Щоб зрозуміти серпантинну лінію, поговоримо про Друкована плата спочатку маршрутизація. Здається, це поняття не потрібно вводити. Хіба інженер-технік не щодня виконує роботи з електропроводкою? Кожен слід на друкованій платі один за іншим витягується інженером з обладнання. Що можна сказати? Насправді ця проста маршрутизація також містить багато точок знань, які ми зазвичай ігноруємо. Наприклад, поняття мікросмужкової лінії та смугової лінії. Простіше кажучи, мікросмужкова лінія – це слід, який проходить на поверхні плати друкованої плати, а смуговий – це слід, який проходить на внутрішньому шарі друкованої плати. Яка різниця між цими двома рядками?

Опорна площина мікросмужкової лінії є площиною заземлення внутрішнього шару друкованої плати, а інша сторона траси піддається впливу повітря, що призводить до непостійності діелектричної проникності навколо сліду. Наприклад, діелектрична проникність нашої часто використовуваної підкладки FR4 становить близько 4.2, діелектрична проникність повітря дорівнює 1. Існують опорні площини як на верхній, так і на нижній сторонах смуги, вся траса вбудована в підкладку друкованої плати, і діелектрична проникність навколо сліду однакова. Це також викликає передачу хвилі ТЕМ по смуговій лінії, тоді як хвиля квазі-ТЕМ передається по мікросмужкової лінії. Чому це квазі-ТЕМ хвиля? Це пов’язано з невідповідністю фаз на межі між повітрям і підкладкою друкованої плати. Що таке хвиля TEM? Якщо глибше покопатися в цьому питанні, то за десять з половиною місяців його не закінчиш.

Коротше кажучи, чи то мікросмужкова лінія, чи то стрічкова, їх роль не що інше, як передача сигналів, будь то цифрові або аналогові сигнали. Ці сигнали передаються у вигляді електромагнітних хвиль від одного кінця до іншого в трасі. Оскільки це хвиля, має бути швидкість. Яка швидкість сигналу на трасі PCB? За різницею в діелектричній проникності різна і швидкість. Швидкість поширення електромагнітних хвиль у повітрі є загальновідомою швидкістю світла. Швидкість поширення в інших середовищах необхідно розрахувати за такою формулою:

V=C/Er0.5

Серед них V – швидкість поширення в середовищі, C – швидкість світла, Er – діелектрична проникність середовища. За допомогою цієї формули ми можемо легко розрахувати швидкість передачі сигналу на трасі PCB. Наприклад, ми просто беремо діелектричну проникність основного матеріалу FR4 у формулу, щоб обчислити її, тобто швидкість передачі сигналу в матеріалі основи FR4 дорівнює половині швидкості світла. Однак, оскільки половина мікросмужкової лінії, простежуваної на поверхні, знаходиться в повітрі, а половина — в підкладці, діелектрична проникність буде трохи знижена, тому швидкість передачі буде трохи вищою, ніж у смугової лінії. Зазвичай використовувані емпіричні дані полягають у тому, що затримка трасування мікросмужкової лінії становить приблизно 140 пс/дюйм, а затримка трасування смугової лінії становить приблизно 166 пс/дюйм.

Як я вже говорив, є лише одна мета, тобто передача сигналу на друкованій платі затримується! Тобто сигнал не передається на інший контакт через проводку миттєво після того, як один контакт був надісланий. Хоча швидкість передачі сигналу дуже висока, доки довжина траси достатньо велика, це все одно вплине на передачу сигналу. Наприклад, для сигналу 1 ГГц період становить 1 нс, а час наростаючого або спадного фронту становить приблизно одну десяту періоду, тоді це 100 пс. Якщо довжина нашого сліду перевищує 1 дюйм (приблизно 2.54 см), то затримка передачі буде більше, ніж передній фронт. Якщо слід перевищує 8 дюймів (приблизно 20 см), то затримка буде повним циклом!

Виявляється, що друкована плата має такий великий вплив, що дуже часто на наших платах є сліди більше ніж 1 дюйм. Чи вплине затримка на нормальну роботу плати? Дивлячись на реальну систему, якщо це просто сигнал і ви не хочете вимикати інші сигнали, то затримка, здається, не має жодного ефекту. Однак у високошвидкісній системі ця затримка почне діяти. Наприклад, наші звичайні частинки пам’яті з’єднані у вигляді шини, з лініями даних, адресними лініями, годинниками та лініями керування. Погляньте на наш відеоінтерфейс. Незалежно від того, скільки каналів є HDMI або DVI, він міститиме канали даних і канали годинника. Або деякі протоколи шини, всі з яких є синхронною передачею даних і годинника. Потім у реальній високошвидкісній системі ці тактові сигнали та сигнали даних синхронно надсилаються з головного чіпа. Якщо наша схема трасування друкованої плати погана, довжина тактового сигналу та сигналу даних сильно відрізняється. Легко викликати неправильну вибірку даних, і тоді вся система не буде нормально працювати.

