Rozloženie je jednou z najzákladnejších pracovných zručností Dizajn DPS inžinier. Kvalita zapojenia priamo ovplyvní výkon celého systému, väčšina teórie vysokorýchlostného návrhu musí byť nakoniec zrealizovaná a overená spoločnosťou Layout, takže je vidieť, že zapojenie je pri vysokorýchlostnom návrhu DPS kľúčové. Nasledujúci text bude so zreteľom na skutočné zapojenie, s ktorým sa môžu v niektorých situáciách stretnúť, analýza jeho racionality a poskytnutie optimalizovanejšej stratégie smerovania. Hlavne z pravej uhlovej čiary, rozdielovej čiary, hadej čiary a tak ďalej na troch aspektoch na vypracovanie.

1. Obdĺžniková čiara prechodu

Na zamedzenie situácie v kabeláži plošných spojov sa spravidla vyžaduje uhlové vedenie a takmer sa stalo jedným zo štandardov na meranie kvality vedenia, takže aký vplyv bude mať pravouhlé vedenie na prenos signálu? V zásade platí, že uhlové vedenie zmení šírku vedenia prenosovej linky, čo má za následok diskontinuitu impedancie. V skutočnosti môže nielen impedancia čiary pravého uhla, tonového uhla, akútneho uhla spôsobiť zmeny impedancie.

Vplyv zarovnania pravého uhla na signál sa prejavuje hlavne v troch aspektoch: po prvé, roh môže byť ekvivalentný kapacitnému zaťaženiu prenosovej linky, čím sa spomaľuje čas nábehu; Za druhé, diskontinuita impedancie spôsobí odraz signálu; Po tretie, EMI generované špičkou pravého uhla.

Parazitickú kapacitu spôsobenú pravým uhlom prenosovej linky je možné vypočítať podľa nasledujúceho empirického vzorca:

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

Vo vyššie uvedenom vzorci C označuje ekvivalentnú kapacitu v rohu (pF), W označuje šírku čiary (palce), ε R označuje dielektrickú konštantu média a Z0 je charakteristická impedancia prenosu. riadok. Napríklad pre prenosovú linku 4 Mils 50 ohm (εr 4.3) je kapacita pravého uhla asi 0.0101 pF a odchýlku doby nábehu je možné odhadnúť:

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

Z výpočtu je zrejmé, že kapacitný efekt pravouhlého zapojenia je extrémne malý.

So zvyšujúcou sa šírkou čiary pravouhlých čiar sa impedancia v tomto mieste zníži, takže dôjde k určitému javu odrazu signálu. Ekvivalentnú impedanciu môžeme vypočítať po zvýšení šírky vedenia podľa vzorca na výpočet impedancie uvedeného v časti prenosových vedení a potom vypočítať koeficient odrazu podľa empirického vzorca: ρ = (Zs-Z0)/(Zs+Z0), všeobecné pravouhlé vedenie vedúce k zmenám impedancie medzi 7%-20%, takže maximálny koeficient odrazu je asi 0.1. Navyše, ako je zrejmé z nižšie uvedeného obrázku, impedancia prenosového vedenia sa zmení na minimum v dĺžke vedenia W/2 a potom sa po čase W/2 obnoví na normálnu impedanciu. Čas na celú zmenu impedancie je veľmi krátky, zvyčajne do 10 s. Takáto rýchla a malá zmena je pre všeobecný prenos signálu takmer zanedbateľná.

Mnoho ľudí má také porozumenie smerovaniu pod pravým uhlom a verí, že hrot je možné ľahko vysielať alebo prijímať elektromagnetické vlny a vytvárať EMI, čo sa stalo jedným z dôvodov, prečo si mnoho ľudí myslí, že smerovanie v pravom uhle nie je možné. Mnoho výsledkov praktických testov však ukazuje, že pravouhlá čiara nevytvára veľa EMI ako priamka. Aktuálny výkon prístroja a úroveň testu možno obmedzujú presnosť testu, ale aspoň ukazujú, že vyžarovanie pravouhlých čiar je menšie ako chyba merania samotného prístroja. Zarovnanie pravého uhla nie je vo všeobecnosti také hrozné, ako by sa mohlo zdať. Minimálne v aplikáciách pod GHz sa akékoľvek efekty ako kapacita, odraz, EMI atď. Takmer neodrážajú v testoch TDR. Konštruktér vysokorýchlostných plošných spojov by sa mal zamerať na rozloženie, návrh napájania/uzemnenia, návrh zapojenia, perforáciu atď. Aj keď, samozrejme, účinky obdĺžnikovej čiary nie sú veľmi závažné, neznamená to však, že môžeme kráčať po priamke, ale zmysel pre detail je základnou vlastnosťou každého dobrého inžiniera a s rýchlym rozvojom digitálnych obvodov „Inžinieri PCB spracovania frekvencie signálu sa budú aj naďalej zlepšovať, a to na viac ako 10 návrhových polí RF na GHZ, Tieto malé pravé uhly sa môžu stať ohniskom problémov s vysokou rýchlosťou.

