Düzen, PCB tasarım mühendisleri için en temel iş becerilerinden biridir. Kablolamanın kalitesi, tüm sistemin performansını doğrudan etkileyecektir. Çoğu yüksek hızlı tasarım teorisi, sonunda Layout aracılığıyla uygulanmalı ve doğrulanmalıdır. Kablolamanın çok önemli olduğu görülebilir. yüksek hızlı PCB tasarım. Aşağıdakiler, gerçek kablolamada karşılaşılabilecek bazı durumların rasyonelliğini analiz edecek ve daha optimize edilmiş yönlendirme stratejileri verecektir.

Temel olarak üç açıdan açıklanır: dik açılı kablolama, diferansiyel kablolama ve serpantin kablolama.

1. Sağ açılı yönlendirme

Dik açılı kablolama genellikle PCB kablolamada mümkün olduğunca kaçınılması gereken bir durumdur ve kablolama kalitesini ölçmek için neredeyse standartlardan biri haline gelmiştir. Peki dik açılı kablolamanın sinyal iletimi üzerinde ne kadar etkisi olacak? Prensip olarak, dik açılı yönlendirme, iletim hattının hat genişliğini değiştirecek ve empedansta süreksizliğe neden olacaktır. Aslında, sadece dik açılı yönlendirme değil, aynı zamanda köşeler ve dar açılı yönlendirme de empedans değişikliklerine neden olabilir.

Dik açılı yönlendirmenin sinyal üzerindeki etkisi esas olarak üç açıdan yansıtılır:

Birincisi, köşenin, yükselme süresini yavaşlatan iletim hattındaki kapasitif yüke eşdeğer olabilmesidir; ikincisi, empedans süreksizliğinin sinyal yansımasına neden olacağıdır; üçüncüsü, dik açılı uç tarafından üretilen EMI’dir.

İletim hattının dik açısının neden olduğu parazitik kapasitans, aşağıdaki ampirik formülle hesaplanabilir:

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

Yukarıdaki formülde C, köşenin eşdeğer kapasitansını (birim: pF), W izin genişliğini (birim: inç), εr ortamın dielektrik sabitini ve Z0 karakteristik empedansı belirtir. iletim hattının. Örneğin, 4Mils 50 ohm’luk bir iletim hattı için (εr 4.3’tür), dik açının getirdiği kapasitans yaklaşık 0.0101pF’dir ve daha sonra bunun neden olduğu yükselme süresi değişikliği tahmin edilebilir:

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

Dik açılı izin getirdiği kapasitans etkisinin son derece küçük olduğu hesapla görülebilir.

Dik açılı izin çizgi genişliği arttıkça, oradaki empedans azalacaktır, dolayısıyla belirli bir sinyal yansıması olayı meydana gelecektir. İletim hattı bölümünde belirtilen empedans hesaplama formülüne göre hat genişliği arttıkça eşdeğer empedansı hesaplayabilir ve ardından ampirik formüle göre yansıma katsayısını hesaplayabiliriz:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Genel olarak, dik açılı kablolamanın neden olduğu empedans değişikliği %7-20 arasındadır, bu nedenle maksimum yansıma katsayısı yaklaşık 0.1’dir. Ayrıca, aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi, iletim hattının empedansı, W/2 hattının uzunluğu içinde minimumda değişir ve W/2 zamanından sonra normal empedansa döner. Tüm empedans değişim süresi son derece kısadır, genellikle 10 ps içindedir. İçeride, bu tür hızlı ve küçük değişiklikler, genel sinyal iletimi için neredeyse yok denecek kadar azdır.

Birçok insan bu dik açılı kablolama anlayışına sahiptir. Ucun elektromanyetik dalgaları iletmesi veya alması ve EMI üretmesinin kolay olduğunu düşünüyorlar. Bu, birçok insanın dik açılı kabloların yönlendirilemeyeceğini düşünmesinin nedenlerinden biri haline geldi. Bununla birlikte, birçok gerçek test sonucu, dik açılı izlerin düz çizgilerden daha belirgin EMI üretmeyeceğini göstermektedir. Belki mevcut cihaz performansı ve test seviyesi, testin doğruluğunu kısıtlar, ancak en azından bir sorunu gösterir. Dik açılı kablolamanın radyasyonu, cihazın kendi ölçüm hatasından zaten daha küçüktür.

