Postavitev je ena najosnovnejših delovnih veščin za inženirje načrtovanja PCB. Kakovost ožičenja bo neposredno vplivala na delovanje celotnega sistema. Večino teorij oblikovanja visoke hitrosti je treba dokončno implementirati in preveriti s pomočjo Layouta. Vidi se, da je ožičenje zelo pomembno v hitra PCB oblikovanje. V nadaljevanju bomo analizirali racionalnost nekaterih situacij, ki se lahko pojavijo pri dejanskem ožičenju, in dali nekaj bolj optimiziranih strategij usmerjanja.

V glavnem je razloženo s treh vidikov: ožičenje pod pravim kotom, diferencialno ožičenje in serpentinasto ožičenje.

1. Usmerjanje pod pravim kotom

Ožičenje pod pravim kotom je na splošno situacija, ki se ji je treba pri ožičenju PCB čim bolj izogibati in je skoraj postala eden od standardov za merjenje kakovosti ožičenja. Torej, kolikšen vpliv bo imela pravokotna napeljava na prenos signala? Načeloma bo usmerjanje pod pravim kotom spremenilo širino daljnovoda, kar bo povzročilo prekinitev impedance. Pravzaprav lahko ne samo usmerjanje pod pravim kotom, ampak tudi vogali in usmerjanje pod ostrim kotom povzroči spremembe impedance.

Vpliv usmerjanja pod pravim kotom na signal se kaže predvsem v treh vidikih:

Eden je, da je vogal lahko enak kapacitivni obremenitvi na daljnovodu, kar upočasni čas vzpona; drugi je, da bo prekinitev impedance povzročila odboj signala; tretji je EMI, ki ga ustvari pravokotna konica.

Parazitno kapacitivnost, ki jo povzroča pravi kot daljnovoda, lahko izračunamo z naslednjo empirično formulo:

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

V zgornji formuli se C nanaša na ekvivalentno kapacitivnost vogala (enota: pF), W se nanaša na širino sledi (enota: palec), εr se nanaša na dielektrično konstanto medija in Z0 je karakteristična impedanca daljnovoda. Na primer, za prenosni vod 4Mils 50 ohmov (εr je 4.3) je kapacitivnost, ki jo prinaša pravi kot, približno 0.0101 pF, nato pa lahko ocenimo spremembo časa vzpona, ki jo to povzroči:

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

Z izračunom je razvidno, da je učinek kapacitivnosti, ki ga prinaša pravokotna sled, izjemno majhen.

Ko se širina črte pravokotne sledi poveča, se bo impedanca tam zmanjšala, zato bo prišlo do določenega pojava odboja signala. Ekvivalentno impedanco po povečanju širine linije lahko izračunamo po formuli za izračun impedance, ki je navedena v poglavju o prenosnem vodu, nato pa izračunamo koeficient odboja po empirični formuli:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Na splošno je sprememba impedance, ki jo povzroči pravokotno ožičenje, med 7% -20%, tako da je največji odbojni koeficient približno 0.1. Poleg tega, kot je razvidno iz spodnje slike, se impedanca prenosnega voda spremeni na minimum znotraj dolžine W/2 linije, nato pa se po času W/2 vrne na normalno impedanco. Celoten čas spremembe impedance je izjemno kratek, pogosto znotraj 10ps. V notranjosti so tako hitre in majhne spremembe skoraj zanemarljive za splošni prenos signala.

Mnogi ljudje razumejo pravokotno ožičenje. Menijo, da konica zlahka prenaša ali sprejema elektromagnetne valove in ustvarja EMI. To je postal eden od razlogov, zakaj mnogi ljudje mislijo, da pravokotne napeljave ni mogoče napeljati. Vendar pa številni dejanski rezultati testov kažejo, da pravokotne sledi ne bodo povzročile očitnih EMI kot ravne črte. Morda trenutna zmogljivost instrumenta in testna raven omejujeta natančnost testa, vendar vsaj ponazarja težavo. Sevanje pravokotne napeljave je že manjše od merilne napake samega instrumenta.

Na splošno usmerjanje pod pravim kotom ni tako grozno, kot si predstavljamo. Vsaj v aplikacijah pod GHz se kakršni koli učinki, kot so kapacitivnost, odboj, EMI, itd., skoraj ne odražajo pri testiranju TDR. Inženirji za načrtovanje PCB za visoke hitrosti bi se morali še vedno osredotočiti na postavitev, načrtovanje moči/ozemljitve in načrtovanje ožičenja. Preko lukenj in drugih vidikov. Seveda, čeprav vpliv ožičenja pod pravim kotom ni zelo resen, to ne pomeni, da lahko v prihodnosti vsi uporabljamo pravokotno ožičenje. Pozornost do detajlov je osnovna kakovost, ki jo mora imeti vsak dober inženir. Poleg tega se bo s hitrim razvojem digitalnih vezij PCB frekvenca signala, ki ga obdelujejo inženirji, še naprej povečevala. Na področju RF zasnove nad 10 GHz lahko ti majhni pravi koti postanejo žarišče težav pri visokih hitrostih.

