Распоред је једна од најосновнијих радних вештина за инжењере ПЦБ дизајна. Квалитет ожичења ће директно утицати на перформансе целог система. Већина теорија дизајна велике брзине мора бити коначно имплементирана и верификована кроз Лаиоут. Може се видети да је ожичење веома важно у брза ПЦБ дизајн. У наставку ће се анализирати рационалност неких ситуација које се могу сусрести у стварном ожичењу и дати неке оптимизованије стратегије рутирања.

Углавном се објашњава са три аспекта: ожичење под правим углом, диференцијално ожичење и серпентинасто ожичење.

1. Ротирање под правим углом

Ожичење под правим углом је генерално ситуација коју треба избегавати што је више могуће у ожичењу ПЦБ-а и скоро је постало један од стандарда за мерење квалитета ожичења. Дакле, колики ће утицај ожичења под правим углом имати на пренос сигнала? У принципу, усмеравање под правим углом ће променити ширину линије преноса, узрокујући дисконтинуитет у импеданси. У ствари, не само усмеравање под правим углом, већ и углови и глодање под оштрим углом могу изазвати промене импедансе.

Утицај усмеравања под правим углом на сигнал се углавном огледа у три аспекта:

Један је да угао може бити еквивалентан капацитивном оптерећењу на далеководу, што успорава време пораста; други је да ће дисконтинуитет импедансе изазвати рефлексију сигнала; трећи је ЕМИ који генерише врх под правим углом.

Паразитска капацитивност узрокована правим углом далековода може се израчунати следећом емпиријском формулом:

Ц = 61В (Ер) 1/2/З0

У горњој формули, Ц се односи на еквивалентну капацитивност угла (јединица: пФ), В се односи на ширину трага (јединица: инч), εр се односи на диелектричну константу средине, а З0 је карактеристична импеданса далековода. На пример, за преносни вод од 4Милс 50 ома (εр је 4.3), капацитивност коју доноси прави угао износи око 0.0101пФ, а онда се промена времена пораста узрокована овим може проценити:

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

Прорачуном се може видети да је ефекат капацитивности који доноси правоугаони траг изузетно мали.

Како се ширина линије правоугаоног трага повећава, тамошња импеданса ће се смањивати, па ће се јавити одређени феномен рефлексије сигнала. Можемо израчунати еквивалентну импедансу након што се ширина линије повећа према формули за израчунавање импедансе поменутој у поглављу о далеководу, а затим израчунати коефицијент рефлексије према емпиријској формули:

ρ=(Зс-З0)/(Зс+З0)

Генерално, промена импедансе узрокована ожичењем под правим углом је између 7% -20%, тако да је максимални коефицијент рефлексије око 0.1. Штавише, као што се може видети са доње слике, импеданса далековода се мења на минимум унутар дужине В/2 линије, а затим се враћа на нормалну импедансу након времена В/2. Целокупно време промене импедансе је изузетно кратко, често унутар 10пс. Унутра су тако брзе и мале промене скоро занемарљиве за општи пренос сигнала.

Многи људи имају ово разумевање ожичења под правим углом. Они мисле да је врх лако преносити или примати електромагнетне таласе и стварати ЕМИ. Ово је постао један од разлога зашто многи људи мисле да се ожичење под правим углом не може усмерити. Међутим, многи стварни резултати тестирања показују да трагови под правим углом неће произвести очигледан ЕМИ него праве линије. Можда тренутне перформансе инструмента и ниво тестирања ограничавају тачност теста, али барем илуструју проблем. Зрачење ожичења под правим углом је већ мање од грешке мерења самог инструмента.

