Layout është një nga aftësitë më themelore të punës për inxhinierët e projektimit PCB. Cilësia e instalimeve elektrike do të ndikojë drejtpërdrejt në performancën e të gjithë sistemit. Shumica e teorive të projektimit me shpejtësi të lartë duhet të zbatohen përfundimisht dhe të verifikohen përmes Layout. Mund të shihet se instalimet elektrike janë shumë të rëndësishme në PCB me shpejtësi të lartë dizajni. Në vijim do të analizohet racionaliteti i disa situatave që mund të hasen në instalimet elektrike aktuale dhe do të japë disa strategji më të optimizuara të rrugëtimit.

Ai shpjegohet kryesisht nga tre aspekte: instalime elektrike me kënd të drejtë, instalime elektrike diferenciale dhe instalime elektrike serpentine.

1. Drejtimi me kënd të drejtë

Lidhja elektrike me kënd të drejtë është përgjithësisht një situatë që duhet shmangur sa më shumë që të jetë e mundur në instalimet elektrike me PCB dhe pothuajse është bërë një nga standardet për matjen e cilësisë së instalimeve elektrike. Pra, sa ndikim do të kenë instalimet elektrike me kënd të drejtë në transmetimin e sinjalit? Në parim, drejtimi me kënd të drejtë do të ndryshojë gjerësinë e linjës së linjës së transmetimit, duke shkaktuar ndërprerje në impedancë. Në fakt, jo vetëm drejtimi me kënd të drejtë, por edhe këndet dhe drejtimi me kënd akut mund të shkaktojnë ndryshime të rezistencës.

Ndikimi i drejtimit me kënd të drejtë në sinjal reflektohet kryesisht në tre aspekte:

Njëra është se këndi mund të jetë ekuivalent me ngarkesën kondensative në linjën e transmetimit, e cila ngadalëson kohën e ngritjes; e dyta është se ndërprerja e impedancës do të shkaktojë reflektim të sinjalit; e treta është EMI e krijuar nga maja me kënd të drejtë.

Kapaciteti parazitar i shkaktuar nga këndi i duhur i linjës së transmetimit mund të llogaritet me formulën empirike të mëposhtme:

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

Në formulën e mësipërme, C i referohet kapacitetit ekuivalent të këndit (njësia: pF), W i referohet gjerësisë së gjurmës (njësia: inç), εr i referohet konstantës dielektrike të mediumit dhe Z0 është impedanca karakteristike të linjës së transmetimit. Për shembull, për një linjë transmetimi 4 Mils 50 ohm (εr është 4.3), kapaciteti i sjellë nga një kënd i drejtë është rreth 0.0101 pF, dhe më pas mund të vlerësohet ndryshimi i kohës së ngritjes së shkaktuar nga kjo:

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

Mund të shihet përmes llogaritjes se efekti i kapacitetit i sjellë nga gjurma e këndit të drejtë është jashtëzakonisht i vogël.

Ndërsa gjerësia e linjës së gjurmës së këndit të drejtë rritet, impedanca atje do të ulet, kështu që do të ndodhë një fenomen i caktuar i reflektimit të sinjalit. Ne mund të llogarisim rezistencën ekuivalente pasi të rritet gjerësia e linjës sipas formulës së llogaritjes së rezistencës të përmendur në kapitullin e linjës së transmetimit dhe më pas të llogarisim koeficientin e reflektimit sipas formulës empirike:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Në përgjithësi, ndryshimi i rezistencës së shkaktuar nga instalimet elektrike me kënd të drejtë është midis 7% -20%, kështu që koeficienti maksimal i reflektimit është rreth 0.1. Për më tepër, siç mund të shihet nga figura më poshtë, impedanca e linjës së transmetimit ndryshon në minimum brenda gjatësisë së linjës W/2, dhe më pas kthehet në rezistencën normale pas kohës së W/2. E gjithë koha e ndryshimit të rezistencës është jashtëzakonisht e shkurtër, shpesh brenda 10 ps. Brenda, ndryshime të tilla të shpejta dhe të vogla janë pothuajse të papërfillshme për transmetimin e sinjalit të përgjithshëm.

