Ang layout ay isa sa mga pinakapangunahing kasanayan sa trabaho para sa mga inhinyero ng disenyo ng PCB. Ang kalidad ng mga kable ay direktang makakaapekto sa pagganap ng buong sistema. Karamihan sa mga high-speed na teorya ng disenyo ay dapat na sa wakas ay maipatupad at ma-verify sa pamamagitan ng Layout. Makikita na ang mga kable ay napakahalaga sa ang bilis ng PCB disenyo. Susuriin ng mga sumusunod ang katwiran ng ilang sitwasyon na maaaring maranasan sa aktwal na mga wiring, at magbibigay ng ilang mas na-optimize na diskarte sa pagruruta.

Pangunahing ipinaliwanag ito mula sa tatlong aspeto: right-angle wiring, differential wiring, at serpentine wiring.

1. Pagruruta sa kanang anggulo

Ang right-angle na mga kable ay karaniwang isang sitwasyon na kailangang iwasan hangga’t maaari sa mga kable ng PCB, at ito ay halos naging isa sa mga pamantayan para sa pagsukat ng kalidad ng mga kable. Kaya gaano kalaki ang impluwensya ng right-angle na mga kable sa paghahatid ng signal? Sa prinsipyo, babaguhin ng right-angle routing ang lapad ng linya ng transmission line, na magdudulot ng discontinuity sa impedance. Sa katunayan, hindi lamang right-angle routing, kundi pati na rin ang mga corner at acute-angle routing ay maaaring magdulot ng mga pagbabago sa impedance.

Ang impluwensya ng right-angle routing sa signal ay pangunahing makikita sa tatlong aspeto:

Ang isa ay ang sulok ay maaaring katumbas ng capacitive load sa linya ng paghahatid, na nagpapabagal sa oras ng pagtaas; ang pangalawa ay ang impedance discontinuity ay magiging sanhi ng pagmuni-muni ng signal; ang pangatlo ay ang EMI na nabuo ng right-angle tip.

Ang parasitic capacitance na dulot ng tamang anggulo ng transmission line ay maaaring kalkulahin ng sumusunod na empirical formula:

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

Sa formula sa itaas, ang C ay tumutukoy sa katumbas na kapasidad ng sulok (unit: pF), W ay tumutukoy sa lapad ng bakas (unit: pulgada), ang εr ay tumutukoy sa dielectric na pare-pareho ng daluyan, at ang Z0 ay ang katangian ng impedance. ng linya ng paghahatid. Halimbawa, para sa isang 4Mils 50 ohm transmission line (εr ay 4.3), ang capacitance na dala ng tamang anggulo ay humigit-kumulang 0.0101pF, at pagkatapos ay ang pagbabago sa pagtaas ng oras na dulot nito ay maaaring matantya:

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

Ito ay makikita sa pamamagitan ng pagkalkula na ang capacitance effect na dala ng right-angle trace ay napakaliit.

Habang tumataas ang lapad ng linya ng right-angle trace, bababa ang impedance doon, kaya magaganap ang isang tiyak na hindi pangkaraniwang bagay ng pagmuni-muni ng signal. Maaari naming kalkulahin ang katumbas na impedance pagkatapos tumaas ang lapad ng linya ayon sa formula ng pagkalkula ng impedance na binanggit sa kabanata ng linya ng paghahatid, at pagkatapos Kalkulahin ang koepisyent ng pagmuni-muni ayon sa empirical na formula:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Sa pangkalahatan, ang pagbabago ng impedance na dulot ng right-angle na mga kable ay nasa pagitan ng 7%-20%, kaya ang maximum na reflection coefficient ay humigit-kumulang 0.1. Bukod dito, tulad ng makikita mula sa figure sa ibaba, ang impedance ng linya ng paghahatid ay nagbabago sa pinakamababa sa loob ng haba ng linya ng W/2, at pagkatapos ay bumalik sa normal na impedance pagkatapos ng oras ng W/2. Ang buong oras ng pagbabago ng impedance ay napakaikli, kadalasan sa loob ng 10ps. Sa loob, ang gayong mabilis at maliliit na pagbabago ay halos bale-wala para sa pangkalahatang paghahatid ng signal.

