Rozloženie je jednou z najzákladnejších pracovných zručností pre dizajnérov PCB. Kvalita elektroinštalácie priamo ovplyvní výkon celého systému. Väčšina vysokorýchlostných návrhových teórií musí byť nakoniec implementovaná a overená cez Layout. Je vidieť, že elektroinštalácia je veľmi dôležitá v vysokorýchlostná PCB dizajn. Nasleduje analýza racionality niektorých situácií, ktoré sa môžu vyskytnúť v skutočnom zapojení, a poskytne niekoľko optimalizovaných stratégií smerovania.

Vysvetľuje sa hlavne z troch hľadísk: pravouhlé vedenie, diferenciálne vedenie a hadovité vedenie.

1. Pravouhlé smerovanie

Pravouhlé zapojenie je vo všeobecnosti situáciou, ktorej sa treba pri zapájaní plošných spojov čo najviac vyhýbať a takmer sa stalo jedným zo štandardov na meranie kvality elektroinštalácie. Aký veľký vplyv bude mať teda pravouhlé vedenie na prenos signálu? Pravouhlé smerovanie v zásade zmení šírku prenosového vedenia, čo spôsobí diskontinuitu impedancie. V skutočnosti nielen vedenie v pravom uhle, ale aj rohy a vedenie v ostrých uhloch môže spôsobiť zmeny impedancie.

Vplyv pravouhlého smerovania na signál sa prejavuje najmä v troch aspektoch:

Jedným z nich je, že roh môže byť ekvivalentný kapacitnému zaťaženiu prenosovej linky, čo spomaľuje čas nábehu; druhá je, že impedančná diskontinuita spôsobí odraz signálu; tretí je EMI generovaný pravouhlým hrotom.

Parazitnú kapacitu spôsobenú pravým uhlom prenosového vedenia možno vypočítať podľa nasledujúceho empirického vzorca:

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

Vo vyššie uvedenom vzorci C znamená ekvivalentnú kapacitu rohu (jednotka: pF), W znamená šírku stopy (jednotka: palec), εr znamená dielektrickú konštantu média a Z0 je charakteristická impedancia prenosovej linky. Napríklad pre prenosovú linku 4Mils 50 ohm (εr je 4.3) je kapacita vyvolaná pravým uhlom približne 0.0101 pF a potom možno odhadnúť zmenu doby nábehu spôsobenú týmto:

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

Výpočtom je možné vidieť, že kapacitný efekt spôsobený pravouhlou stopou je extrémne malý.

Keď sa šírka čiary pravouhlej stopy zväčší, impedancia sa zníži, takže dôjde k určitému javu odrazu signálu. Môžeme vypočítať ekvivalentnú impedanciu po zvýšení šírky vedenia podľa vzorca na výpočet impedancie uvedeného v kapitole prenosové vedenie a potom vypočítať koeficient odrazu podľa empirického vzorca:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Vo všeobecnosti je zmena impedancie spôsobená pravouhlým vedením medzi 7% – 20%, takže maximálny koeficient odrazu je približne 0.1. Navyše, ako je možné vidieť na obrázku nižšie, impedancia prenosového vedenia sa zmení na minimum v rámci dĺžky vedenia W/2 a potom sa vráti na normálnu impedanciu po čase W/2. Celý čas zmeny impedancie je extrémne krátky, často do 10 ps. Vo vnútri sú také rýchle a malé zmeny takmer zanedbateľné pre všeobecný prenos signálu.

Mnoho ľudí chápe pravouhlé vedenie. Myslia si, že hrot ľahko prenáša alebo prijíma elektromagnetické vlny a generuje EMI. To sa stalo jedným z dôvodov, prečo si veľa ľudí myslí, že pravouhlé vedenie nemožno viesť. Mnohé skutočné výsledky testov však ukazujú, že pravouhlé stopy nevytvoria zjavné EMI ako priame čiary. Súčasný výkon prístroja a úroveň testu možno obmedzujú presnosť testu, ale prinajmenšom to ilustruje problém. Vyžarovanie pravouhlého vedenia je už menšie ako chyba merania samotného prístroja.

Vo všeobecnosti nie je smerovanie v pravom uhle také hrozné, ako by ste si predstavovali. Prinajmenšom v aplikáciách pod GHz sa pri testovaní TDR takmer neodrážajú akékoľvek vplyvy ako kapacita, odraz, EMI atď. Konštruktéri vysokorýchlostných dosiek plošných spojov by sa mali stále sústrediť na rozloženie, návrh napájania / uzemnenia a návrh zapojenia. Cez diery a iné aspekty. Samozrejme, aj keď vplyv pravouhlého vedenia nie je veľmi vážny, neznamená to, že v budúcnosti budeme môcť všetci používať pravouhlé vedenie. Pozornosť na detail je základnou vlastnosťou, ktorú musí mať každý dobrý inžinier. Navyše, s rýchlym vývojom digitálnych obvodov, PCB Frekvencia signálu spracovaného inžiniermi sa bude naďalej zvyšovať. V oblasti RF dizajnu nad 10 GHz sa tieto malé pravé uhly môžu stať ohniskom problémov s vysokou rýchlosťou.

