Компонування є одним з основних навичок роботи для інженерів-конструкторів друкованих плат. Якість електропроводки безпосередньо вплине на роботу всієї системи. Більшість теорій високошвидкісного проектування мають бути остаточно реалізовані та перевірені за допомогою Layout. Видно, що проводка дуже важлива в високошвидкісна друкована плата дизайн. Нижче буде проаналізовано раціональність деяких ситуацій, які можуть зустрічатися під час реальної електропроводки, і наведено деякі більш оптимізовані стратегії маршрутизації.

В основному це пояснюється з трьох аспектів: прямокутної проводки, диференціальної проводки та змієподібної проводки.

1. Трасування під прямим кутом

Розводка під прямим кутом, як правило, є ситуацією, якої потрібно максимально уникати в розводці друкованих плат, і вона майже стала одним із стандартів для вимірювання якості електропроводки. Тож який вплив матиме прямокутна проводка на передачу сигналу? В принципі, під прямим кутом маршрутизація змінює ширину лінії передачі, викликаючи розрив в імпедансі. Фактично, зміна опору може призвести не тільки до прямокутної маршрутизації, але й до кутів та під гострим кутом.

Вплив прямокутної маршрутизації на сигнал в основному відображається в трьох аспектах:

Одна полягає в тому, що кут може бути еквівалентним ємнісному навантаженню на лінії передачі, що уповільнює час наростання; другий полягає в тому, що розрив імпедансу призведе до відбиття сигналу; третій – це електромагнітні електромагнітні випромінювання, створені прямокутним наконечником.

Паразитну ємність, викликану прямим кутом лінії передачі, можна розрахувати за такою емпіричною формулою:

C = 61 Вт (Er) 1/2/Z0

У наведеній вище формулі C означає еквівалентну ємність кута (одиниця: пФ), W відноситься до ширини сліду (одиниця: дюйм), εr відноситься до діелектричної проникності середовища, а Z0 – характеристичного імпедансу лінії електропередачі. Наприклад, для лінії передачі 4Mils 50 Ом (εr дорівнює 4.3) ємність, яку створює прямий кут, становить приблизно 0.0101 пФ, і тоді можна оцінити зміну часу наростання, викликану цим:

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

З розрахунку можна побачити, що ефект ємності, який приносить прямокутний слід, надзвичайно малий.

Зі збільшенням ширини лінії прямокутної траси імпеданс там буде зменшуватися, тому виникне певне явище відбиття сигналу. Ми можемо обчислити еквівалентний опір після збільшення ширини лінії відповідно до формули розрахунку імпедансу, згаданої в главі лінії передачі, а потім обчислити коефіцієнт відбиття відповідно до емпіричної формули:

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Як правило, зміна імпедансу, викликана прямокутною проводкою, становить 7-20%, тому максимальний коефіцієнт відбиття становить близько 0.1. Більше того, як видно на малюнку нижче, імпеданс лінії передачі змінюється до мінімуму в межах довжини лінії W/2, а потім повертається до нормального опору через час W/2. Весь час зміни імпедансу надзвичайно короткий, часто в межах 10 пс. Всередині такі швидкі та невеликі зміни майже незначні для загальної передачі сигналу.

Багато людей мають таке розуміння прямокутної проводки. Вони вважають, що наконечник легко передає або сприймає електромагнітні хвилі та генерує електромагнітні електромагнітні випромінювання. Це стало однією з причин, чому багато людей вважають, що проводку під прямим кутом не можна прокладати. Однак багато фактичних результатів тестування показують, що прямокутні траси не створять очевидних електромагнітних полів, ніж прямі лінії. Можливо, поточна продуктивність приладу та рівень тестування обмежують точність тесту, але принаймні це ілюструє проблему. Випромінювання прямокутної проводки вже менше похибки вимірювання самого приладу.