Shumë njerëz e kanë këtë kuptim të instalimeve elektrike me kënd të drejtë. Ata mendojnë se maja është e lehtë për të transmetuar ose marrë valë elektromagnetike dhe për të gjeneruar EMI. Kjo është bërë një nga arsyet pse shumë njerëz mendojnë se instalimet elektrike me kënd të drejtë nuk mund të kalohen. Megjithatë, shumë rezultate aktuale të testit tregojnë se gjurmët me kënd të drejtë nuk do të prodhojnë EMI të dukshme sesa linjat e drejta. Ndoshta performanca aktuale e instrumentit dhe niveli i provës kufizojnë saktësinë e testit, por të paktën kjo ilustron një problem. Rrezatimi i instalimeve elektrike me kënd të drejtë është tashmë më i vogël se gabimi i matjes së vetë instrumentit.

Në përgjithësi, drejtimi me kënd të drejtë nuk është aq i tmerrshëm sa imagjinohet. Të paktën në aplikacionet nën GHz, çdo efekt si kapaciteti, reflektimi, EMI, etj., nuk pasqyrohen pothuajse në testimin TDR. Inxhinierët e projektimit të PCB-ve me shpejtësi të lartë duhet të përqendrohen ende në paraqitjen, dizajnin e fuqisë/tokës dhe projektimit të instalimeve elektrike. Nëpërmjet vrimave dhe aspekteve të tjera. Natyrisht, megjithëse ndikimi i instalimeve elektrike me kënd të drejtë nuk është shumë serioz, kjo nuk do të thotë që të gjithë mund të përdorim instalime elektrike me kënd të drejtë në të ardhmen. Vëmendja ndaj detajeve është cilësia bazë që duhet të ketë çdo inxhinier i mirë. Për më tepër, me zhvillimin e shpejtë të qarqeve dixhitale, PCB Frekuenca e sinjalit të përpunuar nga inxhinierët do të vazhdojë të rritet. Në fushën e dizajnit RF mbi 10 GHz, këto kënde të vogla të drejta mund të bëhen fokusi i problemeve me shpejtësi të lartë.

2. Drejtimi diferencial

Sinjali diferencial (DifferentialSignal) përdoret gjithnjë e më gjerësisht në projektimin e qarkut me shpejtësi të lartë. Sinjali më kritik në qark është projektuar shpesh me një strukturë diferenciale. Çfarë e bën atë kaq popullor? Si të sigurohet performanca e tij e mirë në dizajnimin e PCB-ve? Me këto dy pyetje kalojmë në pjesën tjetër të diskutimit.

Çfarë është një sinjal diferencial? Në terma të thjeshtë, fundi i drejtimit dërgon dy sinjale të barabarta dhe të përmbysura, dhe fundi marrës gjykon gjendjen logjike “0” ose “1” duke krahasuar diferencën midis dy tensioneve. Çifti i gjurmëve që bartin sinjale diferenciale quhet gjurmë diferenciale.

Krahasuar me gjurmët e zakonshme të sinjalit me një fund, sinjalet diferenciale kanë përparësitë më të dukshme në tre aspektet e mëposhtme:

a. Aftësi e fortë kundër ndërhyrjes, sepse bashkimi midis dy gjurmëve diferenciale është shumë i mirë. Kur ka interferencë zhurme nga jashtë, ato janë pothuajse të lidhura me dy linjat në të njëjtën kohë, dhe fundi marrës kujdeset vetëm për ndryshimin midis dy sinjaleve. Prandaj, zhurma e jashtme e modalitetit të përbashkët mund të anulohet plotësisht. b. Mund të shtypë në mënyrë efektive EMI. Për të njëjtën arsye, për shkak të polaritetit të kundërt të dy sinjaleve, fushat elektromagnetike të rrezatuara prej tyre mund të anulojnë njëra-tjetrën. Sa më i ngushtë të jetë bashkimi, aq më pak energji elektromagnetike derdhet në botën e jashtme. c. Pozicionimi i kohës është i saktë. Për shkak se ndryshimi i ndërprerësit të sinjalit diferencial ndodhet në kryqëzimin e dy sinjaleve, ndryshe nga sinjali i zakonshëm me një skaj, i cili varet nga tensionet e pragut të lartë dhe të ulët për t’u përcaktuar, ai ndikohet më pak nga procesi dhe temperatura, të cilat mund të zvogëloni gabimin në kohë. , Por edhe më i përshtatshëm për qarqet e sinjalit me amplitudë të ulët. LVDS-ja e tanishme popullore (sinjalizim diferencial me tension të ulët) i referohet kësaj teknologjie të sinjaleve diferenciale me amplitudë të vogël.