2. Rozdiel v

Diferenčný signál sa široko používa v návrhu vysokorýchlostných obvodov. Najdôležitejším signálom v obvode je dizajn diferenciálneho signálu. Ako zaistiť dobrý výkon pri návrhu DPS? S ohľadom na tieto dve otázky prechádzame k ďalšej časti našej diskusie.

Čo je to diferenciálny signál? V jednoduchej angličtine vodič vyšle dva ekvivalentné a invertujúce signály a prijímač porovná rozdiel medzi týmito dvoma napätiami a určí, či je logický stav „0“ alebo „1“. Dvojica drôtov prenášajúcich diferenciálne signály sa nazýva diferenciálne vodiče.

V porovnaní s bežným smerovaním signálu s jedným koncom má diferenciálny signál najzrejmejšie výhody v nasledujúcich troch aspektoch:

A. Silná schopnosť proti rušeniu, pretože spojenie medzi dvoma diferenciálnymi vedeniami je veľmi dobré, keď dochádza k rušeniu šumom, sú takmer spojené súčasne s dvoma vedeniami a prijímač sa stará iba o rozdiel medzi týmito dvoma signálmi, takže vonkajší šum v spoločnom režime je možné úplne zrušiť.

B. Môže účinne potlačiť EMI. Podobne, pretože dva signály majú opačnú polaritu, nimi vyžarované elektromagnetické pole sa môže navzájom rušiť. Čím bližšie je spojenie, tým menej elektromagnetickej energie sa uvoľňuje do vonkajšieho sveta.

C. Polohovanie načasovania je presné. Pretože prepínacia zmena diferenciálnych signálov je umiestnená v priesečníku dvoch signálov, na rozdiel od bežných signálov s jedným koncom, ktoré sú posudzované podľa vysokého a nízkeho prahového napätia, je menej ovplyvnená procesom a teplotou, čo môže znížiť chyby časovania a je vhodnejšie pre obvody so signálmi s nízkou amplitúdou. LVDS (signalizácia signálu s nízkym napätím) sa týka tejto technológie diferenciálneho signálu s malou amplitúdou.

Pre technikov plošných spojov je najdôležitejšou starosťou to, ako zabezpečiť, aby tieto výhody diferenciálneho smerovania mohli byť plne využité v skutočnom smerovaní. Snáď pokiaľ bude v kontakte s Layoutom, ľudia pochopia všeobecné požiadavky na diferenciálne smerovanie, to znamená „rovnakú dĺžku, rovnakú vzdialenosť“. Izometrický má zaistiť, aby dva diferenciálne signály vždy udržiavali opačnú polaritu, redukovať komponent spoločného režimu; Izometrický má predovšetkým zaistiť rovnakú diferenciálnu impedanciu, znížiť odraz. „Čo najbližšie“ je niekedy jednou z požiadaviek na diferenciálne smerovanie. Žiadne z týchto pravidiel však nemá byť aplikované mechanicky a zdá sa, že mnohí inžinieri nechápu povahu vysokorýchlostnej diferenciálnej signalizácie. Nasledujúci text sa zameriava na niekoľko bežných chýb pri návrhu diferenciálneho signálu PCB.

Mylná predstava 1: Diferenciálne signály nepotrebujú ako cestu spätného toku základnú rovinu, alebo si myslia, že diferenciálne čiary si navzájom poskytujú cestu spätného toku. Príčinu tohto nedorozumenia zamieňa povrchový jav alebo mechanizmus vysokorýchlostného prenosu signálu nie je dostatočne hlboký. Ako je zrejmé zo štruktúry úložného konca na obr. 1-8-15, vysielacie prúdy tranzistorov Q3 a Q4 sú ekvivalentné a opačné a ich prúd na križovatke sa navzájom presne ruší (I1 = 0). Preto je diferenciálny obvod necitlivý na podobné projektory zeme a iné šumové signály, ktoré môžu existovať v napájacom zdroji a v uzemňovacej rovine. Čiastočné zrušenie spätného toku základnej roviny neznamená, že diferenciálny obvod neberie referenčnú rovinu ako cestu návratu signálu. V skutočnosti je pri analýze spätného toku signálu mechanizmus diferenciálneho smerovania rovnaký ako pri bežnom smerovaní na jednom konci, a to vysoký

Frekvenčný signál vždy prúdi späť po obvode s najmenšou indukčnosťou. Najväčší rozdiel spočíva v tom, že rozdielová čiara má nielen spojenie so zemou, ale tiež má spojenie medzi sebou. Silná spojka sa stáva hlavnou cestou spätného toku.

