că cablarea este crucială în proiectarea PCB de mare viteză. Următoarele vor fi avute în vedere că cablajul real poate întâlni anumite situații, analiza raționalității sale și poate oferi o strategie de rutare mai optimizată. În principal de la linia unghiului drept, linia diferențială, linia șarpelui și așa mai departe, trei aspecte de elaborat.

1. Linie dreptunghiulară

Cablarea cu unghi drept este, în general, necesară pentru a evita situația în cablarea PCB și a devenit aproape unul dintre standardele de măsurare a calității cablării, deci cât de mult impact va avea cablajul cu unghi drept asupra transmiterii semnalului? În principiu, cablajul cu unghi drept va schimba lățimea liniei de transmisie, rezultând întreruperea impedanței. De fapt, nu numai linia unghiului drept, tonul unghiului, linia unghiului acut pot provoca modificări ale impedanței.

Influența alinierii unghiului drept asupra semnalului se reflectă în principal în trei aspecte: în primul rând, colțul poate fi echivalent cu sarcina capacitivă pe linia de transmisie, încetinind timpul de creștere; În al doilea rând, discontinuitatea impedanței va provoca reflectarea semnalului; În al treilea rând, EMI generat de vârful unghiului drept.

Capacitatea parazitară cauzată de unghiul drept al liniei de transmisie poate fi calculată prin următoarea formulă empirică:

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

În formula de mai sus, C se referă la capacitatea echivalentă la colț (pF), W se referă la lățimea liniei (inch), ε R se referă la constanta dielectrică a mediului și Z0 este impedanța caracteristică a transmisiei linia. De exemplu, pentru o linie de transmisie 4Mils 50 ohm (εr 4.3), capacitatea unui unghi drept este de aproximativ 0.0101pF, iar variația timpului de creștere poate fi estimată:

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

Din calcul se poate observa că efectul de capacitate adus de cablarea în unghi drept este extrem de mic.

Pe măsură ce lățimea liniei unghiului drept crește, impedanța în acest punct va scădea, deci va exista un anumit fenomen de reflectare a semnalului. Putem calcula impedanța echivalentă după creșterea lățimii liniei conform formulei de calcul a impedanței menționată în secțiunea liniilor de transmisie și apoi calculăm coeficientul de reflecție conform formulei empirice: ρ = (Zs-Z0) / (Zs + Z0), cablarea generală cu unghi drept care duce la modificări de impedanță între 7% -20%, deci coeficientul maxim de reflexie este de aproximativ 0.1. Mai mult, așa cum se poate vedea din figura de mai jos, impedanța liniei de transmisie se schimbă la minim în lungimea liniei W / 2 și apoi se restabilește la impedanța normală după timpul W / 2. Timpul pentru întreaga schimbare a impedanței este foarte scurt, de obicei în decurs de 10 ps. O astfel de schimbare rapidă și mică este aproape neglijabilă pentru transmisia generală a semnalului.

Mulți oameni au o astfel de înțelegere a rutei în unghi drept, crezând că vârful este ușor de emis sau recepționat unde electromagnetice și produce EMI, care a devenit unul dintre motivele pentru care mulți oameni consideră că rutare în unghi drept nu este posibilă. Cu toate acestea, multe rezultate practice ale testelor arată că linia unghiului drept nu produce mult EMI decât linia dreaptă. Poate că performanța actuală a instrumentului și nivelul de testare restricționează acuratețea testului, dar cel puțin arată că radiația liniei unghiului drept este mai mică decât eroarea de măsurare a instrumentului în sine. În general, alinierea unghiului drept nu este atât de cumplită pe cât ar părea. Cel puțin în aplicații sub GHz, orice efecte, cum ar fi capacitatea, reflexia, EMI etc., aproape că nu sunt reflectate în testele TDR. Inginerul de proiectare a PCB-urilor de mare viteză ar trebui să se concentreze asupra aspectului, proiectării puterii / solului, proiectării cablajelor, perforației etc. Deși, desigur, efectele liniei dreptunghiulare go nu sunt foarte grave, dar nu înseamnă că putem merge pe unghiul drept, atenția la detalii este calitatea esențială pentru fiecare inginer bun și, odată cu dezvoltarea rapidă a circuitelor digitale , Inginerii PCB care procesează frecvența semnalului vor continua, de asemenea, să se îmbunătățească, la peste 10 GHZ domeniu de proiectare RF, Aceste mici unghiuri drepte pot deveni punctul central al problemelor de mare viteză.

