Postavitev je ena najbolj osnovnih delovnih veščin Oblika PCB inženir. Kakovost ožičenja bo neposredno vplivala na delovanje celotnega sistema, večino teorije oblikovanja velikih hitrosti je treba dokončno uresničiti in preveriti s postavitvijo, zato je mogoče videti, da je ožičenje ključnega pomena pri oblikovanju visokohitrostnih tiskanih vezij. V nadaljevanju bomo upoštevali, da se lahko ožičenje naleti na nekatere situacije, analizira njegovo racionalnost in poda nekaj bolj optimizirane strategije usmerjanja. Predvsem iz desne kotne črte, črte razlike, črte kače in tako naprej tri vidike za izdelavo.

1. Pravokotna go linija

Pravokotno ožičenje je običajno potrebno, da bi se izognili situacijam pri ožičenju tiskanih vezij, in je skoraj postalo eden od standardov za merjenje kakovosti ožičenja, torej koliko vpliva pravokotno ožičenje na prenos signala? Načeloma bo pravokotno ožičenje spremenilo širino daljnovoda, kar bo povzročilo prekinitev impedance. Pravzaprav lahko sprememba impedance povzroči ne samo pravokotna črta, ton kota, ostra kotna črta.

Vpliv poravnave pod pravim kotom na signal se odraža predvsem v treh vidikih: prvič, kot je lahko enakovreden kapacitivni obremenitvi daljnovoda, kar upočasni čas vzpona; Drugič, prekinitev impedance bo povzročila odboj signala; Tretjič, EMI, ustvarjen s konico desnega kota.

Parazitsko kapacitivnost, ki jo povzroča desni kot daljnovoda, je mogoče izračunati po naslednji empirični formuli:

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

V zgornji formuli se C nanaša na ekvivalentno kapacitivnost v kotu (pF), W se nanaša na širino črte (palec), ε R se nanaša na dielektrično konstanto medija in Z0 je značilna impedanca prenosa vrstica. Na primer, za prenosni vod 4 Mils 50 ohm (εr 4.3) je kapacitivnost pravega kota približno 0.0101pF, variacijo časa vzpona pa je mogoče oceniti:

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

Iz izračuna je razvidno, da je kapacitivni učinek, ki ga prinaša pravokotno ožičenje, izredno majhen.

Ko se širina črte pravokotne črte poveča, se bo impedanca na tej točki zmanjšala, zato bo prišlo do določenega odboja signala. Ekvivalentno impedanco lahko izračunamo po povečanju širine proge po formuli za izračun impedance, omenjeni v odseku daljnovodov, nato pa izračunamo koeficient odboja po empirični formuli: ρ = (Zs-Z0)/(Zs+Z0), splošno pravokotno ožičenje, ki povzroči spremembo impedance med 7%-20%, zato je največji koeficient odboja približno 0.1. Poleg tega, kot je razvidno iz spodnje slike, se impedanca daljnovoda spremeni na najmanjšo možno dolžino linije W/2, nato pa se po času W/2 povrne na normalno impedanco. Čas za celotno spremembo impedance je zelo kratek, običajno v 10ps. Tako hitra in majhna sprememba je za splošni prenos signala skoraj zanemarljiva.

Mnogi ljudje razumejo pravokotno usmerjanje, saj menijo, da je konica enostavna za oddajanje ali sprejemanje elektromagnetnih valov in ustvarjanje elektromagnetnega sevanja, kar je eden od razlogov, zakaj mnogi menijo, da pravokotno usmerjanje ni možno. Vendar pa številni praktični rezultati preskusov kažejo, da pravokotna črta ne proizvaja več EMI kot ravna črta. Morda trenutna zmogljivost in raven preskusa omejujeta natančnost preskusa, vendar vsaj kaže, da je sevanje pravokotne črte manjše od merilne napake samega instrumenta. Na splošno poravnava pod pravim kotom ni tako grozna, kot se morda zdi. Vsaj v aplikacijah pod GHz se vsi učinki, kot so kapacitivnost, odsev, EMI itd., V testih TDR skoraj ne odražajo. Inženir oblikovanja hitrih tiskanih vezij se mora osredotočiti na postavitev, zasnovo moči/tal, oblikovanje ožičenja, perforacijo itd. Čeprav učinki pravokotne črte seveda niso zelo resni, vendar ne pomeni, da lahko hodimo pravokotno, je pozornost do detajlov bistvena kakovost vsakega dobrega inženirja in s hitrim razvojem digitalnih vezij , Inženirji PCB -jev bodo obdelavo frekvence signala še naprej izboljševali na več kot 10 GHZ RF načrtovalno polje, Ti majhni pravi koti lahko postanejo središče težav pri velikih hitrostih.