Për inxhinierët e PCB-ve, shqetësimi më i madh është se si të sigurohet që këto avantazhe të instalimeve elektrike diferenciale të mund të përdoren plotësisht në instalimet elektrike aktuale. Ndoshta kushdo që ka qenë në kontakt me Layout do të kuptojë kërkesat e përgjithshme të instalimeve elektrike diferenciale, domethënë “gjatësi të barabartë dhe distancë të barabartë”. Gjatësia e barabartë është të sigurojë që dy sinjalet diferenciale të mbajnë polaritete të kundërta gjatë gjithë kohës dhe të zvogëlojnë komponentin e modalitetit të përbashkët; Distanca e barabartë është kryesisht për të siguruar që impedancat diferenciale të të dyjave janë të qëndrueshme dhe reduktojnë reflektimet. “Sa më afër që të jetë e mundur” është ndonjëherë një nga kërkesat e instalimeve elektrike diferenciale. Por të gjitha këto rregulla nuk përdoren për t’u zbatuar mekanikisht, dhe shumë inxhinierë duket se ende nuk e kuptojnë thelbin e transmetimit të sinjalit diferencial me shpejtësi të lartë.

Më poshtë fokusohet në disa keqkuptime të zakonshme në dizajnimin e sinjalit diferencial PCB.

Keqkuptimi 1: Besohet se sinjali diferencial nuk ka nevojë për një plan tokësor si rrugë kthimi, ose se gjurmët diferenciale ofrojnë një rrugë kthimi për njëri-tjetrin. Arsyeja e këtij keqkuptimi është se ato ngatërrohen nga fenomene sipërfaqësore, ose mekanizmi i transmetimit të sinjalit me shpejtësi të lartë nuk është mjaft i thellë. Mund të shihet nga struktura e skajit marrës të figurës 1-8-15 se rrymat e emetuesit të transistorëve Q3 dhe Q4 janë të barabarta dhe të kundërta, dhe rrymat e tyre në tokë anulojnë saktësisht njëra-tjetrën (I1=0), kështu që qarku diferencial është Kërcimet e ngjashme dhe sinjalet e tjera të zhurmës që mund të ekzistojnë në planet e fuqisë dhe tokës janë të pandjeshme. Anulimi i pjesshëm i kthimit të planit tokësor nuk do të thotë që qarku diferencial nuk përdor planin e referencës si rrugë të kthimit të sinjalit. Në fakt, në analizën e kthimit të sinjalit, mekanizmi i instalimeve elektrike diferenciale dhe instalimeve elektrike të zakonshme me një skaj është i njëjtë, domethënë, sinjalet me frekuencë të lartë janë gjithmonë të ringjallura përgjatë lakut me induktivitetin më të vogël, ndryshimi më i madh është se përveç bashkimi me tokën, linja diferenciale ka edhe bashkim reciprok. Cili lloj bashkimi është i fortë, cili bëhet shtegu kryesor i kthimit. Figura 1-8-16 është një diagram skematik i shpërndarjes së fushës gjeomagnetike të sinjaleve me një skaj dhe sinjaleve diferenciale.

Në projektimin e qarkut PCB, bashkimi midis gjurmëve diferenciale është përgjithësisht i vogël, shpesh përbën vetëm 10 deri në 20% të shkallës së bashkimit, dhe më shumë është bashkimi me tokën, kështu që rruga kryesore e kthimit të gjurmës diferenciale ekziston ende në tokë. aeroplan . Kur rrafshi i tokës është i ndërprerë, bashkimi midis gjurmëve diferenciale do të sigurojë rrugën kryesore të kthimit në zonën pa një plan referencë, siç tregohet në figurën 1-8-17. Megjithëse ndikimi i ndërprerjes së planit të referencës në gjurmën diferenciale nuk është aq serioz sa ai i gjurmës së zakonshme me një skaj, ai përsëri do të zvogëlojë cilësinë e sinjalit diferencial dhe do të rrisë EMI-në, e cila duhet të shmanget sa më shumë që të jetë e mundur. . Disa projektues besojnë se rrafshi i referencës nën gjurmën diferenciale mund të hiqet për të shtypur disa sinjale të modalitetit të zakonshëm në transmetimin diferencial. Megjithatë, kjo qasje nuk është e dëshirueshme në teori. Si të kontrollohet impedanca? Mos sigurimi i një qarku të rezistencës së tokës për sinjalin e modalitetit të përbashkët do të shkaktojë në mënyrë të pashmangshme rrezatim EMI. Kjo qasje bën më shumë dëm sesa mirë.