2. Diferența de

Semnalul diferențial este utilizat pe scară largă în proiectarea circuitelor de mare viteză. Cel mai important semnal dintr-un circuit este proiectarea diferențială a semnalului. Cum să îi asigurați performanțele bune în proiectarea PCB-urilor? Având în vedere aceste două întrebări, trecem la următoarea parte a discuției noastre.

Ce este un semnal diferențial? În engleză simplă, șoferul trimite două semnale echivalente și inversante, iar receptorul compară diferența dintre cele două tensiuni pentru a determina dacă starea logică este „0” sau „1”. Perechea de fire care transportă semnale diferențiale se numește fire diferențiale.

Comparativ cu rutarea obișnuită a semnalului cu un singur capăt, semnalul diferențial are cele mai evidente avantaje în următoarele trei aspecte:

A. Capacitate puternică de anti-interferență, deoarece cuplarea dintre două linii diferențiale este foarte bună, atunci când există interferențe de zgomot, acestea sunt aproape cuplate la două linii în același timp, iar receptorului îi pasă doar de diferența dintre cele două semnale, astfel încât zgomotul extern în modul comun poate fi anulat complet.

B. Poate suprima în mod eficient EMI. În mod similar, deoarece două semnale sunt de polaritate opusă, câmpul electromagnetic radiat de acestea se poate anula reciproc. Cu cât este mai aproape cuplajul, cu atât este mai puțină energie electromagnetică eliberată în lumea exterioară.

C. Poziționarea sincronizării este precisă. Deoarece schimbarea de comutare a semnalelor diferențiale este localizată la intersecția a două semnale, spre deosebire de semnalele obișnuite cu un singur capăt care sunt evaluate de tensiunile de prag ridicate și mici, este mai puțin afectată de proces și temperatură, care poate reduce erorile de sincronizare și este mai potrivită pentru circuite cu semnale de amplitudine redusă. LVDS (semnal diferențial de tensiune joasă) se referă la această tehnologie de semnal diferențial de mică amplitudine.

Pentru inginerii PCB, cea mai importantă preocupare este cum să ne asigurăm că aceste avantaje ale rutei diferențiale pot fi utilizate pe deplin în rutare reală. Poate atâta timp cât este în contact cu Layout, oamenii vor înțelege cerințele generale ale rutei diferențiale, adică „lungime egală, distanță egală”. Izometric este de a se asigura că cele două semnale diferențiale mențin întotdeauna polaritatea opusă, reduc componenta modului comun; Izometric este în principal pentru a asigura aceeași impedanță diferențială, pentru a reduce reflexia. „Cât mai aproape posibil” este uneori una dintre cerințele pentru rutare diferențială. Dar niciuna dintre aceste reguli nu este menită să fie aplicată mecanic și mulți ingineri nu par să înțeleagă natura semnalizării diferențiale de mare viteză. Următoarele se concentrează pe mai multe greșeli comune în proiectarea semnalului diferențial PCB.

Concepție greșită 1: semnalele diferențiale nu au nevoie de planul de masă ca cale de reflux sau cred că liniile diferențiale oferă cale de reflux reciproc. Cauza acestei neînțelegeri este confundată de fenomenul de suprafață sau mecanismul de transmitere a semnalului de mare viteză nu este suficient de profund. După cum se poate vedea din structura capătului de recepție din FIG. 1-8-15, curenții emițătorilor tranzistoarelor Q3 și Q4 sunt echivalenți și opuși, iar curentul lor la joncțiune se anulează reciproc (I1 = 0). Prin urmare, circuitul diferențial este insensibil la proiecțiile de sol similare și la alte semnale de zgomot care pot exista în sursa de alimentare și în planul de masă. Anularea parțială a fluxului de retrocedare a planului de masă nu înseamnă că circuitul diferențial nu ia planul de referință ca cale de întoarcere a semnalului. De fapt, în analiza refluxului semnalului, mecanismul de rutare diferențială este același cu cel al rutare obișnuită cu un singur capăt, și anume

Semnalul de frecvență revine întotdeauna de-a lungul circuitului cu cea mai mică inductanță. Cea mai mare diferență constă în faptul că linia de diferență nu numai că are cuplare la sol, ci are și cuplare între ele. Cuplajul puternic devine calea principală de reflux.