Maraming tao ang may ganitong pang-unawa sa mga right-angle na mga kable. Iniisip nila na ang tip ay madaling magpadala o tumanggap ng mga electromagnetic wave at makabuo ng EMI. Ito ay naging isa sa mga dahilan kung bakit maraming tao ang nag-iisip na ang right-angle na mga kable ay hindi maaaring iruruta. Gayunpaman, maraming aktwal na resulta ng pagsubok ang nagpapakita na ang mga right-angled na bakas ay hindi makakapagdulot ng halatang EMI kaysa sa mga tuwid na linya. Marahil ang kasalukuyang pagganap ng instrumento at ang antas ng pagsubok ay naghihigpit sa katumpakan ng pagsubok, ngunit hindi bababa sa ito ay naglalarawan ng isang problema. Ang radiation ng right-angled na mga kable ay mas maliit na kaysa sa error sa pagsukat ng mismong instrumento.

Sa pangkalahatan, ang tamang-anggulo na pagruruta ay hindi kasing kahila-hilakbot gaya ng inaakala. Hindi bababa sa mga application na mas mababa sa GHz, ang anumang mga epekto gaya ng capacitance, reflection, EMI, atbp. ay halos hindi makikita sa TDR testing. Ang mga inhinyero ng high-speed na disenyo ng PCB ay dapat pa ring tumuon sa layout, disenyo ng kuryente/lupa, at disenyo ng mga kable. Sa pamamagitan ng mga butas at iba pang aspeto. Siyempre, kahit na ang epekto ng right-angle wiring ay hindi masyadong seryoso, hindi ito nangangahulugan na lahat tayo ay maaaring gumamit ng right-angle wiring sa hinaharap. Ang atensyon sa detalye ay ang pangunahing kalidad na dapat taglayin ng bawat mahusay na inhinyero. Bukod dito, sa mabilis na pag-unlad ng mga digital circuit, PCB Ang dalas ng signal na naproseso ng mga inhinyero ay patuloy na tataas. Sa larangan ng disenyo ng RF sa itaas ng 10GHz, ang maliliit na kanang anggulong ito ay maaaring maging pokus ng mga problema sa high-speed.

2. Differential routing

Ang differential signal (DifferentialSignal) ay mas malawak na ginagamit sa high-speed na disenyo ng circuit. Ang pinaka-kritikal na signal sa circuit ay madalas na idinisenyo na may isang istraktura ng kaugalian. Ano ang nagpapasikat dito? Paano masisiguro ang mahusay na pagganap nito sa disenyo ng PCB? Sa dalawang tanong na ito, magpatuloy tayo sa susunod na bahagi ng talakayan.

Ano ang isang differential signal? Sa mga termino ng karaniwang tao, ang dulo ng pagmamaneho ay nagpapadala ng dalawang magkapareho at baligtad na mga signal, at hinuhusgahan ng tatanggap na dulo ang estado ng lohika na “0” o “1” sa pamamagitan ng paghahambing ng pagkakaiba sa pagitan ng dalawang boltahe. Ang pares ng mga bakas na nagdadala ng mga differential signal ay tinatawag na differential traces.

Kung ikukumpara sa ordinaryong single-ended na mga bakas ng signal, ang mga differential signal ay may pinakamalinaw na mga pakinabang sa sumusunod na tatlong aspeto:

a. Malakas na anti-interference na kakayahan, dahil ang pagkabit sa pagitan ng dalawang kaugalian na mga bakas ay napakahusay. Kapag may ingay na interference mula sa labas, halos magkakabit ang mga ito sa dalawang linya sa parehong oras, at ang receiving end ay nagmamalasakit lamang sa pagkakaiba sa pagitan ng dalawang signal. Samakatuwid, ang panlabas na karaniwang ingay sa mode ay maaaring ganap na kanselahin. b. Mabisa nitong supilin ang EMI. Para sa parehong dahilan, dahil sa kabaligtaran ng polarity ng dalawang signal, ang mga electromagnetic field na pinalabas ng mga ito ay maaaring kanselahin ang isa’t isa. Ang mas mahigpit na pagkabit, ang mas kaunting electromagnetic na enerhiya na inilalabas sa labas ng mundo. c. Ang pagpoposisyon ng timing ay tumpak. Dahil ang pagbabago ng switch ng differential signal ay matatagpuan sa intersection ng dalawang signal, hindi katulad ng ordinaryong single-ended signal, na depende sa mataas at mababang threshold na boltahe upang matukoy, ito ay hindi gaanong apektado ng proseso at temperatura, na maaaring bawasan ang error sa timing. , Ngunit mas angkop din para sa mga circuit ng signal na may mababang amplitude. Ang kasalukuyang sikat na LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling) ay tumutukoy sa maliit na amplitude differential signal technology na ito.