Genel olarak, dik açılı yönlendirme, hayal edildiği kadar korkunç değildir. En azından GHz’in altındaki uygulamalarda kapasitans, yansıma, EMI vb. etkiler TDR testine pek yansımaz. Yüksek hızlı PCB tasarım mühendisleri hala yerleşim, güç/zemin tasarımı ve kablo tasarımına odaklanmalıdır. Delikler ve diğer yönlerden. Tabii ki, dik açılı kablolamanın etkisi çok ciddi olmasa da, gelecekte hepimizin dik açılı kabloları kullanabileceğimiz anlamına gelmiyor. Detaylara gösterilen özen, her iyi mühendisin sahip olması gereken temel kalitedir. Ayrıca dijital devrelerin hızla gelişmesiyle birlikte PCB, mühendisler tarafından işlenen sinyalin frekansı artmaya devam edecektir. 10GHz üzerindeki RF tasarımı alanında, bu küçük dik açılar yüksek hızlı problemlerin odak noktası haline gelebilir.

2. Diferansiyel yönlendirme

Diferansiyel sinyal (DifferentialSignal), yüksek hızlı devre tasarımında giderek daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Devredeki en kritik sinyal genellikle diferansiyel bir yapı ile tasarlanır. Onu bu kadar popüler yapan nedir? PCB tasarımında iyi performansı nasıl sağlanır? Bu iki soruyla tartışmanın bir sonraki bölümüne geçiyoruz.

Diferansiyel sinyal nedir? Layman’ın terimleriyle, sürücü uç iki eşit ve ters çevrilmiş sinyal gönderir ve alıcı uç, iki voltaj arasındaki farkı karşılaştırarak mantıksal durumu “0” veya “1” olarak değerlendirir. Diferansiyel sinyalleri taşıyan iz çiftine diferansiyel iz denir.

Sıradan tek uçlu sinyal izleriyle karşılaştırıldığında, diferansiyel sinyaller aşağıdaki üç açıdan en belirgin avantajlara sahiptir:

a. Güçlü parazit önleme özelliği, çünkü iki diferansiyel iz arasındaki bağlantı çok iyi. Dışarıdan gürültü girişimi olduğunda, neredeyse aynı anda iki hatta bağlanırlar ve alıcı taraf sadece iki sinyal arasındaki farkı önemser. Bu nedenle, harici ortak mod gürültüsü tamamen iptal edilebilir. B. EMI’yi etkili bir şekilde bastırabilir. Aynı nedenle, iki sinyalin zıt kutupluluğu nedeniyle, yaydıkları elektromanyetik alanlar birbirini iptal edebilir. Bağlantı ne kadar sıkı olursa, dış dünyaya o kadar az elektromanyetik enerji verilir. C. Zamanlama konumlandırma doğrudur. Diferansiyel sinyalin anahtar değişimi, belirlemek için yüksek ve düşük eşik voltajlarına bağlı olan sıradan tek uçlu sinyalin aksine, iki sinyalin kesişim noktasında bulunduğundan, işlem ve sıcaklıktan daha az etkilenir. zamanlamadaki hatayı azaltın. , Ama aynı zamanda düşük genlikli sinyal devreleri için daha uygundur. Mevcut popüler LVDS (düşük voltajlı farklı sinyalleşme), bu küçük genlikli diferansiyel sinyal teknolojisine atıfta bulunur.