V konštrukcii obvodov plošných spojov je spojka medzi diferenciálnym zapojením spravidla malá, zvyčajne predstavuje iba 10 ~ 20% stupňa spojenia a väčšina spojky je so zemou, takže hlavná spätná cesta diferenciálneho vedenia stále existuje v zemi. lietadlo. V prípade nespojitosti v miestnej rovine poskytuje spojenie medzi diferenciálnymi trasami hlavnú cestu spätného toku v oblasti bez referenčnej roviny, ako je znázornené na obr. 1-8-17. Napriek tomu, že vplyv diskontinuity referenčnej roviny na diferenciálne vedenie nie je taký vážny ako vplyv bežného zapojenia na jednom konci, stále zníži kvalitu diferenciálneho signálu a zvýši EMI, čomu by sa malo pokiaľ možno vyhnúť. Niektorí konštruktéri sa domnievajú, že referenčnú rovinu línie diferenciálneho prenosu je možné odstrániť, aby sa potlačila časť signálu spoločného režimu v diferenciálnom prenose, ale teoreticky tento prístup nie je žiaduci. Ako ovládať impedanciu? Bez zabezpečenia slučky zemnej impedancie pre signál v bežnom režime je nevyhnutné, aby bolo spôsobené žiarenie EMI, ktoré spôsobuje viac škody ako úžitku.

Mýtus 2: Zachovanie rovnakých medzier je dôležitejšie ako zhodovanie dĺžky riadkov. V skutočnom zapojení PCB často nie je schopné splniť požiadavky diferenciálneho návrhu. Vzhľadom na distribúciu kolíkov, otvorov a priestoru zapojenia a ďalších faktorov je potrebné dosiahnuť účel zosúladenia dĺžky vedenia pomocou vhodného vinutia, ale výsledkom je, že časť dvojice rozdielov nevyhnutne nemôže byť v tejto chvíli rovnobežná. vybrať? Predtým, ako prejdeme k záverom, pozrime sa na nasledujúce výsledky simulácie. Z vyššie uvedených výsledkov simulácie je zrejmé, že krivky schémy 1 a schémy 2 sa takmer zhodujú, to znamená, že vplyv nerovnakých rozstupov je minimálny a vplyv nesúladu dĺžky čiary je oveľa väčší na časovaciu postupnosť (schéma 3). . Z hľadiska teoretickej analýzy síce nekonzistentné rozstupy povedú k rozdielovým zmenám impedancie, ale pretože väzba medzi samotným rozdielovým párom nie je významná, takže rozsah zmien impedancie je tiež veľmi malý, zvyčajne do 10%, iba ekvivalentný na odraz spôsobený dierou, ktorý nespôsobí významný vplyv na prenos signálu. Hneď ako sa dĺžka riadku nezhoduje, okrem posunu časovej sekvencie sa do diferenciálneho signálu zavedú komponenty bežného režimu, čo zníži kvalitu signálu a zvýši EMI.

Dá sa povedať, že najdôležitejším pravidlom pri návrhu diferenciálneho zapojenia DPS je zhoda s dĺžkou vedenia a ďalšie pravidlá je možné flexibilne spracovať podľa konštrukčných požiadaviek a praktických aplikácií.

Mylná predstava tri: Rozdiel v myšlienke na rozdiel sa musí veľmi spoliehať. Cieľom udržania rozdielových línií blízko seba nie je nič iné ako zvýšenie ich spojenia, a to tak na zlepšenie ich odolnosti voči šumu, ako aj využitie výhody opačnej polarity magnetického poľa na zrušenie elektromagnetického rušenia z vonkajšieho sveta. Aj keď je tento prístup vo väčšine prípadov veľmi priaznivý, nie je absolútny. Ak môžu byť úplne chránené pred vonkajším rušením, potom už nepotrebujeme dosiahnuť účel rušenia a potlačenia EMI prostredníctvom silného vzájomného prepojenia. Ako zabezpečiť, aby diferenciálne smerovanie malo dobrú izoláciu a tienenie? Zväčšenie vzdialenosti medzi čiarami a inými signálmi je jedným z najzákladnejších spôsobov. Energia elektromagnetického poľa klesá so štvorcovým vzťahom vzdialenosti. Všeobecne platí, že ak je vzdialenosť medzi čiarami viac ako 4 -násobok šírky čiary, interferencia medzi nimi je extrémne slabá a je možné ju v zásade ignorovať. Okrem toho môže izolácia cez základnú rovinu tiež poskytovať dobrý tieniaci účinok. Táto štruktúra sa často používa vo vysokofrekvenčných (nad 10 G) integrovaných doskách s plošnými spojmi, známych ako štruktúra CPW, na zaistenie prísnej kontroly diferenciálnej impedancie (2Z0), obr. 1-8-19.