Para sa mga inhinyero ng PCB, ang pinaka-aalala ay kung paano matiyak na ang mga bentahe ng differential wiring ay maaaring ganap na magamit sa aktwal na mga kable. Marahil ang sinumang nakipag-ugnayan sa Layout ay mauunawaan ang mga pangkalahatang kinakailangan ng kaugalian na mga kable, iyon ay, “pantay na haba at pantay na distansya”. Ang pantay na haba ay upang matiyak na ang dalawang differential signal ay nagpapanatili ng magkasalungat na mga polaridad sa lahat ng oras at bawasan ang karaniwang bahagi ng mode; ang pantay na distansya ay pangunahin upang matiyak na ang mga pagkakaiba-iba ng impedance ng dalawa ay pare-pareho at mabawasan ang mga pagmuni-muni. Ang “mas malapit hangga’t maaari” ay kung minsan ay isa sa mga kinakailangan ng differential wiring. Ngunit ang lahat ng mga patakarang ito ay hindi ginagamit upang mekanikal na mag-aplay, at maraming mga inhinyero ang tila hindi pa rin nauunawaan ang kakanyahan ng high-speed differential signal transmission.

Nakatuon ang sumusunod sa ilang karaniwang hindi pagkakaunawaan sa disenyo ng signal ng kaugalian ng PCB.

Hindi Pagkakaunawaan 1: Ito ay pinaniniwalaan na ang differential signal ay hindi nangangailangan ng isang ground plane bilang isang pabalik na landas, o ang mga differential traces ay nagbibigay ng isang pabalik na landas para sa bawat isa. Ang dahilan ng hindi pagkakaunawaan na ito ay nalilito sila sa mga mababaw na phenomena, o ang mekanismo ng high-speed signal transmission ay hindi sapat na malalim. Makikita mula sa istraktura ng tumatanggap na dulo ng Figure 1-8-15 na ang emitter currents ng transistors Q3 at Q4 ay pantay at magkasalungat, at ang kanilang mga alon sa lupa ay eksaktong kanselahin ang bawat isa (I1=0), kaya ang ang differential circuit ay Ang mga katulad na bounce at iba pang signal ng ingay na maaaring umiral sa power at ground planes ay hindi sensitibo. Ang partial return cancellation ng ground plane ay hindi nangangahulugang hindi ginagamit ng differential circuit ang reference plane bilang signal return path. Sa katunayan, sa pagsusuri ng pagbabalik ng signal, ang mekanismo ng kaugalian na mga kable at ordinaryong single-ended na mga kable ay pareho, iyon ay, ang mga high-frequency na signal ay palaging Reflow kasama ang loop na may pinakamaliit na inductance, ang pinakamalaking pagkakaiba ay bilang karagdagan sa ang pagkabit sa lupa, ang differential line ay mayroon ding mutual coupling. Aling uri ng pagkabit ang malakas, alin ang nagiging pangunahing landas sa pagbabalik. Ang Figure 1-8-16 ay isang schematic diagram ng geomagnetic field distribution ng single-ended signals at differential signals.

Sa disenyo ng PCB circuit, ang pagkabit sa pagitan ng mga kaugalian na bakas ay karaniwang maliit, kadalasan ay nagkakaloob lamang ng 10 hanggang 20% ​​ng antas ng pagkabit, at higit pa ay ang pagkabit sa lupa, kaya ang pangunahing landas ng pagbabalik ng kaugalian na bakas ay umiiral pa rin sa lupa. eroplano . Kapag ang ground plane ay hindi natuloy, ang coupling sa pagitan ng differential traces ay magbibigay ng pangunahing pabalik na landas sa lugar na walang reference na eroplano, tulad ng ipinapakita sa Figure 1-8-17. Kahit na ang impluwensya ng discontinuity ng reference plane sa differential trace ay hindi kasingseryoso ng ordinaryong single-ended trace, babawasan pa rin nito ang kalidad ng differential signal at tataas ang EMI, na dapat iwasan hangga’t maaari. . Naniniwala ang ilang mga designer na ang reference plane sa ilalim ng differential trace ay maaaring alisin upang sugpuin ang ilang karaniwang mode signal sa differential transmission. Gayunpaman, ang diskarte na ito ay hindi kanais-nais sa teorya. Paano kontrolin ang impedance? Ang hindi pagbibigay ng ground impedance loop para sa common-mode signal ay hindi maiiwasang magdulot ng EMI radiation. Ang pamamaraang ito ay mas nakakapinsala kaysa sa mabuti.

