Serpantin çizgisini anlamak için, hakkında konuşalım PCB önce yönlendirme. Bu kavramın tanıtılmasına gerek yok gibi görünüyor. Donanım mühendisi her gün kablolama işi yapmıyor mu? PCB üzerindeki her iz, donanım mühendisi tarafından tek tek çizilir. Ne söylenebilir? Aslında, bu basit yönlendirme, genellikle göz ardı ettiğimiz birçok bilgi noktasını da içerir. Örneğin, mikroşerit hat ve şerit hat kavramı. Basitçe söylemek gerekirse, mikroşerit çizgi, PCB kartının yüzeyinde çalışan izdir ve şerit çizgi, PCB’nin iç tabakası üzerinde çalışan izdir. Bu iki çizgi arasındaki fark nedir?

Mikroşerit hattının referans düzlemi, PCB’nin iç tabakasının zemin düzlemidir ve izin diğer tarafı havaya maruz kalır, bu da izin etrafındaki dielektrik sabitinin tutarsız olmasına neden olur. Örneğin, yaygın olarak kullanılan FR4 alt katmanımızın dielektrik sabiti yaklaşık 4.2’dir, havanın dielektrik sabiti 1’dir. Şerit hattının hem üst hem de alt taraflarında referans düzlemleri vardır, tüm iz PCB alt katmanına gömülüdür, ve iz etrafındaki dielektrik sabiti aynıdır. Bu aynı zamanda TEM dalgasının şerit hattı üzerinde iletilmesine, yarı-TEM dalgasının ise mikroşerit hattı üzerinde iletilmesine neden olur. Neden yarı TEM dalgası? Bunun nedeni, hava ile PCB alt tabakası arasındaki arayüzdeki faz uyumsuzluğudur. TEM dalgası nedir? Bu konuyu daha derine inerseniz, on buçuk ayda bitiremezsiniz.

Uzun lafın kısası, ister mikroşerit hat ister şerit hat olsun, rolleri, dijital sinyaller veya analog sinyaller olsun, sinyalleri taşımaktan başka bir şey değildir. Bu sinyaller iz içinde bir uçtan diğer uca elektromanyetik dalgalar şeklinde iletilir. Bir dalga olduğuna göre, hız olması gerekir. PCB izindeki sinyalin hızı nedir? Dielektrik sabitindeki farka göre hız da farklıdır. Elektromanyetik dalgaların havada yayılma hızı, ışığın iyi bilinen hızıdır. Diğer ortamlardaki yayılma hızı aşağıdaki formülle hesaplanmalıdır:

V=C/Er0.5

Bunların arasında V ortamdaki yayılma hızı, C ışık hızı ve Er ortamın dielektrik sabitidir. Bu formül sayesinde PCB izi üzerindeki sinyalin iletim hızını kolayca hesaplayabiliriz. Örneğin, hesaplamak için FR4 temel malzemesinin dielektrik sabitini formüle alıyoruz, yani FR4 temel malzemesindeki sinyalin iletim hızı ışık hızının yarısı kadardır. Bununla birlikte, yüzeyde izlenen mikroşerit hattının yarısı havada ve yarısı alt tabakada olduğundan, dielektrik sabiti biraz azalacaktır, bu nedenle iletim hızı şerit hattından biraz daha hızlı olacaktır. Yaygın olarak kullanılan ampirik veriler, mikroşerit hattının iz gecikmesinin yaklaşık 140ps/inç olduğu ve şerit hattının iz gecikmesinin yaklaşık 166ps/inç olduğudur.

Daha önce de söylediğim gibi tek bir amaç var, o da PCB üzerindeki sinyal iletiminin gecikmesi! Yani bir pin gönderildikten sonra sinyal kablolama yoluyla diğer pine bir anda iletilmez. Sinyal iletim hızı çok hızlı olmasına rağmen, iz uzunluğu yeterince uzun olduğu sürece, sinyal iletimini yine de etkileyecektir. Örneğin, 1GHz’lik bir sinyal için, periyot 1ns’dir ve yükselen veya düşen kenarın zamanı periyodun yaklaşık onda biridir, o zaman 100ps’dir. İzimizin uzunluğu 1 inç’i (yaklaşık 2.54 cm) aşarsa, iletim gecikmesi yükselen kenardan daha fazla olacaktır. İz 8 inç’i (yaklaşık 20 cm) aşarsa, gecikme tam bir döngü olacaktır!

PCB’nin çok büyük bir etkisi olduğu ortaya çıktı, panolarımızda 1 inçten fazla iz olması çok yaygın. Gecikme, kartın normal çalışmasını etkiler mi? Gerçek sisteme bakıldığında, bu sadece bir sinyalse ve diğer sinyalleri kapatmak istemiyorsanız, gecikmenin bir etkisi yok gibi görünüyor. Ancak, yüksek hızlı bir sistemde bu gecikme aslında etkili olacaktır. Örneğin, ortak bellek parçacıklarımız veri hatları, adres hatları, saatler ve kontrol hatları ile bir veri yolu şeklinde birbirine bağlıdır. Video arayüzümüze bir göz atın. Kaç kanal HDMI veya DVI olursa olsun, veri kanalları ve saat kanalları içerecektir. Veya tümü veri ve saatin senkronize iletimi olan bazı veri yolu protokolleri. Daha sonra, gerçek bir yüksek hızlı sistemde, bu saat sinyalleri ve veri sinyalleri, ana çipten eşzamanlı olarak gönderilir. PCB iz tasarımımız zayıfsa, saat sinyalinin uzunluğu ve veri sinyali çok farklıdır. Yanlış veri örneklemesine neden olmak kolaydır ve daha sonra tüm sistem normal şekilde çalışmayacaktır.