Keqkuptimi 2: Besohet se mbajtja e një hapësire të barabartë është më e rëndësishme sesa përputhja e gjatësisë së linjës. Në paraqitjen aktuale të PCB-ve, shpesh nuk është e mundur të plotësohen kërkesat e dizajnit diferencial në të njëjtën kohë. Për shkak të ekzistencës së shpërndarjes së kunjave, viave dhe hapësirës së instalimeve elektrike, qëllimi i përputhjes së gjatësisë së linjës duhet të arrihet përmes mbështjelljes së duhur, por rezultati duhet të jetë që disa zona të çiftit diferencial nuk mund të jenë paralele. Çfarë duhet të bëjmë në këtë kohë? Cila zgjedhje? Përpara se të nxjerrim përfundime, le të hedhim një vështrim në rezultatet e simulimit të mëposhtëm.

Nga rezultatet e simulimit të mësipërm, mund të shihet se format valore të Skemës 1 dhe Skemës 2 janë pothuajse të rastësishme, domethënë ndikimi i shkaktuar nga hapësira e pabarabartë është minimale. Në krahasim, ndikimi i mospërputhjes së gjatësisë së linjës në kohën është shumë më i madh. (Skema 3). Nga analiza teorike, megjithëse distanca e paqëndrueshme do të shkaktojë ndryshimin e rezistencës diferenciale, sepse bashkimi midis çiftit diferencial në vetvete nuk është i rëndësishëm, diapazoni i ndryshimit të impedancës është gjithashtu shumë i vogël, zakonisht brenda 10%, që është vetëm ekuivalente me një kalim. . Reflektimi i shkaktuar nga vrima nuk do të ketë një ndikim të rëndësishëm në transmetimin e sinjalit. Pasi gjatësia e linjës nuk përputhet, përveç kompensimit të kohës, komponentët e modalitetit të zakonshëm futen në sinjalin diferencial, gjë që zvogëlon cilësinë e sinjalit dhe rrit EMI.

Mund të thuhet se rregulli më i rëndësishëm në projektimin e gjurmëve diferenciale të PCB-ve është gjatësia e linjës që përputhet, dhe rregullat e tjera mund të trajtohen në mënyrë fleksibël sipas kërkesave të projektimit dhe aplikimeve praktike.

Keqkuptimi 3: Mendoni se instalimet elektrike diferenciale duhet të jenë shumë afër. Mbajtja e gjurmëve diferenciale afër nuk është gjë tjetër veçse të përmirësohet bashkimi i tyre, i cili jo vetëm që mund të përmirësojë imunitetin ndaj zhurmës, por gjithashtu të përdorë plotësisht polaritetin e kundërt të fushës magnetike për të kompensuar ndërhyrjen elektromagnetike në botën e jashtme. Edhe pse kjo qasje është shumë e dobishme në shumicën e rasteve, ajo nuk është absolute. Nëse mund të sigurohemi që ato të jenë plotësisht të mbrojtura nga ndërhyrjet e jashtme, atëherë nuk kemi nevojë të përdorim bashkim të fortë për të arritur kundër ndërhyrjes. Dhe qëllimi i shtypjes së EMI. Si mund të sigurojmë izolim dhe mbrojtje të mirë të gjurmëve diferenciale? Rritja e hapësirës me gjurmë të tjera të sinjalit është një nga mënyrat më themelore. Energjia e fushës elektromagnetike zvogëlohet me katrorin e distancës. Në përgjithësi, kur distanca e linjës tejkalon 4 herë gjerësinë e linjës, ndërhyrja ndërmjet tyre është jashtëzakonisht e dobët. Mund të injorohet. Përveç kësaj, izolimi nga rrafshi i tokës mund të luajë gjithashtu një rol të mirë mbrojtës. Kjo strukturë përdoret shpesh në dizajnimin e PCB-ve të paketës IC me frekuencë të lartë (mbi 10G). Quhet një strukturë CPW, e cila mund të sigurojë rezistencë strikte diferenciale. Kontrolli (2Z0), siç tregohet në figurën 1-8-19.