Hindi Pagkakaunawaan 2: Pinaniniwalaan na ang pagpapanatiling pantay na espasyo ay mas mahalaga kaysa sa pagtutugma ng haba ng linya. Sa aktwal na layout ng PCB, kadalasan ay hindi posible na matugunan ang mga kinakailangan ng disenyo ng kaugalian sa parehong oras. Dahil sa pagkakaroon ng pin distribution, vias, at wiring space, ang layunin ng line length matching ay dapat makamit sa pamamagitan ng wastong winding, ngunit ang resulta ay dapat na ang ilang bahagi ng differential pair ay hindi maaaring magkatulad. Ano ang dapat nating gawin sa panahong ito? Aling pagpipilian? Bago gumawa ng mga konklusyon, tingnan natin ang mga sumusunod na resulta ng simulation.

Mula sa mga resulta ng simulation sa itaas, makikita na ang mga waveform ng Scheme 1 at Scheme 2 ay halos magkasabay, ibig sabihin, ang impluwensyang dulot ng hindi pantay na espasyo ay minimal. Sa paghahambing, mas malaki ang impluwensya ng hindi pagkakatugma ng haba ng linya sa timing. (Skema 3). Mula sa teoretikal na pagsusuri, kahit na ang hindi pantay-pantay na espasyo ay magiging sanhi ng pagkakaiba-iba ng impedance, dahil ang pagkabit sa pagitan ng pares ng kaugalian mismo ay hindi makabuluhan, ang saklaw ng pagbabago ng impedance ay napakaliit din, kadalasan sa loob ng 10%, na katumbas lamang ng isang pass . Ang pagmuni-muni na dulot ng butas ay hindi magkakaroon ng malaking epekto sa paghahatid ng signal. Kapag hindi tumugma ang haba ng linya, bilang karagdagan sa timing offset, ang mga karaniwang bahagi ng mode ay ipinapasok sa differential signal, na nagpapababa sa kalidad ng signal at nagpapataas ng EMI.

Masasabing ang pinakamahalagang tuntunin sa disenyo ng PCB differential traces ay ang pagtutugma ng haba ng linya, at ang iba pang mga patakaran ay maaaring madaling pangasiwaan ayon sa mga kinakailangan sa disenyo at praktikal na mga aplikasyon.

Hindi pagkakaunawaan 3: Isipin na ang differential wiring ay dapat na napakalapit. Ang pagpapanatiling malapit sa mga differential traces ay walang iba kundi upang mapahusay ang kanilang coupling, na hindi lamang makapagpapahusay ng immunity sa ingay, ngunit magagamit din nang husto ang kabaligtaran na polarity ng magnetic field upang mabawi ang electromagnetic interference sa labas ng mundo. Kahit na ang diskarte na ito ay lubhang kapaki-pakinabang sa karamihan ng mga kaso, ito ay hindi ganap. Kung masisiguro natin na ganap silang protektado mula sa panlabas na panghihimasok, hindi natin kailangang gumamit ng malakas na pagkabit upang makamit ang anti-interference. At ang layunin ng pagsugpo sa EMI. Paano natin matitiyak ang mahusay na pagkakabukod at pagtatanggol sa mga bakas ng pagkakaiba? Ang pagpapataas ng espasyo sa iba pang mga bakas ng signal ay isa sa mga pinakapangunahing paraan. Ang enerhiya ng electromagnetic field ay bumababa sa parisukat ng distansya. Sa pangkalahatan, kapag ang line spacing ay lumampas sa 4 na beses sa lapad ng linya, ang interference sa pagitan ng mga ito ay napakahina. Maaaring hindi papansinin. Bilang karagdagan, ang paghihiwalay sa pamamagitan ng ground plane ay maaari ring maglaro ng isang mahusay na shielding role. Ang istrakturang ito ay kadalasang ginagamit sa high-frequency (sa itaas 10G) na disenyo ng IC package PCB. Ito ay tinatawag na istraktura ng CPW, na maaaring matiyak ang mahigpit na pagkakaiba-iba ng impedance. Control (2Z0), tulad ng ipinapakita sa Figure 1-8-19.