Bu sorunu çözmek için ne yapmalıyız? Doğal olarak, aynı grubun iz uzunlukları aynı olacak şekilde kısa uzunluklu izler uzatılırsa, gecikmenin aynı olacağını düşünürdük? Kablolama nasıl uzatılır? Etrafından dolaş! Bingo! Sonunda konuya dönmek kolay değil. Bu, serpantin hattının yüksek hızlı sistemdeki ana işlevidir. Sarma, eşit uzunluk. Bu kadar basit. Serpantin hattı eşit uzunlukta sarmak için kullanılır. Serpantin çizgisini çizerek, aynı sinyal grubunun aynı uzunlukta olmasını sağlayabiliriz, böylece alıcı çip sinyali aldıktan sonra, PCB izindeki farklı gecikmeler veriye neden olmaz. Yanlış seçim. Serpantin hattı diğer PCB kartlarındaki izler ile aynıdır.

Sinyalleri bağlamak için kullanılırlar, ancak daha uzunlar ve sahip değiller. Yani serpantin çizgisi derin değil ve çok karmaşık değil. Diğer kablolama ile aynı olduğu için, yaygın olarak kullanılan bazı kablolama kuralları serpantin hatlar için de geçerlidir. Aynı zamanda serpantin hatların özel yapısı nedeniyle kablolama yaparken buna dikkat etmelisiniz. Örneğin serpantin çizgilerini birbirine paralel daha uzak tutmaya çalışın. Daha kısa, yani büyük bir virajı dönün, küçük bir alanda çok yoğun ve çok küçük gitmeyin.

Bunların hepsi sinyal girişimini azaltmaya yardımcı olur. Serpantin hat, hat uzunluğunun yapay olarak artması nedeniyle sinyal üzerinde kötü bir etkiye sahip olacaktır, bu nedenle sistemdeki zamanlama gereksinimlerini karşılayabildiği sürece kullanmayın. Bazı mühendisler, tüm grubu eşit uzunlukta yapmak için DDR veya yüksek hızlı sinyaller kullanır. Yılan gibi çizgiler tahtanın her yerinde uçuyor. Görünüşe göre bu daha iyi kablolama. Aslında, bu tembel ve sorumsuz. Sarılması gerekmeyen birçok yer sarılır, bu da panonun alanını israf eder ve aynı zamanda sinyal kalitesini de düşürür. Kartın kablolama kurallarını belirlemek için gerçek sinyal hızı gereksinimlerine göre gecikme fazlalığını hesaplamalıyız.

Eşit uzunluktaki işlevine ek olarak, serpantin hattının başka birçok işlevi de İnternet’teki makalelerde sıklıkla bahsedilir, bu yüzden burada da kısaca bahsedeceğim.

1. Sıklıkla gördüğüm kelimelerden biri, empedans eşleşmesinin rolüdür. Bu açıklama çok garip. PCB izinin empedansı, hat genişliği, dielektrik sabiti ve referans düzleminin mesafesi ile ilgilidir. Serpantin hattı ile ne zaman ilişkilidir? İzin şekli empedansı ne zaman etkiler? Bu açıklamanın kaynağının nereden geldiğini bilmiyorum.

2. Filtreleme görevi olduğu da söylenmektedir. Bu fonksiyon yok denilemez ama sayısal devrelerde filtreleme fonksiyonu olmamalı veya sayısal devrelerde bu fonksiyonu kullanmamıza gerek yok. Radyo frekans devresinde serpantin izi bir LC devresi oluşturabilir. Belirli bir frekans sinyali üzerinde filtreleme etkisi varsa, hala geçmişte kaldı.

3. Alıcı anten. Bu olabilir. Bu etkiyi bazı cep telefonlarında veya radyolarda görebiliyoruz. Bazı antenler PCB izleri ile yapılır.

4. Endüktans. Bu olabilir. PCB üzerindeki tüm izler orijinal olarak parazitik endüktansa sahiptir. Bazı PCB indüktörleri yapmak mümkündür.

5. Sigorta. Bu etki beni şaşırtıyor. Kısa ve dar serpantin tel nasıl sigorta görevi görür? Akım yüksek olduğunda yanıyor mu? Kart hurdaya çıkmaz, bu sigortanın fiyatı çok yüksek, ne tür bir uygulamada kullanılacağını gerçekten bilmiyorum.

Yukarıdaki giriş sayesinde, analog veya radyo frekans devrelerinde serpantin hatların, mikroşerit hatların özelliklerine göre belirlenen bazı özel işlevleri olduğunu açıklığa kavuşturabiliriz. Sayısal devre tasarımında zamanlama uyumunu sağlamak için serpantin hattı eşit uzunlukta kullanılır. Ayrıca serpantin hattı sinyal kalitesini etkileyeceğinden sistemde sistem gereksinimleri netleştirilmeli, sistem yedekliliği gerçek gereksinimlere göre hesaplanmalı ve serpantin hattı dikkatli kullanılmalıdır.