Diferenciálne smerovanie je možné vykonať aj v rôznych vrstvách signálu, čo sa však všeobecne neodporúča, pretože rozdiely ako impedancia a priechodné diery v rôznych vrstvách môžu zničiť prenosový efekt diferenciálneho režimu a spôsobiť šum v spoločnom režime. Navyše, ak dve susedné vrstvy nie sú tesne spojené, schopnosť diferenciálneho smerovania odolávať šumu sa zníži, ale presluch nie je problémom, ak sa zachová správna vzdialenosť od okolitého smerovania. Vo všeobecnej frekvencii (pod GHz) nebude EMI vážnym problémom. Experimenty ukazujú, že útlm energie žiarenia diferenciálnych vedení so vzdialenosťou 500 miliónov kilometrov nad 3 metre dosiahol 60 dB, čo je dostatočné na splnenie štandardu ELEKTROMAGNETICKÉHO žiarenia FCC. Konštruktéri sa preto nemusia príliš zaoberať elektromagnetickou nekompatibilitou spôsobenou nedostatočným prepojením diferenciálnych vedení.

3. hadí

V rozložení sa často používa hadovitá línia. Jeho hlavným účelom je upraviť časové oneskorenie a splniť požiadavky na návrh časovania systému. Dizajnéri by mali najskôr pochopiť, že hadovitý drôt zničí kvalitu signálu, zmení oneskorenie prenosu a pri zapojení sa mu treba vyhnúť. Avšak v praktickom prevedení, aby sa zaistil dostatočný čas držania signálov alebo aby sa skrátil časový posun medzi rovnakou skupinou signálov, musí byť navíjanie úmyselne vykonávané.

Čo teda serpentín robí pre prenos signálu? Na čo si mám dať pozor pri prechádzaní frontu? Dva najkritickejšie parametre sú dĺžka paralelnej spojky (Lp) a vzdialenosť spojky (S), ako je znázornené na obr. 1-8-21. Je zrejmé, že keď je signál prenášaný v serpentínovom vedení, dôjde k spojeniu medzi paralelnými segmentmi čiar vo forme rozdielového režimu. Čím menšie je S, tým väčšia je Lp a stupeň spojenia bude väčší. To môže mať za následok znížené oneskorenie prenosu a významné zníženie kvality signálu v dôsledku presluchov, ako je popísané v kapitole 3 pre analýzu presluchov v spoločnom režime a diferenciálnom režime.

Tu je niekoľko tipov pre inžinierov rozloženia pri práci so serpentínami:

1. Pokúste sa zvýšiť vzdialenosť (S) segmentu rovnobežnej čiary, ktorá je aspoň väčšia ako 3H. H označuje vzdialenosť od signálnej čiary k referenčnej rovine. Všeobecne povedané, má to mať veľkú krivku. Pokiaľ je S dostatočne veľký, spojovaciemu efektu sa dá takmer úplne vyhnúť.

2. Keď je dĺžka spojky Lp znížená, generovaný presluch dosiahne saturáciu, keď sa oneskorenie Lp dvakrát priblíži alebo prekročí čas nárastu signálu.

3. Oneskorenie prenosu signálu spôsobené hadou podobnou líniou pásika alebo vstavaným mikroprúžkom je menšie ako pri mikroprúžku. Pás s páskou teoreticky neovplyvňuje prenosovú rýchlosť kvôli presluchu v diferenciálnom režime.

4. V prípade vysokorýchlostných a signálnych vedení s prísnymi požiadavkami na načasovanie sa snažte neísť serpentínovými linkami, najmä na malej ploche.

5. Serpentínové smerovanie v akomkoľvek uhle je možné často prijať. Štruktúra C na obr. 1-8-20 môže účinne obmedziť vzájomné prepojenie.

6. Vo vysokorýchlostnom dizajne plošných spojov nemá serpentín žiadnu takzvanú schopnosť filtrovania alebo rušenia a môže iba znížiť kvalitu signálu, takže sa používa iba na prispôsobenie časovania a žiadny iný účel.

7. Niekedy je možné zvážiť špirálové vinutie. Simulácia ukazuje, že jeho účinok je lepší ako bežné serpentínové vinutie.