2. Diferenciálne smerovanie

Diferenciálny signál (DifferentialSignal) sa čoraz viac používa v konštrukcii vysokorýchlostných obvodov. Najkritickejší signál v obvode je často navrhnutý s diferenciálnou štruktúrou. Čo ho robí tak populárnym? Ako zabezpečiť jeho dobrý výkon v dizajne PCB? S týmito dvoma otázkami prejdeme k ďalšej časti diskusie.

Čo je to diferenciálny signál? Laicky povedané, riadiaci koniec vysiela dva rovnaké a invertované signály a prijímací koniec posudzuje logický stav „0“ alebo „1“ porovnaním rozdielu medzi týmito dvoma napätiami. Dvojica stôp nesúcich diferenciálne signály sa nazýva diferenciálne stopy.

V porovnaní s bežnými jednokoncovými signálovými stopami majú diferenciálne signály najzreteľnejšie výhody v nasledujúcich troch aspektoch:

a. Silná schopnosť proti rušeniu, pretože spojenie medzi dvoma diferenciálnymi stopami je veľmi dobré. Keď dôjde k rušeniu šumom zvonku, sú takmer spojené s dvoma linkami súčasne a prijímacia strana sa stará iba o rozdiel medzi týmito dvoma signálmi. Preto je možné úplne zrušiť externý šum spoločného režimu. b. Dokáže účinne potlačiť EMI. Z rovnakého dôvodu sa v dôsledku opačnej polarity týchto dvoch signálov môžu nimi vyžarované elektromagnetické polia navzájom rušiť. Čím tesnejšie je spojenie, tým menej elektromagnetickej energie sa odvádza do vonkajšieho sveta. c. Načasovanie polohy je presné. Pretože zmena spínača rozdielového signálu je umiestnená v priesečníku dvoch signálov, na rozdiel od bežného jednokoncového signálu, ktorého určenie závisí od vysokého a nízkeho prahového napätia, je menej ovplyvnená procesom a teplotou, ktorá môže znížiť chybu v načasovaní. , Ale tiež vhodnejšie pre obvody signálu s nízkou amplitúdou. Súčasný populárny LVDS (lowvoltageddifferentialsignaling) odkazuje na túto technológiu diferenciálneho signálu s malou amplitúdou.

Pre technikov PCB je najväčším záujmom, ako zabezpečiť, aby sa tieto výhody diferenciálneho zapojenia mohli plne využiť v skutočnom zapojení. Možno každý, kto bol v kontakte s Layout, pochopí všeobecné požiadavky diferenciálneho zapojenia, to znamená „rovnaká dĺžka a rovnaká vzdialenosť“. Rovnaká dĺžka má zabezpečiť, aby si dva diferenciálne signály vždy zachovali opačné polarity a znížili zložku spoločného režimu; rovnaká vzdialenosť má zabezpečiť, aby rozdielne impedancie oboch boli konzistentné a znížili odrazy. „Čo najbližšie“ je niekedy jednou z požiadaviek diferenciálneho zapojenia. Všetky tieto pravidlá sa však nepoužívajú na mechanické použitie a zdá sa, že mnohí inžinieri stále nechápu podstatu vysokorýchlostného diferenciálneho prenosu signálu.

Nasledujúci text sa zameriava na niekoľko bežných nedorozumení pri návrhu diferenciálneho signálu PCB.

Nedorozumenie 1: Predpokladá sa, že diferenciálny signál nepotrebuje základnú rovinu ako spätnú cestu, alebo že diferenciálne stopy si navzájom poskytujú spätnú cestu. Dôvodom tohto nedorozumenia je, že sú zmätení povrchovými javmi, alebo mechanizmus vysokorýchlostného prenosu signálu nie je dostatočne hlboký. Zo štruktúry prijímacieho konca na obrázku 1-8-15 je zrejmé, že emitorové prúdy tranzistorov Q3 a Q4 sú rovnaké a opačné a ich prúdy na zemi sa navzájom presne rušia (I1=0), takže diferenciálny obvod je Podobné odrazy a iné šumové signály, ktoré môžu existovať na napájacej a uzemňovacej rovine, sú necitlivé. Čiastočné spätné zrušenie základnej roviny neznamená, že diferenciálny obvod nepoužíva referenčnú rovinu ako spätnú dráhu signálu. V skutočnosti pri analýze spätného signálu je mechanizmus diferenciálneho zapojenia a bežného jednokoncového vedenia rovnaký, to znamená, že vysokofrekvenčné signály sú vždy pretečené pozdĺž slučky s najmenšou indukčnosťou, najväčší rozdiel je v tom, že okrem spojka so zemou, diferenciálna linka má tiež vzájomnú väzbu. Ktorý druh spojenia je silný, ktorý sa stáva hlavnou spätnou cestou. Obrázok 1-8-16 je schematický diagram distribúcie geomagnetického poľa signálov s jedným zakončením a diferenciálnych signálov.