2. Diferencialno usmerjanje

Diferencialni signal (DifferentialSignal) se vse bolj uporablja pri oblikovanju vezja za visoke hitrosti. Najbolj kritičen signal v vezju je pogosto zasnovan z diferencialno strukturo. Zakaj je tako priljubljen? Kako zagotoviti njegovo dobro delovanje pri oblikovanju PCB? S tema dvema vprašanjema gremo na naslednji del razprave.

Kaj je diferencialni signal? Laično rečeno, pogonski konec pošlje dva enaka in obrnjena signala, sprejemni konec pa presodi logično stanje “0” ali “1” s primerjavo razlike med obema napetostma. Par sledi, ki nosi diferencialne signale, se imenuje diferencialne sledi.

V primerjavi z navadnimi enosmernimi signalnimi sledmi imajo diferencialni signali najbolj očitne prednosti v naslednjih treh vidikih:

a. Močna sposobnost preprečevanja motenj, ker je povezava med obema diferencialnima sledoma zelo dobra. Ko pride do motenj hrupa od zunaj, sta skoraj povezana z obema linijama hkrati, sprejemni konec pa skrbi samo za razliko med signaloma. Zato je zunanji skupni šum lahko popolnoma preklican. b. Lahko učinkovito zavira EMI. Iz istega razloga se lahko zaradi nasprotne polarnosti obeh signalov elektromagnetna polja, ki jih sevata, medsebojno izničijo. Tesnejša kot je povezava, manj elektromagnetne energije se odvaja v zunanji svet. c. Časovno pozicioniranje je natančno. Ker se preklopna sprememba diferencialnega signala nahaja na presečišču obeh signalov, je za razliko od običajnega enosmernega signala, ki je odvisen od visoke in nizke mejne napetosti za določitev, nanj manj vplivata proces in temperatura, ki lahko zmanjšati časovno napako. , Toda tudi bolj primeren za nizkoamplitudna signalna vezja. Trenutni priljubljeni LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling) se nanaša na to tehnologijo diferencialnih signalov z majhno amplitudo.

Za inženirje PCB je največ skrbi, kako zagotoviti, da se te prednosti diferencialnega ožičenja lahko v celoti izkoristijo v dejanskem ožičenju. Morda bo vsak, ki je bil v stiku z Layoutom, razumel splošne zahteve diferencialnega ožičenja, to je »enaka dolžina in enaka razdalja«. Enaka dolžina zagotavlja, da oba diferencialna signala ves čas ohranjata nasprotne polarnosti in zmanjšata komponento skupnega načina; enaka razdalja je predvsem za zagotovitev, da so diferencialne impedance obeh konsistentne in zmanjšajo odboje. “Čim bližje” je včasih ena od zahtev diferencialnega ožičenja. Toda vsa ta pravila se ne uporabljajo za mehansko uporabo, in zdi se, da mnogi inženirji še vedno ne razumejo bistva hitrega diferencialnega prenosa signala.

Naslednje se osredotoča na več pogostih nesporazumov pri načrtovanju diferencialnih signalov PCB.

Nesporazum 1: Menijo, da diferencialni signal ne potrebuje ozemljitvene ravnine kot povratne poti ali da diferencialne sledi zagotavljajo povratno pot drug drugemu. Razlog za to nesporazum je v tem, da jih zmedejo površinski pojavi ali pa mehanizem hitrega prenosa signala ni dovolj globok. Iz strukture sprejemnega konca na sliki 1-8-15 je razvidno, da sta emiterski tokovi tranzistorjev Q3 in Q4 enaki in nasprotni, njuni tokovi pri tleh pa se med seboj natančno izničijo (I1=0), zato diferencialno vezje je Podobni odboji in drugi šumni signali, ki lahko obstajajo na napajalni in ozemljitveni ravnini, so neobčutljivi. Delni preklic povratka ozemljitvene ravnine ne pomeni, da diferencialno vezje ne uporablja referenčne ravnine kot povratne poti signala. Pravzaprav je pri analizi povratka signala mehanizem diferencialnega ožičenja in navadnega enosmernega ožičenja enak, to pomeni, da se visokofrekvenčni signali vedno pretakajo po zanki z najmanjšo induktivnostjo, največja razlika je v tem, da poleg sklopka s tlemi, ima diferencialni vod tudi medsebojno spenjanje. Katera sklopka je močna, katera postane glavna povratna pot. Slika 1-8-16 je shematski diagram porazdelitve geomagnetnega polja enosmernih in diferencialnih signalov.