PCB mühendisleri için en büyük endişe, diferansiyel kablolamanın bu avantajlarının gerçek kablolamada tam olarak kullanılabilmesinin nasıl sağlanacağıdır. Belki Layout ile temas halinde olan herkes, diferansiyel kablolamanın genel gereksinimlerini, yani “eşit uzunluk ve eşit mesafe” anlayacaktır. Eşit uzunluk, iki diferansiyel sinyalin her zaman zıt kutupları korumasını ve ortak mod bileşenini azaltmasını sağlamaktır; eşit mesafe esas olarak ikisinin diferansiyel empedanslarının tutarlı olmasını sağlamak ve yansımaları azaltmak içindir. “Mümkün olduğunca yakın” bazen diferansiyel kablolamanın gereksinimlerinden biridir. Ancak tüm bu kurallar mekanik olarak uygulanmak için kullanılmamaktadır ve birçok mühendis hala yüksek hızlı diferansiyel sinyal iletiminin özünü anlamamış görünmektedir.

Aşağıdakiler, PCB diferansiyel sinyal tasarımındaki birkaç yaygın yanlış anlaşılmaya odaklanmaktadır.

Yanlış Anlama 1: Diferansiyel sinyalin dönüş yolu olarak bir yer düzlemine ihtiyaç duymadığına veya diferansiyel izlerin birbirleri için bir dönüş yolu sağladığına inanılmaktadır. Bu yanlış anlaşılmanın nedeni, yüzeysel olaylarla karıştırılmaları veya yüksek hızlı sinyal iletim mekanizmasının yeterince derin olmamasıdır. Şekil 1-8-15’in alıcı ucunun yapısından, Q3 ve Q4 transistörlerinin emitör akımlarının eşit ve zıt olduğu ve bunların yerdeki akımlarının birbirini tam olarak iptal ettiği (I1=0) görülebilir. diferansiyel devredir Güç ve yer düzlemlerinde bulunabilecek benzer sıçramalar ve diğer gürültü sinyalleri duyarsızdır. Yer düzleminin kısmi dönüş iptali, diferansiyel devrenin sinyal dönüş yolu olarak referans düzlemini kullanmadığı anlamına gelmez. Aslında, sinyal dönüş analizinde, diferansiyel kablolama ve sıradan tek uçlu kablolama mekanizması aynıdır, yani yüksek frekanslı sinyaller her zaman en küçük endüktanslı döngü boyunca yeniden akıştır, en büyük fark, buna ek olarak zemine kuplaj, diferansiyel hattında da karşılıklı kuplaj vardır. Hangi tür bağlantı güçlüdür, hangisi ana dönüş yolu olur. Şekil 1-8-16, tek uçlu sinyallerin ve diferansiyel sinyallerin jeomanyetik alan dağılımının şematik bir diyagramıdır.

PCB devre tasarımında, diferansiyel izleri arasındaki kuplaj genellikle küçüktür, genellikle kuplaj derecesinin sadece %10 ila %20’sini oluşturur ve daha fazlası toprağa kuplajdır, bu nedenle diferansiyel izinin ana dönüş yolu hala yerde mevcuttur. uçak . Yer düzlemi süreksiz olduğunda, diferansiyel izler arasındaki bağlantı, Şekil 1-8-17’de gösterildiği gibi, referans düzlemi olmayan alandaki ana dönüş yolunu sağlayacaktır. Referans düzleminin süreksizliğinin diferansiyel iz üzerindeki etkisi, sıradan tek uçlu iz kadar ciddi olmasa da, yine de diferansiyel sinyalin kalitesini düşürecek ve mümkün olduğunca kaçınılması gereken EMI’yi artıracaktır. . Bazı tasarımcılar, diferansiyel iletimde bazı ortak mod sinyallerini bastırmak için diferansiyel izin altındaki referans düzleminin kaldırılabileceğine inanmaktadır. Bununla birlikte, bu yaklaşım teoride arzu edilmez. Empedans nasıl kontrol edilir? Ortak mod sinyali için bir toprak empedansı döngüsü sağlamamak, kaçınılmaz olarak EMI radyasyonuna neden olacaktır. Bu yaklaşım yarardan çok zarar verir.