În proiectarea circuitelor PCB, cuplarea între cablajul diferențial este în general mică, reprezentând de obicei doar 10 ~ 20% din gradul de cuplare, iar cea mai mare parte a cuplajului este la sol, astfel încât calea principală de refluere a cablajului diferențial există încă la sol avion. În cazul discontinuității în plan local, cuplarea între traseele diferențiale oferă calea principală de reflux în regiune fără plan de referință, așa cum se arată în FIG. 1-8-17. Deși impactul discontinuității planului de referință asupra cablajului diferențial nu este la fel de grav ca cel al cablajului obișnuit cu un singur capăt, acesta va reduce în continuare calitatea semnalului diferențial și va crește EMI, care ar trebui evitat pe cât posibil. Unii designeri cred că planul de referință al liniei de transmisie diferențială poate fi eliminat pentru a suprima o parte a semnalului de mod comun în transmisia diferențială, dar teoretic această abordare nu este de dorit. Cum se controlează impedanța? Fără a oferi o buclă de impedanță la sol pentru semnalul în modul comun, radiația EMI este obligată să fie cauzată, ceea ce face mai mult rău decât bine.

Mitul 2: Menținerea unei distanțe egale este mai importantă decât potrivirea lungimii liniei. În cablajul real al PCB-ului, deseori nu poate îndeplini cerințele de proiectare diferențială. Datorită distribuției pinilor, găurilor și spațiului de cablare și altor factori, este necesar să se atingă scopul potrivirii lungimii liniei printr-o înfășurare adecvată, dar rezultatul este inevitabil o parte a perechii de diferențe care nu poate fi paralelă, în acest moment, cum a alege? Înainte de a trece la concluzii, să aruncăm o privire asupra următoarelor rezultate ale simulării. Din rezultatele simulării de mai sus se poate observa că formele de undă ale schemei 1 și Schemei 2 aproape coincid, adică influența distanței inegale este minimă, iar influența nepotrivirii lungimii liniei este mult mai mare asupra secvenței de sincronizare (Schema 3) . Din perspectiva analizei teoretice, deși distanța incoerentă va duce la modificări ale impedanței diferenței, ci pentru că cuplarea dintre perechea diferenței în sine nu este semnificativă, deci intervalul modificărilor de impedanță este, de asemenea, foarte mic, de obicei în limita a 10%, doar echivalent la o reflexie cauzată de o gaură, care nu va provoca un impact semnificativ asupra transmiterii semnalului. Odată ce lungimea liniei este nepotrivită, pe lângă compensarea secvenței de timp, componentele modului comun sunt introduse în semnalul diferențial, ceea ce reduce calitatea semnalului și crește EMI.

Se poate spune că cea mai importantă regulă în proiectarea cablajului diferențial PCB este de a se potrivi cu lungimea liniei, iar alte reguli pot fi manipulate flexibil în funcție de cerințele de proiectare și aplicațiile practice.

Înțelegerea greșită trei: cred că diferența trebuie să se bazeze pe foarte aproape. Scopul păstrării liniilor de diferență apropiate nu este altceva decât creșterea cuplării lor, atât pentru a-și îmbunătăți imunitatea la zgomot, cât și pentru a profita de polaritatea opusă a câmpului magnetic pentru a anula interferențele electromagnetice din lumea exterioară. Deși această abordare este foarte favorabilă în majoritatea cazurilor, nu este absolută. Dacă pot fi protejate complet de interferențele externe, atunci nu mai trebuie să atingem scopul anti-interferențelor și al suprimării EMI printr-o cuplare puternică între ele. Cum să ne asigurăm că rutare diferențială are o bună izolare și ecranare? Creșterea distanței dintre linii și alte semnale este una dintre cele mai elementare modalități. Energia câmpului electromagnetic scade odată cu relația pătrată a distanței. În general, atunci când distanța dintre linii este mai mare de 4 ori lățimea liniei, interferența dintre ele este extrem de slabă și poate fi ignorată practic. În plus, izolarea prin planul de masă poate oferi și un bun efect de protecție. Această structură este adesea utilizată în modele de PCB ambalate cu frecvență înaltă (peste 10G), cunoscute sub numele de structură CPW, pentru a asigura un control strict al impedanței diferențiale (2Z0), FIG. 1-8-19.

