Düzen, çalışanların en temel çalışma becerilerinden biridir. PCB tasarımı mühendis. Kablolamanın kalitesi tüm sistemin performansını doğrudan etkileyecektir, yüksek hızlı tasarım teorisinin çoğu nihayet Layout tarafından gerçekleştirilmeli ve doğrulanmalıdır, bu nedenle kablolamanın yüksek hızlı PCB tasarımında çok önemli olduğu görülebilir. Aşağıdakiler, gerçek kablolamanın bazı durumlarla karşılaşabileceği, rasyonalitesinin analizi ve daha optimize edilmiş bir yönlendirme stratejisi verebileceği göz önünde bulundurulacaktır. Esas olarak sağdan açı çizgisi, fark çizgisi, yılan çizgisi vb. üç yönden detaylandırılır.

1. Dikdörtgen çizgi

Dik açılı kablolama genellikle PCB kablolamadaki durumdan kaçınmak için gereklidir ve kablolama kalitesini ölçmek için neredeyse standartlardan biri haline gelmiştir, peki dik açılı kablolamanın sinyal iletimi üzerinde ne kadar etkisi olacaktır? Prensipte, dik açılı kablolama, iletim hattının hat genişliğini değiştirecek ve empedans süreksizliğine neden olacaktır. Aslında sadece dik Açı çizgisi değil, ton Açı, dar Açı çizgisi empedans değişikliklerine neden olabilir.

Dik açı hizalamanın sinyal üzerindeki etkisi esas olarak üç açıdan yansıtılır: ilk olarak, köşe, yükselme süresini yavaşlatarak iletim hattındaki kapasitif yüke eşdeğer olabilir; İkincisi, empedans süreksizliği sinyal yansımasına neden olacaktır; Üçüncüsü, sağ Açı ucu tarafından üretilen EMI.

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

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

Yukarıdaki formülde C, köşedeki eşdeğer kapasitansı (pF), W çizginin genişliğini (inç), ε R ortamın dielektrik sabitini ve Z0 iletimin karakteristik empedansını belirtir. hat. Örneğin, 4 Mils 50 ohm’luk bir iletim hattı için (εr 4.3), bir dik Açının kapasitansı yaklaşık 0.0101pF’dir ve yükselme süresi değişimi tahmin edilebilir:

T10-90%=2.2*C* z0/2 =2.2* 0.0101*50/2 = 0.556ps

Dik açılı kablolamanın getirdiği kapasitans etkisinin son derece küçük olduğu hesaplamadan görülebilir.

Dik açılı çizginin çizgi genişliği arttıkça, bu noktadaki empedans azalacaktır, bu nedenle belirli bir sinyal yansıma fenomeni olacaktır. İletim hatları 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), empedansla sonuçlanan genel dik açılı kablolama %7-20 arasında değişir, bu nedenle maksimum yansıma katsayısı yaklaşık 0.1’dir. Ayrıca, aşağıdaki şekilde görülebileceği gibi, iletim hattı empedansı W/2 hattının uzunluğu içinde minimuma değişir ve W/2 süresinden sonra normal empedansa geri döner. Tüm empedans değişiminin süresi çok kısadır, genellikle 10 ps içindedir. Bu kadar hızlı ve küçük bir değişiklik, genel sinyal iletimi için neredeyse yok denecek kadar azdır.

Pek çok insan, ucun elektromanyetik dalgaları yaymanın veya almanın ve EMI üretmenin kolay olduğuna inanarak, dik açılı yönlendirme konusunda böyle bir anlayışa sahiptir, bu da birçok insanın dik açılı yönlendirmenin mümkün olmadığını düşünmesinin nedenlerinden biri haline gelmiştir. Bununla birlikte, birçok pratik test sonucu, dik açılı çizginin düz çizgiden daha fazla EMI üretmediğini göstermektedir. Belki de mevcut cihaz performansı ve test seviyesi, testin doğruluğunu kısıtlar, ancak en azından dik açılı çizginin radyasyonunun cihazın kendisinin ölçüm hatasından daha az olduğunu gösterir. Genel olarak, dik açı hizalaması göründüğü kadar korkunç değildir. En azından GHz altındaki uygulamalarda kapasitans, yansıma, EMI vb. etkiler TDR testlerine neredeyse yansımaz. Yüksek hızlı PCB tasarım mühendisi, yerleşim, güç/zemin tasarımı, kablo tasarımı, perforasyon vb. Dikdörtgen çizginin etkileri elbette çok ciddi olmasa da, doğru Açı çizgisinde yürüyebileceğimiz anlamına gelmese de, detaylara dikkat her iyi mühendis için temel kalitedir ve dijital devrelerin hızlı gelişimi ile , PCB mühendislerinin sinyal frekansının işlenmesi de 10 GHZ RF tasarım alanından daha fazla gelişmeye devam edecek, Bu küçük dik açılar, yüksek hızlı problemlerin odak noktası haline gelebilir.