2. Razlika

Diferencialni signal se pogosto uporablja pri načrtovanju vezij za visoke hitrosti. Najpomembnejši signal v vezju je zasnova drugačnega signala. Kako zagotoviti njegovo dobro delovanje pri oblikovanju tiskanih vezij? Ob upoštevanju teh dveh vprašanj preidemo na naslednji del razprave.

Kaj je diferencialni signal? V preprostem angleškem jeziku voznik pošlje dva enakovredna in obrnjena signala, sprejemnik pa primerja razliko med obema napetostima, da ugotovi, ali je logično stanje “0” ali “1”. Par žic, ki prenašajo diferencialne signale, se imenuje diferencialne žice.

V primerjavi z običajnim enosmernim usmerjanjem signala ima diferencialni signal najbolj očitne prednosti v naslednjih treh vidikih:

A. Močna sposobnost preprečevanja motenj, ker je povezava med dvema diferencialnima linijama zelo dobra, ko pride do motenj hrupa, sta skoraj povezani z dvema linijama hkrati, sprejemnik pa skrbi le za razliko med obema signaloma, tako je mogoče zunanji hrup običajnega načina v celoti odpraviti.

B. Lahko učinkovito zavira EMI. Podobno, ker sta dva signala nasprotne polarnosti, se lahko elektromagnetno polje, ki ga seva, medsebojno izniči. Bližje kot je sklopka, manj elektromagnetne energije se sprosti v zunanji svet.

C. Časovna postavitev je natančna. Ker se preklopna sprememba diferencialnih signalov nahaja na presečišču dveh signalov, za razliko od običajnih enosmernih signalov, ki se ocenjujejo po visokih in nizkih pragovih napetostih, nanjo manj vplivata proces in temperatura, kar lahko zmanjša časovne napake in je bolj primerno za vezja z nizkimi amplitudnimi signali. LVDS (nizkonapetostna diferencialna signalizacija) se nanaša na to tehnologijo diferenčnega signala majhne amplitude.

Za inženirje tiskanih vezij je najpomembnejša skrb, kako zagotoviti, da se te prednosti diferencialnega usmerjanja v celoti izkoristijo pri dejanskem usmerjanju. Morda bodo ljudje, dokler so v stiku s postavitvijo, razumeli splošne zahteve diferencialnega usmerjanja, to je “enaka dolžina, enaka razdalja”. Izometrično je zagotoviti, da dva diferencialna signala vedno vzdržujeta nasprotno polarnost in zmanjšata komponento skupnega načina; Izometrična je predvsem zagotoviti enako diferenčno impedanco, zmanjšati odboj. “Čim bližje” je včasih ena od zahtev za diferencialno usmerjanje. Vendar nobeno od teh pravil ni namenjeno mehanski uporabi in zdi se, da mnogi inženirji ne razumejo narave hitrega diferencialnega signaliziranja. V nadaljevanju se osredotočamo na več pogostih napak pri načrtovanju diferencialnih signalov tiskanih vezij.

Napačno prepričanje 1: Diferencialni signali ne potrebujejo ozemljitvene poti kot poti povratnega toka ali mislijo, da diferencialne črte medsebojno zagotavljajo pot povratnega toka. Vzrok tega nesporazuma zmede površinski pojav ali pa mehanizem hitrega prenosa signala ni dovolj globok. Kot je razvidno iz strukture sprejemnega konca na sl. 1-8-15, so oddajniški tokovi tranzistorjev Q3 in Q4 enakovredni in nasprotni, njihov tok na stičišču pa se popolnoma izniči (I1 = 0). Zato diferencialni tokokrog ni občutljiv na podobne zemeljske izstrelke in druge signale hrupa, ki lahko obstajajo v napajalniku in ozemljitveni ravnini. Delno preklic povratnega toka ozemljitvene ravnine ne pomeni, da diferencialno vezje ne vzame referenčne ravnine kot povratno pot signala. Dejansko je pri analizi povratnega toka signala mehanizem diferencialnega usmerjanja enak kot pri običajnem enosmernem usmerjanju, in sicer

Frekvenčni signal vedno teče nazaj po tokokrogu z najmanjšo induktivnostjo. Največja razlika je v tem, da razlika ni povezana le s tlemi, ampak je povezana tudi med seboj. Močna sklopka postane glavna pot povratnega toka.