Rutarea diferențială poate fi efectuată și în diferite straturi de semnal, dar în general acest lucru nu este recomandat, deoarece diferențe precum impedanța și găurile prin straturi diferite pot distruge efectul de transmisie în mod diferențial și pot introduce zgomot în modul comun. În plus, dacă cele două straturi adiacente nu sunt strâns cuplate, capacitatea rutei diferențiale de a rezista la zgomot va fi redusă, dar diafragma nu este o problemă dacă spațiul adecvat este menținut cu rutare înconjurătoare. În frecvența generală (sub GHz), EMI nu va fi o problemă serioasă. Experimentele arată că atenuarea energiei radiaționale a liniilor diferențiale cu o distanță de 500Mils peste 3 metri a ajuns la 60dB, ceea ce este suficient pentru a îndeplini standardul de radiații ELECTROMAGNETIC al FCC. Prin urmare, proiectanții nu trebuie să se îngrijoreze prea mult de incompatibilitatea electromagnetică cauzată de cuplarea insuficientă a liniilor diferențiale.

3. serpentin

O linie serpentină este adesea utilizată în Layout. Scopul său principal este de a regla întârzierea și de a îndeplini cerințele proiectării de sincronizare a sistemului. Proiectanții ar trebui să înțeleagă mai întâi că firul serpentin va distruge calitatea semnalului, va schimba întârzierea transmisiei și ar trebui să fie evitat la cablare. Cu toate acestea, în proiectarea practică, pentru a asigura suficient timp de reținere a semnalelor sau pentru a reduce decalajul de timp între același grup de semnale, înfășurarea trebuie efectuată în mod deliberat.

Deci, ce face serpentina pentru a transmite semnalul? La ce ar trebui să fiu atent când merg pe linie? Cei mai importanți doi parametri sunt lungimea de cuplare paralelă (Lp) și distanța de cuplare (S), așa cum se arată în FIG. 1-8-21. Evident, atunci când semnalul este transmis în linie serpentină, va exista cuplare între segmente de linie paralele sub forma diferenței. Cu cât S este mai mic, cu atât este mai mare Lp și gradul de cuplare va fi mai mare. Acest lucru poate avea ca rezultat întârzieri de transmisie reduse și o reducere semnificativă a calității semnalului datorată diafragmei, așa cum este descris în capitolul 3 pentru analiza diafragmei în modul comun și diferențial.

Iată câteva sfaturi pentru inginerii de aspect atunci când se ocupă de serpentine:

1. Încercați să măriți distanța (S) a segmentului de linie paralelă, care este cel puțin mai mare de 3H. H se referă la distanța de la linia de semnal la planul de referință. În general, este să ia o curbă mare. Atâta timp cât S este suficient de mare, efectul de cuplare poate fi aproape complet evitat.

2. Când lungimea de cuplare Lp este redusă, diafragma generată va ajunge la saturație atunci când întârzierea Lp se apropie de două ori sau depășește timpul de creștere a semnalului.

3. Întârzierea transmiterii semnalului cauzată de linia de șarpe ca linie de bandă sau microbanda încorporată este mai mică decât cea a microbanda. Teoretic, linia de panglică nu afectează rata de transmisie din cauza diafragmei în mod diferențial.

4. Pentru liniile de semnal și de mare viteză cu cerințe stricte de sincronizare, încercați să nu mergeți pe liniile serpentine, mai ales într-o zonă mică.

5. Direcția serpentină la orice unghi poate fi adesea adoptată. Structura C din FIG. 1-8-20 poate reduce efectiv cuplajul între ele.

6. În proiectarea PCB de mare viteză, serpentina nu are așa-numita capacitate de filtrare sau anti-interferență și poate reduce numai calitatea semnalului, deci este utilizată doar pentru potrivirea temporală și nu are alt scop.

7. Uneori poate fi luată în considerare înfășurarea spirală. Simularea arată că efectul său este mai bun decât înfășurarea normală a serpentinei.