2. Farkı

Diferansiyel Sinyal, yüksek hızlı devre tasarımında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir devredeki en önemli Sinyal, Diferansiyel Sinyal tasarımıdır. PCB tasarımında iyi performansı nasıl sağlanır? Bu iki soruyu akılda tutarak, tartışmamızın bir sonraki bölümüne geçiyoruz.

Diferansiyel sinyal nedir? Düz İngilizce olarak, sürücü iki eşdeğer ve ters çevirme sinyali gönderir ve alıcı, mantıksal durumun “0” mı yoksa “1” mi olduğunu belirlemek için iki voltaj arasındaki farkı karşılaştırır. Diferansiyel sinyalleri taşıyan tel çiftine diferansiyel teller denir.

Sıradan tek uçlu sinyal yönlendirme ile karşılaştırıldığında, diferansiyel sinyal aşağıdaki üç açıdan en belirgin avantajlara sahiptir:

A. Güçlü parazit önleme özelliği, çünkü iki diferansiyel hat arasındaki bağlantı çok iyidir, gürültü paraziti olduğunda, neredeyse aynı anda iki hatta bağlanırlar ve alıcı yalnızca iki sinyal arasındaki farkı önemser, böylece harici ortak mod gürültüsü tamamen iptal edilebilir.

B. EMI’yi etkili bir şekilde bastırabilir. Benzer şekilde, iki sinyal zıt kutuplu olduğundan, bunların yaydığı elektromanyetik alan birbirini iptal edebilir. Bağlantı ne kadar yakınsa, dış dünyaya o kadar az elektromanyetik enerji salınır.

C. Zamanlama konumlandırması doğrudur. Diferansiyel sinyallerin anahtarlama değişimi, yüksek ve düşük eşik voltajları ile değerlendirilen ortak tek uçlu sinyallerin aksine iki sinyalin kesişim noktasında yer aldığından, işlem ve sıcaklıktan daha az etkilenir, bu da zamanlama hatalarını azaltabilir ve daha uygundur. düşük genlikli sinyallere sahip devreler için. LVDS (düşük voltajlı diferansiyel sinyalizasyon), bu küçük genlikli diferansiyel sinyal teknolojisini ifade eder.

PCB mühendisleri için en önemli endişe, diferansiyel yönlendirmenin bu avantajlarının gerçek yönlendirmede tam olarak kullanılabilmesinin nasıl sağlanacağıdır. Belki de Layout ile temas halinde olduğu sürece, insanlar diferansiyel yönlendirmenin genel gereksinimlerini anlayacaktır, yani “eşit uzunluk, eşit mesafe”. İzometrik, iki diferansiyel sinyalin her zaman zıt polariteyi korumasını sağlamak, ortak mod bileşenini azaltmaktır; İzometrik esas olarak aynı diferansiyel empedansı sağlamak, yansımayı azaltmaktır. “Mümkün olduğunca yakın” bazen farklı yönlendirme için gerekliliklerden biridir. Ancak bu kuralların hiçbiri mekanik olarak uygulanmaya yönelik değildir ve birçok mühendis yüksek hızlı diferansiyel sinyalleşmenin doğasını anlamıyor gibi görünmektedir. Aşağıdakiler, PCB diferansiyel sinyal tasarımındaki birkaç yaygın hataya odaklanmaktadır.

Yanılgı 1: Diferansiyel sinyaller, geri akış yolu olarak yer düzlemine ihtiyaç duymazlar veya diferansiyel hatların birbirleri için geri akış yolu sağladığını düşünürler. Bu yanlış anlamanın nedeni yüzey fenomeni ile karıştırılıyor veya yüksek hızlı sinyal iletim mekanizması yeterince derin değil. Şekil 1’deki alıcı ucun yapısından görülebileceği gibi. 8-15-3, Q4 ve Q1 transistörlerinin emitör akımları eşdeğer ve zıttır ve bağlantıdaki akımları birbirini tam olarak iptal eder (I0=XNUMX). Bu nedenle, diferansiyel devre, güç kaynağında ve yer düzleminde bulunabilecek benzer zemin projeksiyonlarına ve diğer gürültü sinyallerine karşı duyarsızdır. Yer düzleminin kısmi geri akış iptali, diferansiyel devrenin sinyal dönüş yolu olarak referans düzlemini almadığı anlamına gelmez. Aslında, sinyal geri akışı analizinde, diferansiyel yönlendirme mekanizması, sıradan tek uçlu yönlendirme ile aynıdır, yani yüksek

Frekans sinyali her zaman en küçük endüktans ile devre boyunca geri akar. En büyük fark, fark hattının sadece zemine değil, kendi aralarında da bağlantıya sahip olmasıdır. Güçlü bağlantı, ana geri akış yolu haline gelir.