Ang mga differential traces ay maaari ding tumakbo sa iba’t ibang mga layer ng signal, ngunit ang pamamaraang ito ay karaniwang hindi inirerekomenda, dahil ang mga pagkakaiba sa impedance at vias na ginawa ng iba’t ibang mga layer ay sisira sa epekto ng differential mode transmission at nagpapakilala ng karaniwang ingay sa mode. Bilang karagdagan, kung ang katabing dalawang layer ay hindi mahigpit na pinagsama, mababawasan nito ang kakayahan ng kaugalian na trace na labanan ang ingay, ngunit kung maaari mong mapanatili ang tamang distansya mula sa mga nakapaligid na bakas, ang crosstalk ay hindi isang problema. Sa mga pangkalahatang frequency (mas mababa sa GHz), hindi magiging seryosong problema ang EMI. Ipinakita ng mga eksperimento na ang attenuation ng radiated energy sa layo na 500 mils mula sa differential trace ay umabot na sa 60 dB sa layo na 3 metro, na sapat upang matugunan ang FCC electromagnetic radiation standard, kaya hindi na kailangang mag-alala din ang designer. marami tungkol sa electromagnetic incompatibility sanhi ng hindi sapat na differential line coupling.

3. Serpentine line

Ang snake line ay isang uri ng paraan ng pagruruta na kadalasang ginagamit sa Layout. Ang pangunahing layunin nito ay upang ayusin ang pagkaantala upang matugunan ang mga kinakailangan sa disenyo ng timing ng system. Dapat munang magkaroon ng ganitong pag-unawa ang taga-disenyo: sisirain ng serpentine line ang kalidad ng signal, babaguhin ang pagkaantala ng paghahatid, at subukang iwasan ang paggamit nito kapag nag-wire. Gayunpaman, sa aktwal na disenyo, upang matiyak na ang signal ay may sapat na oras ng paghawak, o upang mabawasan ang oras ng offset sa pagitan ng parehong grupo ng mga signal, kadalasang kinakailangan na sadyang iikot ang wire.

Kaya, ano ang epekto ng serpentine line sa paghahatid ng signal? Ano ang dapat kong bigyang pansin kapag nag-wire? Ang dalawang pinaka-kritikal na parameter ay ang parallel coupling length (Lp) at ang coupling distance (S), tulad ng ipinapakita sa Figure 1-8-21. Malinaw, kapag ang signal ay ipinadala sa serpentine trace, ang parallel line segment ay isasama sa isang differential mode. Kung mas maliit ang S at mas malaki ang Lp, mas malaki ang antas ng pagkabit. Maaari itong maging sanhi ng pagkaantala ng paghahatid upang mabawasan, at ang kalidad ng signal ay lubhang nabawasan dahil sa crosstalk. Ang mekanismo ay maaaring sumangguni sa pagsusuri ng common mode at differential mode crosstalk sa Kabanata 3.

Ang mga sumusunod ay ilang mungkahi para sa mga inhinyero ng Layout kapag nakikitungo sa mga linyang serpentine:

1. Subukang pataasin ang distansya (S) ng mga parallel line segment, hindi bababa sa mas malaki kaysa sa 3H, H ay tumutukoy sa distansya mula sa signal trace sa reference plane. Sa mga tuntunin ng karaniwang tao, ito ay upang maglibot sa isang malaking liko. Hangga’t sapat ang laki ng S, halos ganap na maiiwasan ang magkasanib na epekto. 2. Bawasan ang haba ng coupling Lp. Kapag ang dobleng pagkaantala ng Lp ay lumalapit o lumampas sa oras ng pagtaas ng signal, aabot sa saturation ang nabuong crosstalk. 3. Ang pagkaantala sa paghahatid ng signal na dulot ng serpentine line ng Strip-Line o Embedded Micro-strip ay mas mababa kaysa sa Micro-strip. Sa teorya, hindi makakaapekto ang stripline sa transmission rate dahil sa differential mode crosstalk. 4. Para sa mga high-speed signal lines at sa mga may mahigpit na pangangailangan sa timing, subukang huwag gumamit ng serpentine lines, lalo na sa maliliit na lugar. 5. Madalas mong magagamit ang mga bakas ng serpentine sa anumang anggulo, tulad ng istraktura ng C sa Figure 1-8-20, na maaaring epektibong mabawasan ang pagkakabit sa isa’t isa. 6. Sa high-speed na disenyo ng PCB, ang serpentine line ay walang tinatawag na filtering o anti-interference na kakayahan, at maaari lamang mabawasan ang kalidad ng signal, kaya ito ay ginagamit lamang para sa timing matching at walang ibang layunin. 7. Minsan maaari mong isaalang-alang ang spiral routing para sa paikot-ikot. Ipinapakita ng simulation na ang epekto nito ay mas mahusay kaysa sa normal na serpentine routing.