Pri návrhu obvodov PCB je väzba medzi diferenciálnymi stopami vo všeobecnosti malá, často predstavuje iba 10 až 20 % stupňa väzby a väčšia je väzba k zemi, takže hlavná spätná dráha diferenciálnej stopy stále existuje na zemi. lietadlo . Keď je základná rovina nespojitá, spojenie medzi dráhami diferenciálu poskytne hlavnú spätnú cestu v oblasti bez referenčnej roviny, ako je znázornené na obrázku 1-8-17. Hoci vplyv diskontinuity referenčnej roviny na diferenciálnu stopu nie je taký závažný ako vplyv obyčajnej jednokoncovej stopy, stále to zníži kvalitu diferenciálneho signálu a zvýši EMI, čomu by sa malo čo najviac vyhnúť. . Niektorí konštruktéri sa domnievajú, že referenčnú rovinu pod dráhou diferenciálu možno odstrániť, aby sa potlačili niektoré signály spoločného režimu v diferenciálnom prevode. Tento prístup však teoreticky nie je žiaduci. Ako ovládať impedanciu? Neposkytnutie uzemňovacej impedančnej slučky pre signál spoločného režimu nevyhnutne spôsobí EMI žiarenie. Tento prístup prináša viac škody ako úžitku.

Nedorozumenie 2: Verí sa, že dodržanie rovnakých medzier je dôležitejšie ako zhoda dĺžky riadku. V skutočnom usporiadaní DPS často nie je možné súčasne splniť požiadavky diferenciálneho dizajnu. Vzhľadom na existenciu rozmiestnenia kolíkov, priechodov a káblového priestoru musí byť účel prispôsobenia dĺžky vedenia dosiahnutý správnym vinutím, ale výsledkom musí byť, že niektoré oblasti diferenciálneho páru nemôžu byť paralelné. Čo by sme mali v tomto čase robiť? Ktorá voľba? Pred vyvodením záverov sa pozrime na nasledujúce výsledky simulácie.

Z vyššie uvedených výsledkov simulácie je možné vidieť, že priebehy schémy 1 a schémy 2 sú takmer zhodné, to znamená, že vplyv spôsobený nerovnakým rozstupom je minimálny. V porovnaní s tým je vplyv nesúladu dĺžky riadku na načasovanie oveľa väčší. (Schéma 3). Z teoretickej analýzy, hoci nekonzistentný rozstup spôsobí zmenu diferenciálnej impedancie, pretože väzba medzi samotným diferenciálnym párom nie je významná, rozsah zmeny impedancie je tiež veľmi malý, zvyčajne do 10 %, čo je ekvivalentné iba jednému prechodu. . Odraz spôsobený otvorom nebude mať významný vplyv na prenos signálu. Akonáhle sa dĺžka linky nezhoduje, okrem časového posunu sa do diferenciálneho signálu zavedú zložky spoločného režimu, čo znižuje kvalitu signálu a zvyšuje EMI.

Dá sa povedať, že najdôležitejším pravidlom pri návrhu diferenciálnych stôp DPS je zhodná dĺžka linky a ostatné pravidlá je možné flexibilne riešiť podľa požiadaviek na dizajn a praktických aplikácií.

Nedorozumenie 3: Myslite na to, že vedenie diferenciálu musí byť veľmi blízko. Udržiavanie diferenciálnych stôp v tesnej blízkosti nie je nič iné, ako zlepšiť ich spojenie, čo môže nielen zlepšiť odolnosť voči hluku, ale tiež plne využiť opačnú polaritu magnetického poľa na kompenzáciu elektromagnetického rušenia vonkajšieho sveta. Hoci je tento prístup vo väčšine prípadov veľmi výhodný, nie je absolútny. Ak dokážeme zabezpečiť, že sú plne tienené pred vonkajším rušením, potom na dosiahnutie rušenia nemusíme použiť silnú väzbu. A účel potlačenia EMI. Ako môžeme zabezpečiť dobrú izoláciu a tienenie diferenciálnych stôp? Zväčšenie rozostupu s inými stopami signálu je jedným z najzákladnejších spôsobov. Energia elektromagnetického poľa klesá so štvorcom vzdialenosti. Vo všeobecnosti, keď riadkovanie presiahne 4-násobok šírky riadku, interferencia medzi nimi je extrémne slabá. Dá sa ignorovať. Okrem toho izolácia od základnej roviny môže tiež zohrávať dobrú tieniacu úlohu. Táto štruktúra sa často používa vo vysokofrekvenčnom (nad 10G) návrhu PCB balíka IC. Nazýva sa to štruktúra CPW, ktorá dokáže zabezpečiť prísnu diferenciálnu impedanciu. Kontrola (2Z0), ako je znázornené na obrázku 1-8-19.