Генерално, усмеравање под правим углом није тако страшно као што се замишља. Барем у апликацијама испод ГХз, било који ефекти као што су капацитивност, рефлексија, ЕМИ, итд. једва да се одражавају у ТДР тестирању. Инжењери за пројектовање ПЦБ-а велике брзине би се и даље требали фокусирати на распоред, дизајн напајања/уземљења и дизајн ожичења. Преко рупа и других аспеката. Наравно, иако утицај ожичења под правим углом није веома озбиљан, то не значи да сви можемо да користимо ожичење под правим углом у будућности. Пажња према детаљима је основни квалитет који сваки добар инжењер мора имати. Штавише, са брзим развојем дигиталних кола, ПЦБ фреквенција сигнала који обрађују инжењери ће наставити да расте. У области РФ дизајна изнад 10 ГХз, ови мали прави углови могу постати фокус проблема великих брзина.

2. Диференцијално рутирање

Диференцијални сигнал (ДифферентиалСигнал) се све више користи у дизајну кола за велике брзине. Најкритичнији сигнал у колу је често дизајниран са диференцијалном структуром. Шта га чини тако популарним? Како осигурати његове добре перформансе у дизајну ПЦБ-а? Са ова два питања прелазимо на следећи део дискусије.

Шта је диференцијални сигнал? Лаички речено, покретачка страна шаље два једнака и обрнута сигнала, а страна која прима процењује логичко стање „0” или „1” упоређујући разлику између два напона. Пар трагова који носе диференцијалне сигнале се називају диференцијални трагови.

У поређењу са обичним једностраним сигналним траговима, диференцијални сигнали имају најочигледније предности у следећа три аспекта:

а. Јака способност против сметњи, јер је спој између два диференцијална трага веома добар. Када постоји интерференција буке споља, они су скоро спојени на две линије у исто време, а крај који прима само брине о разлици између два сигнала. Због тога се спољна бука заједничког мода може потпуно поништити. б. Може ефикасно да потисне ЕМИ. Из истог разлога, због супротног поларитета два сигнала, електромагнетна поља која зраче могу једно друго да се пониште. Што је веза чвршћа, мање електромагнетне енергије излази у спољашњи свет. ц. Временско позиционирање је тачно. Пошто се промена прекидача диференцијалног сигнала налази на пресеку два сигнала, за разлику од обичног једностраног сигнала, који зависи од високог и ниског прага напона за одређивање, на њега мање утичу процес и температура, што може смањити грешку у тајмингу. , Али и погоднији за сигнална кола ниске амплитуде. Тренутни популарни ЛВДС (ловволтагедифферентиалсигналинг) се односи на ову технологију диференцијалног сигнала мале амплитуде.

Инжењери ПЦБ-а највише брину како да осигурају да се ове предности диференцијалног ожичења могу у потпуности искористити у стварном ожичењу. Можда ће свако ко је био у контакту са Лаиоут-ом разумети опште захтеве диференцијалног ожичења, односно „једнаке дужине и једнаког растојања“. Једнака дужина осигурава да два диференцијална сигнала одржавају супротне поларитете у сваком тренутку и смањују компоненту заједничког мода; једнако растојање је углавном да би се осигурало да су диференцијалне импедансе ове две конзистентне и смањиле рефлексије. „Што је могуће ближе“ је понекад један од захтева за диференцијално ожичење. Али сва ова правила се не примењују механички, а чини се да многи инжењери још увек не разумеју суштину диференцијалног преноса сигнала велике брзине.

Следеће се фокусира на неколико уобичајених неспоразума у ​​дизајну диференцијалног сигнала ПЦБ-а.

Неспоразум 1: Верује се да диференцијалном сигналу није потребна уземљена равнина као повратна путања, или да диференцијални трагови обезбеђују повратну путању једни за друге. Разлог за овај неспоразум је то што су збуњени површним појавама, или механизам преноса сигнала великом брзином није довољно дубок. Из структуре пријемног краја са слике 1-8-15 може се видети да су емитерске струје транзистора К3 и К4 једнаке и супротне, а њихове струје у земљи тачно једна другу поништавају (И1=0), па диференцијално коло је Слична одбијања и други сигнали шума који могу постојати на равнима напајања и уземљења су неосетљиви. Делимично поништавање повратне равни уземљења не значи да диференцијално коло не користи референтну раван као повратну путању сигнала. У ствари, у анализи повратка сигнала, механизам диференцијалног ожичења и обичног једностраног ожичења је исти, односно високофреквентни сигнали су увек Рефлов дуж петље са најмањом индуктивношћу, највећа разлика је у томе што поред спојница са земљом, диференцијална линија такође има међусобну спрегу. Која врста спреге је јака, која постаје главни повратни пут. Слика 1-8-16 је шематски дијаграм дистрибуције геомагнетног поља једностраних и диференцијалних сигнала.