Yanlış anlama 2: Eşit aralık tutmanın, satır uzunluğunu eşleştirmekten daha önemli olduğuna inanılmaktadır. Gerçek PCB yerleşiminde, aynı anda diferansiyel tasarımın gereksinimlerini karşılamak çoğu zaman mümkün değildir. Pin dağılımının, yolların ve kablolama boşluğunun varlığından dolayı, hat uzunluğu eşleşmesinin amacı uygun sarım yoluyla gerçekleştirilmelidir, ancak sonuç, diferansiyel çiftinin bazı alanlarının paralel olamamasıdır. Bu sırada ne yapmalıyız? Hangi seçim? Sonuç çıkarmadan önce, aşağıdaki simülasyon sonuçlarına bir göz atalım.

Yukarıdaki simülasyon sonuçlarından, Şema 1 ve Şema 2’nin dalga biçimlerinin neredeyse çakıştığı, yani eşit olmayan aralığın neden olduğu etkinin minimum olduğu görülebilir. Buna karşılık, hat uzunluğu uyumsuzluğunun zamanlama üzerindeki etkisi çok daha fazladır. (Şema 3). Teorik analizden, tutarsız aralık, diferansiyel empedansın değişmesine neden olmasına rağmen, diferansiyel çiftin kendisi arasındaki bağlantı önemli olmadığından, empedans değişim aralığı da çok küçüktür, genellikle %10 içindedir, bu sadece bir geçişe eşdeğerdir. . Deliğin neden olduğu yansıma, sinyal iletimi üzerinde önemli bir etkiye sahip olmayacaktır. Hat uzunluğu eşleşmediğinde, zamanlama kaymasına ek olarak, diferansiyel sinyale ortak mod bileşenleri eklenir, bu da sinyalin kalitesini düşürür ve EMI’yi artırır.

PCB diferansiyel izlerinin tasarımında en önemli kuralın eşleşen hat uzunluğu olduğu, diğer kuralların tasarım gereksinimlerine ve pratik uygulamalara göre esnek bir şekilde ele alınabileceği söylenebilir.

Yanlış anlama 3: Diferansiyel kablolamanın çok yakın olması gerektiğini düşünün. Diferansiyel izleri yakın tutmak, yalnızca gürültüye karşı bağışıklığı artırmakla kalmayıp aynı zamanda dış dünyaya elektromanyetik paraziti dengelemek için manyetik alanın zıt polaritesinden tam olarak yararlanan bağlantılarını geliştirmekten başka bir şey değildir. Bu yaklaşım çoğu durumda çok faydalı olsa da, mutlak değildir. Dış parazitlerden tamamen korunduklarından emin olabilirsek, parazit önleyici elde etmek için güçlü bağlantı kullanmamız gerekmez. Ve EMI’yi bastırmanın amacı. Diferansiyel izlerin iyi bir şekilde izole edilmesini ve korunmasını nasıl sağlayabiliriz? Diğer sinyal izleriyle aralığı artırmak en temel yollardan biridir. Elektromanyetik alan enerjisi mesafenin karesi ile azalır. Genel olarak, satır aralığı satır genişliğinin 4 katını aştığında, aralarındaki parazit son derece zayıftır. Göz ardı edilebilir. Ek olarak, yer düzlemi tarafından izolasyon da iyi bir koruyucu rol oynayabilir. Bu yapı genellikle yüksek frekanslı (10G’nin üzerinde) IC paketi PCB tasarımında kullanılır. Katı diferansiyel empedans sağlayabilen bir CPW yapısı olarak adlandırılır. Kontrol (2Z0), Şekil 1-8-19’da gösterildiği gibi.

Diferansiyel izler farklı sinyal katmanlarında da çalışabilir, ancak bu yöntem genellikle önerilmez, çünkü farklı katmanlar tarafından üretilen empedans ve yollardaki farklılıklar, diferansiyel mod iletiminin etkisini yok edecek ve ortak mod gürültüsünü ortaya çıkaracaktır. Ek olarak, bitişik iki katman sıkı bir şekilde bağlanmazsa, diferansiyel izinin gürültüye direnme kabiliyetini azaltacaktır, ancak çevredeki izlerden uygun bir mesafeyi koruyabilirseniz, karışma bir sorun değildir. Genel frekanslarda (GHz altı) EMI ciddi bir sorun olmayacaktır. Deneyler, diferansiyel izden 500 mil uzaklıkta yayılan enerjinin zayıflamasının, FCC elektromanyetik radyasyon standardını karşılamak için yeterli olan 60 metrelik bir mesafede 3 dB’ye ulaştığını göstermiştir, bu nedenle tasarımcının da endişelenmesine gerek yoktur. Yetersiz diferansiyel hat kuplajının neden olduğu elektromanyetik uyumsuzluk hakkında.