Pri načrtovanju vezja PCB je povezava med diferencialnimi sledmi na splošno majhna, pogosto predstavlja le 10 do 20 % stopnje sklopitve, več pa je sklopka s tlemi, tako da glavna povratna pot diferencialne sledi še vedno obstaja na tleh. letalo . Ko je ozemljitvena ravnina prekinjena, bo povezava med diferencialnimi sledmi zagotovila glavno povratno pot v območju brez referenčne ravnine, kot je prikazano na sliki 1-8-17. Čeprav vpliv diskontinuitete referenčne ravnine na diferencialno sled ni tako resen kot pri običajnem enosmernem sledenju, bo še vedno zmanjšal kakovost diferencialnega signala in povečal EMI, čemur se je treba čim bolj izogibati . Nekateri oblikovalci verjamejo, da je referenčno ravnino pod diferencialno sledjo mogoče odstraniti, da se pri diferencialnem prenosu zatrejo nekateri običajni signali. Vendar pa ta pristop v teoriji ni zaželen. Kako nadzorovati impedanco? Če ne zagotovite zanke ozemljitvene impedance za signal skupnega načina, bo to neizogibno povzročilo sevanje EMI. Ta pristop naredi več škode kot koristi.

Nesporazum 2: Menijo, da je ohranjanje enakega razmika pomembnejše od ujemanja dolžine vrstice. V dejanski postavitvi PCB-ja pogosto ni mogoče hkrati izpolniti zahtev diferencialne zasnove. Zaradi obstoja razporeditve zatičev, prehodov in prostora za ožičenje je treba namen ujemanja dolžine linije doseči s pravilnim navijanjem, vendar mora biti rezultat, da nekatera področja diferencialnega para ne morejo biti vzporedna. Kaj naj storimo v tem času? Katera izbira? Preden naredimo zaključke, si oglejmo naslednje rezultate simulacije.

Iz zgornjih rezultatov simulacije je razvidno, da se valovni obliki sheme 1 in sheme 2 skoraj ujemata, se pravi, da je vpliv, ki ga povzroča neenaka razmik, minimalen. V primerjavi s tem je vpliv neusklajenosti dolžine vrstice na čas veliko večji. (shema 3). Glede na teoretično analizo, čeprav bo nedosleden razmik povzročil spremembo diferencialne impedance, ker povezava med samim diferencialnim parom ni pomembna, je razpon spremembe impedance tudi zelo majhen, običajno znotraj 10 %, kar je enakovredno samo enemu prehodu . Odboj, ki ga povzroči luknja, ne bo imel pomembnega vpliva na prenos signala. Ko se dolžina vrstice ne ujema, se poleg časovnega odmika v diferenčni signal vnesejo komponente običajnega načina, kar zmanjša kakovost signala in poveča EMI.

Lahko rečemo, da je najpomembnejše pravilo pri načrtovanju diferencialnih sledi PCB ujemajoča se dolžina vrstice, druga pravila pa je mogoče fleksibilno obravnavati glede na zahteve načrtovanja in praktične aplikacije.

Nesporazum 3: Pomislite, da mora biti diferencialna napeljava zelo blizu. Ohranjanje diferencialnih sledi blizu ni nič drugega kot izboljšanje njihove povezave, kar lahko ne samo izboljša odpornost proti hrupu, ampak tudi v celoti izkoristi nasprotno polarnost magnetnega polja za izravnavo elektromagnetnih motenj v zunanjem svetu. Čeprav je ta pristop v večini primerov zelo koristen, ni absoluten. Če lahko zagotovimo, da so popolnoma zaščiteni pred zunanjimi motnjami, nam ni treba uporabiti močne povezave, da bi dosegli preprečevanje motenj. In namen zatiranja EMI. Kako lahko zagotovimo dobro izolacijo in zaščito diferencialnih sledi? Povečanje razmika z drugimi signalnimi sledmi je eden najosnovnejših načinov. Energija elektromagnetnega polja se zmanjšuje s kvadratom razdalje. Na splošno, ko razmik med vrsticami presega 4-kratno širino vrstice, je interferenca med njima izjemno šibka. Lahko se zanemari. Poleg tega lahko izolacija z ozemljitveno ploščo igra tudi dobro zaščitno vlogo. Ta struktura se pogosto uporablja pri oblikovanju visokofrekvenčnih (nad 10G) IC paketa PCB. Imenuje se struktura CPW, ki lahko zagotovi strogo diferencialno impedanco. Krmiljenje (2Z0), kot je prikazano na sliki 1-8-19.