У дизајну ПЦБ кола, спрега између диференцијалних трагова је генерално мала, често чини само 10 до 20% степена спајања, а више је спајање са земљом, тако да главни повратни пут диференцијалног трага и даље постоји на земљи авион . Када је уземљена раван дисконтинуирана, спрега између диференцијалних трагова ће обезбедити главну повратну путању у области без референтне равни, као што је приказано на слици 1-8-17. Иако утицај дисконтинуитета референтне равни на диференцијални траг није тако озбиљан као код обичног једностраног трага, ипак ће смањити квалитет диференцијалног сигнала и повећати ЕМИ, што треба избегавати колико год је то могуће. . Неки дизајнери верују да се референтна раван испод диференцијалног трага може уклонити да би се потиснули неки уобичајени сигнали у диференцијалном преносу. Међутим, овај приступ није пожељан у теорији. Како контролисати импеданцију? Необезбеђивање петље импедансе уземљења за сигнал заједничког мода неизбежно ће изазвати ЕМИ зрачење. Овај приступ доноси више штете него користи.

Неспоразум 2: Верује се да је одржавање једнаког размака важније од подударања дужине линије. У стварном распореду ПЦБ-а, често није могуће истовремено испунити захтеве диференцијалног дизајна. Због постојања дистрибуције пинова, пролаза и простора за ожичење, сврха усклађивања дужине линије мора се постићи правилним намотавањем, али резултат мора бити да неке области диференцијалног пара не могу бити паралелне. Шта да радимо у овом тренутку? Који избор? Пре него што донесемо закључке, погледајмо следеће резултате симулације.

Из горњих резултата симулације може се видети да се таласни облици шеме 1 и шеме 2 скоро поклапају, односно да је утицај изазван неједнаким размаком минималан. У поређењу са тим, утицај неусклађености дужине линије на тајминг је много већи. (Шема 3). Из теоријске анализе, иако ће недоследан размак проузроковати промену диференцијалне импедансе, јер спрега између самог диференцијалног пара није значајна, опсег промене импедансе је такође веома мали, обично унутар 10%, што је еквивалентно само једном пролазу . Рефлексија изазвана рупом неће имати значајан утицај на пренос сигнала. Када се дужина линије не поклапа, поред временског офсета, компоненте заједничког мода се уводе у диференцијални сигнал, што смањује квалитет сигнала и повећава ЕМИ.

Може се рећи да је најважније правило у дизајну диференцијалних трагова ПЦБ-а одговарајућа дужина линије, а другим правилима се може флексибилно руковати у складу са захтевима дизајна и практичним применама.

Неспоразум 3: Мислите да диференцијално ожичење мора бити веома близу. Одржавање диференцијалних трагова близу није ништа друго него да се побољша њихово спајање, што не само да може побољшати отпорност на буку, већ и у потпуности искористити супротан поларитет магнетног поља за неутралисање електромагнетних сметњи у спољашњем свету. Иако је овај приступ у већини случајева веома користан, није апсолутан. Ако можемо да обезбедимо да су у потпуности заштићени од спољашњих сметњи, онда не морамо да користимо јаку спрегу да бисмо постигли анти-интерференцију. И сврха сузбијања ЕМИ. Како можемо осигурати добру изолацију и заштиту диференцијалних трагова? Повећање размака са другим траговима сигнала је један од најосновнијих начина. Енергија електромагнетног поља опада са квадратом удаљености. Генерално, када размак између линија прелази 4 пута ширину линије, интерференција између њих је изузетно слаба. Може се занемарити. Поред тога, изолација земљом такође може играти добру заштитну улогу. Ова структура се често користи у високофреквентном (изнад 10Г) ИЦ пакету ПЦБ дизајна. Зове се ЦПВ структура, која може осигурати строгу диференцијалну импедансу. Контрола (2З0), као што је приказано на слици 1-8-19.