3. Serpantin hattı

Snake line, Layout’ta sıklıkla kullanılan bir yönlendirme yöntemi türüdür. Ana amacı, sistem zamanlaması tasarım gereksinimlerini karşılamak için gecikmeyi ayarlamaktır. Tasarımcı öncelikle şu anlayışa sahip olmalıdır: serpantin hattı sinyal kalitesini bozacak, iletim gecikmesini değiştirecek ve kablolama sırasında bunu kullanmaktan kaçınmaya çalışacaktır. Bununla birlikte, gerçek tasarımda, sinyalin yeterli tutma süresine sahip olmasını sağlamak veya aynı sinyal grubu arasındaki zaman kaymasını azaltmak için, genellikle kabloyu kasıtlı olarak sarmak gerekir.

Peki serpantin hattının sinyal iletimine etkisi nedir? Kablolama yaparken nelere dikkat etmeliyim? En kritik iki parametre, Şekil 1-8-21’de gösterildiği gibi paralel kuplaj uzunluğu (Lp) ve kuplaj mesafesidir (S). Açıktır ki, sinyal serpantin izi üzerinde iletildiğinde, paralel hat bölümleri bir diferansiyel modda bağlanacaktır. S ne kadar küçük ve Lp ne kadar büyükse, bağlantı derecesi o kadar büyük olur. İletim gecikmesinin azalmasına neden olabilir ve karışma nedeniyle sinyal kalitesi büyük ölçüde azalır. Mekanizma, Bölüm 3’teki ortak mod ve diferansiyel mod karışma analizine başvurabilir.

Aşağıdakiler, serpantin hatlarla uğraşırken Mizanpaj mühendisleri için bazı önerilerdir:

1. Paralel doğru parçalarının mesafesini (S) artırmaya çalışın, en az 3H’den büyük, H, sinyal izinden referans düzleme olan mesafeyi ifade eder. Meslekten olmayanların terimleriyle, büyük bir virajdan geçmektir. S yeterince büyük olduğu sürece, karşılıklı eşleşme etkisi neredeyse tamamen önlenebilir. 2. Kaplin uzunluğunu Lp azaltın. Çift Lp gecikmesi sinyal yükselme süresine yaklaştığında veya aştığında, üretilen karışma doygunluğa ulaşacaktır. 3. Strip-Line veya Embedded Micro-şeritin serpantin hattının neden olduğu sinyal iletim gecikmesi, Mikro-şeritinkinden daha azdır. Teoride, şerit çizgisi, diferansiyel mod karışması nedeniyle iletim hızını etkilemeyecektir. 4. Yüksek hızlı sinyal hatları ve katı zamanlama gereksinimleri olanlar için, özellikle küçük alanlarda serpantin hatları kullanmamaya çalışın. 5. Karşılıklı eşleşmeyi etkili bir şekilde azaltabilen Şekil 1-8-20’deki C yapısı gibi serpantin izlerini sıklıkla herhangi bir açıda kullanabilirsiniz. 6. Yüksek hızlı PCB tasarımında, serpantin hattı sözde filtreleme veya parazit önleme özelliğine sahip değildir ve yalnızca sinyal kalitesini düşürebilir, bu nedenle yalnızca zamanlama eşleştirmesi için kullanılır ve başka bir amacı yoktur. 7. Bazen sarma için spiral yönlendirmeyi düşünebilirsiniz. Simülasyon, etkisinin normal serpantin yönlendirmesinden daha iyi olduğunu göstermektedir.