Pri načrtovanju vezja tiskanega vezja je sklopka med diferencialnim ožičenjem na splošno majhna, običajno predstavlja le 10 ~ 20% stopnje spenjanja, večina sklopke pa je na tleh, zato glavna povratna pot diferencialnega ožičenja še vedno obstaja v tleh letalo. V primeru prekinitve v lokalni ravnini sklopka med diferencialnimi potmi zagotavlja glavno pot povratnega toka v regiji brez referenčne ravnine, kot je prikazano na sl. 1-8-17. Čeprav vpliv prekinitve referenčne ravnine na diferencialno ožičenje ni tako resen kot pri običajnem enosmernem ožičenju, bo to še vedno zmanjšalo kakovost diferencialnega signala in povečalo EMI, česar se je treba izogniti, kolikor je to mogoče. Nekateri oblikovalci verjamejo, da je mogoče referenčno ravnino linije diferencialnega prenosa odstraniti, da se zavira del signala skupnega načina pri diferencialnem prenosu, vendar teoretično ta pristop ni zaželen. Kako nadzorovati impedanco? Brez zagotavljanja impedančne zanke ozemljitve za signal skupnega načina se bo verjetno pojavilo sevanje EMI, kar naredi več škode kot koristi.

Mit 2: Ohranjanje enakega razmika je pomembnejše od ujemanja dolžine vrstice. Pri dejanskem ožičenju PCB pogosto ne more izpolniti zahtev diferencialne zasnove. Zaradi porazdelitve zatičev, lukenj in prostora za ožičenje ter drugih dejavnikov je treba doseči namen ujemanja dolžine vodov skozi ustrezno navitje, vendar je rezultat neizogibno del para razlik, ki trenutno ne more biti vzporeden, kako izbrati? Preden sklepamo hitro, si oglejmo naslednje rezultate simulacije. Iz zgornjih simulacijskih rezultatov je razvidno, da valovne oblike sheme 1 in sheme 2 skoraj sovpadajo, to pomeni, da je vpliv neenakega razmika minimalen, vpliv neusklajenosti dolžine linij pa je veliko večji na časovno zaporedje (shema 3) . Z vidika teoretične analize, čeprav bo nedosleden razmik privedel do spremembe impedance razlike, ker pa povezava med samim parom razlik ni pomembna, je tudi obseg sprememb impedance zelo majhen, običajno znotraj 10%, le enakovreden na odboj, ki ga povzroči luknja, kar ne bo imelo pomembnega vpliva na prenos signala. Ko se dolžina linije ne ujema, se poleg zamika časovnega zaporedja v diferencialni signal vnesejo komponente skupnega načina, kar zmanjša kakovost signala in poveča EMI.

Lahko rečemo, da je najpomembnejše pravilo pri načrtovanju ožičenja diferenčnih tiskanih vezij ujemanje dolžine vodov, druga pravila pa je mogoče prilagodljivo obravnavati glede na oblikovalske zahteve in praktične aplikacije.

Tretja zmota: misliti, da se mora linija razlike zanašati zelo blizu. Smisel držanja različnih linij blizu skupaj ni nič drugega kot povečanje njihove povezave, tako za izboljšanje njihove odpornosti na hrup kot tudi za izkoriščanje nasprotne polarnosti magnetnega polja za odpravo elektromagnetnih motenj iz zunanjega sveta. Čeprav je ta pristop v večini primerov zelo ugoden, ni absoluten. Če jih je mogoče popolnoma zaščititi pred zunanjimi motnjami, nam ni treba več doseči namena preprečevanja motenj in zatiranja EMI z močno povezavo med seboj. Kako zagotoviti, da ima diferencialno usmerjanje dobro izolacijo in zaščito? Povečanje razdalje med linijami in drugimi signali je eden najosnovnejših načinov. Energija elektromagnetnega polja se zmanjšuje s kvadratnim razmerjem razdalje. Na splošno, če je razdalja med črtami več kot 4 -kratna širina črte, je vmešavanje med njimi izjemno šibko in ga je v bistvu mogoče zanemariti. Poleg tega lahko izolacija skozi ozemljitveno ravnino zagotovi tudi dober zaščitni učinek. Ta struktura se pogosto uporablja v visokofrekvenčnih (nad 10G) IC pakiranih tiskanih vezjih, znanih kot struktura CPW, za zagotovitev strogega nadzora diferencialne impedance (2Z0), sl. 1-8-19.