Диференцијални трагови такође могу да се одвијају у различитим слојевима сигнала, али се овај метод генерално не препоручује, јер ће разлике у импеданси и пропусности које производе различити слојеви уништити ефекат диференцијалног преноса и увести шум заједничког мода. Поред тога, ако суседна два слоја нису чврсто повезана, то ће смањити способност диференцијалног трага да се одупре шуму, али ако можете да одржите одговарајућу удаљеност од околних трагова, преслушавање није проблем. На општим фреквенцијама (испод ГХз), ЕМИ неће представљати озбиљан проблем. Експерименти су показали да је слабљење зрачене енергије на удаљености од 500 милс од диференцијалног трага достигло 60 дБ на удаљености од 3 метра, што је довољно да задовољи ФЦЦ стандард за електромагнетно зрачење, тако да пројектант не мора да брине превише. много о електромагнетној некомпатибилности узрокованој недовољном спрегом диференцијалне линије.

3. Серпентинска линија

Змијска линија је врста методе рутирања која се често користи у Лаиоут-у. Његова главна сврха је да подеси кашњење како би се испунили захтеви пројектовања системског времена. Дизајнер прво мора имати ово разумевање: серпентинска линија ће уништити квалитет сигнала, променити кашњење у преносу и покушати да избегне коришћење при ожичењу. Међутим, у стварном дизајну, да би се осигурало да сигнал има довољно времена задржавања, или да би се смањио временски помак између исте групе сигнала, често је потребно намерно намотати жицу.

Дакле, какав утицај има серпентина на пренос сигнала? На шта треба обратити пажњу приликом ожичења? Два најкритичнија параметра су паралелна дужина спајања (Лп) и растојање спајања (С), као што је приказано на слици 1-8-21. Очигледно, када се сигнал преноси на серпентинском трагу, сегменти паралелне линије ће бити спојени у диференцијалном режиму. Што је мањи С и већи Лп, то је већи степен спреге. То може довести до смањења кашњења у преносу, а квалитет сигнала је знатно смањен због преслушавања. Механизам се може односити на анализу унакрсних преслушавања заједничког и диференцијалног мода у Поглављу 3.

Следе неки предлози за инжењере распореда када раде са серпентинским линијама:

1. Покушајте да повећате растојање (С) паралелних сегмената линија, најмање веће од 3Х, Х се односи на растојање од трага сигнала до референтне равни. Лаички речено, то је обићи велику кривину. Све док је С довољно велико, ефекат међусобног спајања може се скоро потпуно избећи. 2. Смањите дужину спојнице Лп. Када се двоструко Лп кашњење приближи или премаши време пораста сигнала, генерисано преслушавање ће достићи засићење. 3. Кашњење у преносу сигнала узроковано змијоликом траке или уграђене микротраке је мање од кашњења микротраке. У теорији, тракаста линија неће утицати на брзину преноса због преслушавања у диференцијалном режиму. 4. За сигналне линије велике брзине и оне са строгим временским захтевима, покушајте да не користите серпентинасте линије, посебно у малим областима. 5. Често можете користити серпентинасте трагове под било којим углом, као што је Ц структура на слици 1-8-20, која може ефикасно да смањи међусобну спрегу. 6. У дизајну ПЦБ-а велике брзине, серпентинска линија нема такозвану способност филтрирања или спречавања сметњи, и може само да смањи квалитет сигнала, тако да се користи само за усклађивање времена и нема другу сврху. 7. Понекад можете размислити о спиралном глодању за намотавање. Симулација показује да је њен ефекат бољи од нормалног рутирања серпентином.