Що ми повинні зробити, щоб вирішити цю проблему? Природно, ми думали б, що якщо сліди короткої довжини подовжити так, щоб довжини слідів однієї групи були однаковими, то затримка буде такою ж? Як подовжити проводку? Ходити! Бінго! Непросто нарешті повернутися до теми. Це основна функція серпантину в швидкісній системі. Обмотка, рівної довжини. Це так просто. Серпантин використовується для намотування рівної довжини. Проводячи серпантинну лінію, ми можемо зробити таку саму групу сигналів однаковою довжиною, щоб після того, як приймальний чіп отримає сигнал, дані не були викликані різними затримками на трасі друкованої плати. Неправильний вибір. Серпантинна лінія така ж, як і сліди на інших платах друкованих плат.

Вони використовуються для підключення сигналів, але вони довші і не мають його. Так що серпантин не глибокий і не надто складний. Оскільки це те саме, що й інші електропроводки, деякі загальновживані правила електропроводки також застосовні до серпантинних ліній. При цьому, через особливу будову серпантинних ліній, на це варто звернути увагу при проводці. Наприклад, намагайтеся тримати змієвидні лінії паралельними один одному далі. Коротше, тобто обійти великий вигин, як то кажуть, не ходіть занадто щільно і занадто мало на маленькій ділянці.

Все це допомагає зменшити перешкоди сигналу. Змієподібна лінія буде мати поганий вплив на сигнал через штучне збільшення довжини лінії, тому не використовуйте її, якщо вона відповідає вимогам синхронізації в системі. Деякі інженери використовують DDR або високошвидкісні сигнали, щоб зробити всю групу рівної довжини. Серпантинні лінії розлітаються по всій дошці. Здається, що це краща проводка. Насправді це ліниво і безвідповідально. Багато місць, які не потрібно намотувати, намотуються, що витрачає площу плати, а також знижує якість сигналу. Нам слід розрахувати надмірність затримки відповідно до фактичних вимог до швидкості сигналу, щоб визначити правила підключення плати.

Крім функції рівної довжини, в статтях в Інтернеті часто згадується кілька інших функцій серпантинної лінії, тому я тут також коротко розповім про неї.

1. Одним із слів, які я часто бачу, є роль узгодження імпедансу. Це твердження дуже дивне. Опір траси друкованої плати пов’язаний із шириною лінії, діелектричною проникністю та відстанню до опорної площини. Коли це пов’язано із серпантинною лінією? Коли форма сліду впливає на імпеданс? Я не знаю, звідки джерело цього твердження.

2. також сказано, що це роль фільтрації. Не можна сказати, що ця функція відсутня, але в цифрових схемах не повинно бути функції фільтрації, або нам не потрібно використовувати цю функцію в цифрових схемах. У радіочастотному колі змієвидна траса може утворювати LC-ланцюг. Якщо він має фільтруючий вплив на сигнал певної частоти, це все ще минуле.

3. Приймальна антена. Це може бути. Ми можемо побачити цей ефект на деяких мобільних телефонах або радіо. Деякі антени виготовлені зі слідами PCB.

4. Індуктивність. Це може бути. Усі сліди на друкованій платі спочатку мають паразитну індуктивність. Досяжно зробити деякі індуктори для друкованих плат.

5. Запобіжник. Цей ефект мене спантеличує. Як короткий і вузький змієвидний дріт функціонує як запобіжник? Згоріти, коли струм великий? Плата не утилізована, ціна цього запобіжника занадто висока, я дійсно не знаю, в якому застосуванні він буде використовуватися.

Завдяки наведеному вище вступу ми можемо пояснити, що в аналогових або радіочастотних ланцюгах серпантинні лінії мають деякі особливі функції, які визначаються характеристиками мікросмужкових ліній. У розробці цифрових схем змієвидна лінія використовується рівної довжини для досягнення відповідності часу. Крім того, змієподібна лінія вплине на якість сигналу, тому в системі слід уточнити системні вимоги, розрахувати надмірність системи відповідно до фактичних вимог, а серпантинну лінію слід використовувати з обережністю.