Gjurmët diferenciale mund të kalojnë gjithashtu në shtresa të ndryshme sinjalesh, por kjo metodë në përgjithësi nuk rekomandohet, sepse ndryshimet në rezistencën dhe vizat e prodhuara nga shtresa të ndryshme do të shkatërrojnë efektin e transmetimit të modalitetit diferencial dhe do të krijojnë zhurmë të modalitetit të përbashkët. Përveç kësaj, nëse dy shtresat ngjitur nuk janë të lidhura fort, kjo do të zvogëlojë aftësinë e gjurmës diferenciale për t’i rezistuar zhurmës, por nëse mund të ruani një distancë të duhur nga gjurmët përreth, ndërlidhja nuk është problem. Në frekuencat e përgjithshme (nën GHz), EMI nuk do të jetë një problem serioz. Eksperimentet kanë treguar se zbutja e energjisë së rrezatuar në një distancë prej 500 mils nga një gjurmë diferenciale ka arritur në 60 dB në një distancë prej 3 metrash, e cila është e mjaftueshme për të përmbushur standardin e rrezatimit elektromagnetik FCC, kështu që projektuesi nuk duhet të shqetësohet gjithashtu. shumë për papajtueshmërinë elektromagnetike të shkaktuar nga bashkimi i pamjaftueshëm i linjës diferenciale.

3. Linja serpentine

Linja e gjarprit është një lloj metode rrugëtimi që përdoret shpesh në Layout. Qëllimi i tij kryesor është të rregullojë vonesën për të përmbushur kërkesat e projektimit të kohës së sistemit. Projektuesi duhet së pari të ketë këtë kuptim: linja serpentine do të shkatërrojë cilësinë e sinjalit, do të ndryshojë vonesën e transmetimit dhe do të përpiqet të shmangë përdorimin e tij gjatë instalimeve elektrike. Megjithatë, në projektimin aktual, për të siguruar që sinjali të ketë kohë të mjaftueshme të mbajtjes, ose për të reduktuar kompensimin e kohës ndërmjet të njëjtit grup sinjalesh, shpesh është e nevojshme të mbështillet qëllimisht teli.

Pra, çfarë efekti ka linja serpentine në transmetimin e sinjalit? Çfarë duhet t’i kushtoj vëmendje kur lidhni instalime elektrike? Dy parametrat më kritikë janë gjatësia e bashkimit paralel (Lp) dhe distanca e bashkimit (S), siç tregohet në figurën 1-8-21. Natyrisht, kur sinjali transmetohet në gjurmën serpentine, segmentet e linjës paralele do të çiftohen në një mënyrë diferenciale. Sa më i vogël S dhe sa më i madh Lp, aq më e madhe është shkalla e bashkimit. Mund të shkaktojë zvogëlimin e vonesës së transmetimit dhe cilësinë e sinjalit ulet shumë për shkak të ndërlidhjes. Mekanizmi mund t’i referohet analizës së ndërlidhjes së modalitetit të përbashkët dhe modalitetit diferencial në Kapitullin 3.

Më poshtë janë disa sugjerime për inxhinierët e Layout kur kanë të bëjnë me linjat serpentine:

1. Përpiquni të rrisni distancën (S) të segmenteve të vijës paralele, të paktën më të madhe se 3H, H i referohet distancës nga gjurma e sinjalit në rrafshin referues. Në terma laikë, është të kalosh një kthesë të madhe. Për sa kohë që S është mjaft i madh, efekti i bashkimit të ndërsjellë mund të shmanget pothuajse plotësisht. 2. Zvogëloni gjatësinë e bashkimit Lp. Kur vonesa e dyfishtë e Lp afrohet ose tejkalon kohën e rritjes së sinjalit, ndërlidhja e krijuar do të arrijë ngopjen. 3. Vonesa e transmetimit të sinjalit e shkaktuar nga linja serpentine e Strip-Line ose Embedded Micro-strip është më e vogël se ajo e Micro-strip. Në teori, stripline nuk do të ndikojë në shpejtësinë e transmetimit për shkak të ndërlidhjes së modalitetit diferencial. 4. Për linjat e sinjalit me shpejtësi të lartë dhe ato me kërkesa strikte për kohën, përpiquni të mos përdorni linja serpentine, veçanërisht në zona të vogla. 5. Shpesh mund të përdorni gjurmë gjarpri në çdo kënd, siç është struktura C në figurën 1-8-20, e cila mund të zvogëlojë në mënyrë efektive bashkimin e ndërsjellë. 6. Në dizajnin e PCB-ve me shpejtësi të lartë, linja serpentine nuk ka të ashtuquajturën aftësi filtrimi ose anti-ndërhyrjeje dhe mund të zvogëlojë vetëm cilësinë e sinjalit, kështu që përdoret vetëm për përputhjen e kohës dhe nuk ka qëllim tjetër. 7. Ndonjëherë ju mund të konsideroni drejtimin spirale për dredha-dredha. Simulimi tregon se efekti i tij është më i mirë se drejtimi normal gjarpëror.