Diferencialno usmerjanje je mogoče izvesti tudi v različnih signalnih plasteh, vendar to na splošno ni priporočljivo, saj lahko razlike, kot sta impedanca in luknje v različnih plasteh, uničijo učinek prenosa diferenčnega načina in vnesejo hrup skupnega načina. Poleg tega, če dve sosednji plasti nista tesno povezani, se bo zmanjšala sposobnost diferencialnega usmerjanja, da se upira hrupu, vendar preslušanje ni problem, če se vzdržuje ustrezen razmik z okoliškim usmerjanjem. Na splošno frekvenca (pod GHz) EMI ne bo resen problem. Poskusi kažejo, da je slabljenje energije sevanja diferencialnih vodov z razdaljo 500 milj nad 3 metre doseglo 60 dB, kar zadošča za izpolnjevanje standarda elektromagnetnega sevanja FCC. Zato oblikovalcem ni treba preveč skrbeti zaradi elektromagnetne nezdružljivosti, ki jo povzroča nezadostna povezava diferencialnih vodov.

3. serpentine

V postavitvi se pogosto uporablja serpentinska črta. Njegov glavni namen je prilagoditi časovni zamik in izpolniti zahteve načrtovanja sistemskega časovnega razporeda. Oblikovalci bi morali najprej razumeti, da bo serpentinska žica poslabšala kakovost signala, spremenila zamudo pri prenosu, zato se jim je treba izogniti pri ožičenju. V praktični zasnovi pa je treba za zagotovitev zadostnega časa zadrževanja signalov ali za zmanjšanje časovnega zamika med isto skupino signalov namotanje izvesti namerno.

Kaj torej serpentina naredi za prenos signala? Na kaj moram biti pozoren, ko hodim po vrsti? Dva najpomembnejša parametra sta dolžina vzporedne sklopke (Lp) in razdalja spenjanja (S), kot je prikazano na sl. 1-8-21. Očitno bo pri prenosu signala v serpentinastem vodu prišlo do spenjanja med vzporednimi odseki v obliki razlike. Manjši kot je S, večji je Lp in večja bo stopnja sklopke. To lahko povzroči manjše zamude pri prenosu in znatno zmanjšanje kakovosti signala zaradi preslušavanja, kot je opisano v 3. poglavju za analizo preslušanja skupnega in diferenčnega načina.

Tukaj je nekaj nasvetov za inženirje postavitve pri ravnanju s serpentinami:

1. Poskusite povečati razdaljo (S) odseka vzporedne črte, ki je vsaj večja od 3H. H se nanaša na razdaljo od signalne črte do referenčne ravnine. Na splošno gre za veliko krivuljo. Dokler je S dovolj velik, se lahko učinku sklopke skoraj popolnoma izognemo.

2. Ko se dolžina sklopke Lp zmanjša, bo nastalo preslušanje doseglo nasičenje, ko se zamuda Lp dvakrat približa ali preseže čas porasta signala.

3. Zakasnitev prenosa signala, ki jo povzroči kačja linija trakastega traku ali vdelanega mikrotraka, je manjša kot pri mikrotraku. Teoretično linija traku ne vpliva na hitrost prenosa zaradi preslušavanja v diferenčnem načinu.

4. Pri hitrih in signalnih vodih s strogimi zahtevami glede časa ne poskušajte hoditi po serpentinah, zlasti na majhnem območju.

5. Pogosto je mogoče sprejeti serpentinsko usmerjanje pod katerim koli kotom. Struktura C na sl. 1-8-20 lahko učinkovito zmanjša medsebojno povezavo.

6. Pri zasnovi PCB za visoke hitrosti serpentine nima tako imenovane sposobnosti filtriranja ali preprečevanja motenj in lahko le zmanjša kakovost signala, zato se uporablja le za časovno ujemanje in brez drugih namenov.

7. Včasih je mogoče upoštevati spiralno navijanje. Simulacija kaže, da je njen učinek boljši od običajnega serpentinastega navijanja.