Diferencialne sledi se lahko izvajajo tudi v različnih signalnih plasteh, vendar ta metoda na splošno ni priporočljiva, ker bodo razlike v impedanci in prehodih, ki jih ustvarijo različni sloji, uničili učinek prenosa diferencialnih načinov in vnesli šum običajnega načina. Poleg tega, če sosednji dve plasti nista tesno povezani, bo to zmanjšalo sposobnost diferencialne sledi, da se upre hrupu, vendar če lahko vzdržujete ustrezno razdaljo od okoliških sledi, preslušavanje ni problem. Pri splošnih frekvencah (pod GHz) EMI ne bo resen problem. Eksperimenti so pokazali, da je slabljenje sevane energije na razdalji 500 mils od diferencialne sledi doseglo 60 dB na razdalji 3 metre, kar zadostuje za izpolnjevanje standarda FCC za elektromagnetno sevanje, tako da projektantu ni treba skrbeti. veliko o elektromagnetni nezdružljivosti, ki jo povzroča nezadostna povezava diferencialnih linij.

3. Serpentinska linija

Kača linija je vrsta metode usmerjanja, ki se pogosto uporablja v postavitvi. Njegov glavni namen je prilagoditi zakasnitev tako, da ustreza zahtevam sistemskega časovnega načrtovanja. Oblikovalec mora najprej razumeti: serpentina bo uničila kakovost signala, spremenila zakasnitev prenosa in se poskušala izogniti uporabi pri ožičenju. Vendar pa je v dejanski zasnovi, da bi zagotovili zadosten čas zadrževanja signala ali zmanjšali časovni odmik med isto skupino signalov, je pogosto potrebno namerno navijati žico.

Torej, kakšen učinek ima serpentinasta črta na prenos signala? Na kaj moram biti pozoren pri ožičenju? Dva najbolj kritična parametra sta vzporedna dolžina sklopke (Lp) in razdalja sklopke (S), kot je prikazano na sliki 1-8-21. Očitno, ko se signal prenaša na serpentinasti sled, bodo segmenti vzporedne črte povezani v diferencialnem načinu. Manjši kot je S in večji Lp, večja je stopnja sklopitve. To lahko povzroči zmanjšanje zakasnitve pri prenosu, kakovost signala pa se močno zmanjša zaradi preslušavanja. Mehanizem se lahko nanaša na analizo skupnega in diferencialnega načina preslušavanja v 3. poglavju.

Spodaj je nekaj predlogov za inženirje postavitve, ko se ukvarjajo s serpentinastimi črtami:

1. Poskusite povečati razdaljo (S) vzporednih linijskih segmentov, vsaj večjo od 3H, H se nanaša na razdaljo od signalne sledi do referenčne ravnine. Laično rečeno, gre za velik ovinek. Dokler je S dovolj velik, se lahko učinku medsebojnega spajanja skoraj popolnoma izognemo. 2. Zmanjšajte dolžino sklopke Lp. Ko se dvojna zakasnitev Lp približa ali preseže čas vzpona signala, bo ustvarjen preslušavanje doseglo nasičenost. 3. Zakasnitev prenosa signala, ki jo povzroči serpentinasta linija trakastega ali vgrajenega mikrotraka, je manjša od zakasnitve mikrotraka. V teoriji trakast ne vpliva na hitrost prenosa zaradi preslušavanja v diferencialnem načinu. 4. Za signalne linije visoke hitrosti in tiste s strogimi časovnimi zahtevami ne uporabljajte serpentinastih linij, zlasti na majhnih območjih. 5. Pogosto lahko uporabite serpentinaste sledi pod katerim koli kotom, kot je struktura C na sliki 1-8-20, ki lahko učinkovito zmanjša medsebojno povezovanje. 6. Pri zasnovi visokohitrostnega tiskanega vezja serpentinska linija nima tako imenovane sposobnosti filtriranja ali preprečevanja motenj in lahko samo zmanjša kakovost signala, zato se uporablja samo za časovno ujemanje in nima drugega namena. 7. Včasih lahko razmislite o spiralnem usmerjanju za navijanje. Simulacija kaže, da je njen učinek boljši od običajnega serpentinskega usmerjanja.