PCB devre tasarımında, diferansiyel kablolama arasındaki kuplaj genellikle küçüktür, genellikle kuplaj derecesinin sadece %10~20’sini oluşturur ve kuplajın çoğu toprağa bağlıdır, bu nedenle diferansiyel kablolamanın ana geri akış yolu hala toprakta mevcuttur. uçak. Yerel düzlemde süreksizlik olması durumunda, diferansiyel yollar arasındaki bağlantı, Şekil 1’de gösterildiği gibi referans düzlemi olmayan bölgede ana geri akış yolunu sağlar. 8-17-XNUMX. Referans düzleminin süreksizliğinin diferansiyel kablolama üzerindeki etkisi, sıradan tek uçlu kablolama kadar ciddi olmasa da, yine de diferansiyel sinyalin kalitesini düşürecek ve mümkün olduğunca kaçınılması gereken EMI’yi artıracaktır. Bazı tasarımcılar, diferansiyel iletimde ortak mod sinyalinin bir kısmını bastırmak için diferansiyel iletim hattının referans düzleminin kaldırılabileceğine inanmaktadır, ancak teorik olarak bu yaklaşım arzu edilmez. Empedans nasıl kontrol edilir? Ortak mod sinyali için toprak empedansı döngüsü sağlamadan, yarardan çok zarar veren EMI radyasyonuna neden olunması zorunludur.

Efsane 2: Eşit aralığı korumak, satır uzunluğunu eşleştirmekten daha önemlidir. Gerçek PCB kablolamasında, genellikle diferansiyel tasarımın gereksinimlerini karşılayamaz. Pimlerin, deliklerin ve kablolama boşluğunun dağılımı ve diğer faktörler nedeniyle, uygun sarım yoluyla hat uzunluğu eşleştirme amacına ulaşmak gerekir, ancak sonuç kaçınılmaz olarak fark çiftinin bir parçası paralel olamaz, şu anda nasıl seçmek? Sonuçlara geçmeden önce, aşağıdaki simülasyon sonuçlarına bir göz atalım. Yukarıdaki simülasyon sonuçlarından Şema 1 ve Şema 2’nin dalga biçimlerinin neredeyse çakıştığı, yani eşit olmayan aralığın etkisinin minimum olduğu ve hat uzunluğu uyumsuzluğunun zamanlama sırası üzerindeki etkisinin çok daha fazla olduğu görülebilir (Şema 3) . Teorik analiz perspektifinden bakıldığında, tutarsız aralık fark empedans değişikliklerine yol açsa da, ancak fark çiftinin kendisi arasındaki eşleşme önemli olmadığından, empedans değişikliklerinin aralığı da çok küçüktür, genellikle %10 içinde, sadece eşdeğerdir. sinyal iletimi üzerinde önemli bir etkiye neden olmayacak bir deliğin neden olduğu bir yansımaya. Hat uzunluğu uyumsuz olduğunda, zaman dizisi ofsetine ek olarak, diferansiyel sinyale ortak mod bileşenleri eklenir, bu da sinyal kalitesini düşürür ve EMI’yi artırır.

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

Üçüncü yanılgı: Fark çizgisinin çok yakına dayanması gerektiğini düşünün. Fark çizgilerini birbirine yakın tutmanın amacı, hem gürültüye karşı bağışıklıklarını geliştirmek hem de dış dünyadan elektromanyetik paraziti ortadan kaldırmak için manyetik alanın zıt kutuplarından yararlanmak için bağlantılarını artırmaktan başka bir şey değildir. Bu yaklaşım çoğu durumda çok uygun olsa da, mutlak değildir. Dış parazitlerden tamamen korunabilirlerse, artık birbirleriyle güçlü bağlantı yoluyla parazit önleme ve EMI bastırma amacına ulaşmamız gerekmez. Diferansiyel yönlendirmenin iyi bir izolasyona ve korumaya sahip olduğundan nasıl emin olunur? Çizgiler ve diğer sinyaller arasındaki mesafeyi artırmak en temel yollardan biridir. Elektromanyetik alanın enerjisi, mesafenin kare ilişkisi ile azalır. Genel olarak, çizgiler arasındaki mesafe çizgi genişliğinin 4 katından fazla olduğunda, aralarındaki parazit son derece zayıftır ve temel olarak göz ardı edilebilir. Ek olarak, yer düzleminden izolasyon da iyi bir ekranlama etkisi sağlayabilir. Bu yapı, katı diferansiyel empedans kontrolünü (10Z2) sağlamak için sıklıkla CPW yapısı olarak bilinen yüksek frekanslı (0G’nin üzerinde) IC paketlenmiş PCB tasarımlarında kullanılır. 1-8-19.