Diferenciálne stopy môžu tiež bežať v rôznych vrstvách signálu, ale táto metóda sa vo všeobecnosti neodporúča, pretože rozdiely v impedancii a priechodoch produkovaných rôznymi vrstvami zničia účinok prenosu v diferenciálnom režime a zavedú šum spoločného režimu. Okrem toho, ak susedné dve vrstvy nie sú pevne spojené, zníži sa schopnosť diferenciálnej stopy odolávať šumu, ale ak dokážete udržať správnu vzdialenosť od okolitých stôp, presluchy nie sú problémom. Pri všeobecných frekvenciách (pod GHz) nebude EMI vážny problém. Experimenty ukázali, že útlm vyžarovanej energie vo vzdialenosti 500 mil od diferenciálnej stopy dosiahol 60 dB vo vzdialenosti 3 metrov, čo je dostatočné na splnenie normy FCC pre elektromagnetické vyžarovanie, takže projektant sa tiež nemusí obávať veľa o elektromagnetickej nekompatibilite spôsobenej nedostatočnou diferenciálnou väzbou vedenia.

3. Hadovitá línia

Snake line je typ metódy smerovania, ktorý sa často používa v Layout. Jeho hlavným účelom je upraviť oneskorenie tak, aby vyhovovalo požiadavkám návrhu časovania systému. Dizajnér musí najprv pochopiť toto: hadovitá linka zničí kvalitu signálu, zmení oneskorenie prenosu a pokúsi sa vyhnúť jej použitiu pri zapájaní. Avšak v skutočnom dizajne, aby sa zabezpečilo, že signál má dostatočný čas zdržania alebo aby sa znížil časový posun medzi rovnakou skupinou signálov, je často potrebné úmyselne navinúť drôt.

Aký vplyv má teda hadovitá čiara na prenos signálu? Na čo si mám dať pozor pri zapájaní? Dva najkritickejšie parametre sú dĺžka paralelného spojenia (Lp) a vzdialenosť spojenia (S), ako je znázornené na obrázku 1-8-21. Je zrejmé, že keď je signál prenášaný na serpentínovej stope, segmenty paralelnej čiary budú spojené v diferenciálnom režime. Čím menšie je S a čím väčšie je Lp, tým väčší je stupeň väzby. Môže to spôsobiť skrátenie oneskorenia prenosu a výrazne zníženú kvalitu signálu v dôsledku presluchov. Mechanizmus sa môže odvolávať na analýzu bežného a diferenciálneho presluchu v kapitole 3.

Nasleduje niekoľko návrhov pre inžinierov rozloženia pri práci so serpentínovými čiarami:

1. Skúste zväčšiť vzdialenosť (S) paralelných úsečiek, aspoň väčšiu ako 3H, H sa vzťahuje na vzdialenosť od stopy signálu k referenčnej rovine. Laicky povedané, je to prejsť veľkou zákrutou. Pokiaľ je S dostatočne veľké, vzájomnému väzbovému efektu sa možno takmer úplne vyhnúť. 2. Znížte dĺžku spojky Lp. Keď sa dvojnásobné oneskorenie Lp priblíži alebo prekročí čas nárastu signálu, generované presluchy dosiahnu saturáciu. 3. Oneskorenie prenosu signálu spôsobené serpentínovou líniou Strip-Line alebo Embedded Micro-strip je menšie ako oneskorenie mikropásika. Teoreticky páskové vedenie neovplyvní prenosovú rýchlosť v dôsledku presluchu v diferenciálnom režime. 4. Pre vysokorýchlostné signálne vedenia a pre tie s prísnymi požiadavkami na časovanie sa snažte nepoužívať hadovité vedenia, najmä v malých oblastiach. 5. Často môžete použiť serpentínové stopy v akomkoľvek uhle, ako je C štruktúra na obrázku 1-8-20, čo môže účinne znížiť vzájomné spojenie. 6. Vo vysokorýchlostnom dizajne PCB nemá serpentínová linka takzvanú filtračnú alebo antiinterferenčnú schopnosť a môže iba znížiť kvalitu signálu, takže sa používa iba na prispôsobenie časovania a nemá žiadny iný účel. 7. Niekedy môžete zvážiť špirálové smerovanie pre navíjanie. Simulácia ukazuje, že jeho účinok je lepší ako pri normálnom hadovom smerovaní.