Diferansiyel yönlendirme, farklı sinyal katmanlarında da gerçekleştirilebilir, ancak bu genellikle tavsiye edilmez, çünkü empedans ve farklı katmanlardaki açık delikler gibi farklılıklar, diferansiyel mod iletim etkisini yok edebilir ve ortak mod gürültüsünü ortaya çıkarabilir. Ek olarak, iki bitişik katman sıkı bir şekilde birleştirilmezse, diferansiyel yönlendirmenin gürültüye direnme yeteneği azalacaktır, ancak çevredeki yönlendirme ile uygun aralık korunursa, karışma bir sorun değildir. Genel frekansta (GHz altı) EMI ciddi bir problem olmayacaktır. Deneyler, 500 metrenin ötesinde 3 Mils mesafeye sahip diferansiyel hatların radyasyon enerjisi zayıflamasının, FCC’nin ELEKTROMANYETİK radyasyon standardını karşılamak için yeterli olan 60dB’ye ulaştığını göstermektedir. Bu nedenle tasarımcıların, diferansiyel hatların yetersiz bağlanmasından kaynaklanan elektromanyetik uyumsuzluk konusunda çok fazla endişelenmelerine gerek yoktur.

3. kıvrımlı

Layout’ta genellikle serpantin bir çizgi kullanılır. Ana amacı, zaman gecikmesini ayarlamak ve sistem zamanlama tasarımının gereksinimlerini karşılamaktır. Tasarımcılar öncelikle serpantin telin sinyal kalitesini bozacağını, iletim gecikmesini değiştireceğini anlamalı ve kablolama sırasında bundan kaçınılmalıdır. Bununla birlikte, pratik tasarımda, sinyallerin yeterli tutma süresini sağlamak veya aynı sinyal grubu arasındaki zaman kaymasını azaltmak için, sarma kasıtlı olarak yapılmalıdır.

Peki yılan gibi sinyal iletimi için ne yapar? Çizgide yürürken nelere dikkat etmeliyim? En kritik iki parametre, Şekil 1’de gösterildiği gibi paralel kuplaj uzunluğu (Lp) ve kuplaj mesafesidir (S). 8-21-XNUMX. Açıkçası, sinyal serpantin hattında iletildiğinde, paralel hat segmentleri arasında fark modu şeklinde bir bağlantı olacaktır. S ne kadar küçükse, Lp o kadar büyük olur ve eşleşme derecesi o kadar büyük olur. Bu, ortak mod ve diferansiyel mod karışma analizi için Bölüm 3’te açıklandığı gibi, iletim gecikmelerinin azalmasına ve karışma nedeniyle sinyal kalitesinde önemli bir azalmaya neden olabilir.

Serpantinlerle uğraşırken Mizanpaj mühendisleri için bazı ipuçları:

1. En az 3H’den büyük olan paralel çizgi parçasının mesafesini (S) artırmaya çalışın. H, sinyal hattından referans düzleme olan mesafeyi ifade eder. Genel olarak konuşursak, büyük bir eğri almaktır. S yeterince büyük olduğu sürece, kuplaj etkisi neredeyse tamamen önlenebilir.

2. Bağlantı uzunluğu Lp azaltıldığında, Lp gecikmesi sinyal yükselme süresine iki kez yaklaştığında veya aştığında üretilen karışma doygunluğa ulaşacaktır.

3. Yılan benzeri şerit hattının veya Gömülü mikro şeridin neden olduğu sinyal iletim gecikmesi, mikro şeridinkinden daha küçüktür. Teorik olarak, şerit hattı, diferansiyel mod karışması nedeniyle iletim hızını etkilemez.

4. Zamanlama konusunda katı gereksinimleri olan yüksek hızlı ve sinyal hatları için, özellikle küçük bir alanda serpantin hatlarında yürümemeye çalışın.

5. Herhangi bir Açıda serpantin yönlendirme genellikle kabul edilebilir. Şekil 1’deki C yapısı. 8-20-XNUMX, birbirleri arasındaki bağlantıyı etkili bir şekilde azaltabilir.

6. Yüksek hızlı PCB tasarımında serpantin, sözde filtreleme veya parazit önleme özelliğine sahip değildir ve yalnızca sinyal kalitesini düşürebilir, bu nedenle yalnızca zamanlama eşleştirmesi için kullanılır ve başka bir amaç için kullanılmaz.

7. Bazen spiral sargı düşünülebilir. Simülasyon, etkisinin normal serpantin sargısından daha iyi olduğunu göstermektedir.