Загалом, прямокутна маршрутизація не така страшна, як уявлялося. Принаймні в програмах нижче ГГц будь-які ефекти, такі як ємність, відображення, електромагнітні електромагнітні електромагнітні випромінювання тощо, майже не відображаються при тестуванні TDR. Інженери-проектувальники високошвидкісних друкованих плат все ще повинні зосередитися на компонуванні, дизайні живлення/заземлення та дизайні проводки. Через отвори та інші аспекти. Звісно, ​​хоча вплив прямокутної проводки не дуже серйозний, це не означає, що ми всі зможемо використовувати проводку під прямим кутом у майбутньому. Увага до деталей – основна якість, якою повинен володіти кожен хороший інженер. Більш того, зі стрімким розвитком цифрових схем, друкованих плат частота обробленого інженерами сигналу буде продовжувати зростати. У сфері проектування РЧ вище 10 ГГц ці малі прямі кути можуть стати фокусом проблем високої швидкості.

2. Диференціальна маршрутизація

Диференціальний сигнал (DifferentialSignal) все ширше використовується в швидкісних схемах. Найважливіший сигнал у схемі часто розроблений з диференціальною структурою. Що робить його таким популярним? Як забезпечити хорошу продуктивність при розробці друкованої плати? З цими двома питаннями ми переходимо до наступної частини обговорення.

Що таке диференціальний сигнал? З точки зору неспеціаліста, керуючий кінець посилає два рівних і перевернутих сигнали, а приймальний кінець оцінює логічний стан «0» або «1», порівнюючи різницю між двома напругами. Пара трас, що несуть диференціальні сигнали, називається диференціальними трасами.

У порівнянні зі звичайними односторонніми сигналами диференціальні сигнали мають найбільш очевидні переваги в наступних трьох аспектах:

а. Сильна здатність проти перешкод, тому що зв’язок між двома диференціальними трасами дуже хороша. Коли є шумові перешкоди ззовні, вони майже з’єднані з двома лініями одночасно, і приймальна сторона піклується лише про різницю між двома сигналами. Таким чином, зовнішній синфазний шум можна повністю скасувати. б. Він може ефективно придушувати EMI. З цієї ж причини через протилежну полярність двох сигналів електромагнітні поля, що випромінюються ними, можуть компенсувати одне одного. Чим міцніше з’єднання, тим менше електромагнітної енергії виходить у зовнішній світ. c. Позиціонування часу точне. Оскільки зміна перемикання диференціального сигналу знаходиться на перетині двох сигналів, на відміну від звичайного несимметричного сигналу, який залежить від високого та низького порогових напруг для визначення, на нього менше впливають процес і температура, які можуть зменшити похибку в часі. , Але також більше підходить для низькоамплітудних сигнальних ланцюгів. Сучасна популярна LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling) відноситься до цієї технології диференціального сигналу малої амплітуди.

Інженерів з друкованих плат найбільше хвилює те, як забезпечити, щоб ці переваги диференціальної проводки могли бути повністю використані в реальній електропроводці. Можливо, кожен, хто стикався з Layout, зрозуміє загальні вимоги диференціальної проводки, тобто «рівна довжина та однакова відстань». Рівна довжина гарантує, що два диференціальних сигнали завжди зберігають протилежну полярність і зменшують синфазну складову; рівна відстань в основному призначена для того, щоб диференціальні опори обох були послідовними та зменшили відображення. «Якнайближче» іноді є однією з вимог диференціальної проводки. Але всі ці правила не звикли механічно застосовувати, і багато інженерів, схоже, досі не розуміють суті високошвидкісної диференціальної передачі сигналу.

Нижче наведено кілька поширених непорозумінь у розробці диференціальних сигналів друкованої плати.

Нерозуміння 1: Вважається, що диференціальний сигнал не потребує заземлення як зворотного шляху, або що диференціальні траси забезпечують зворотний шлях один для одного. Причина такого непорозуміння в тому, що їх плутають поверхневі явища, або механізм швидкісної передачі сигналу недостатньо глибокий. З будови приймального кінця на малюнку 1-8-15 видно, що струми емітера транзисторів Q3 і Q4 рівні і протилежні, а їх струми в землі точно компенсують один одного (I1=0), тому диференціальна схема. Подібні відскоки та інші шумові сигнали, які можуть існувати на площинах живлення та землі, є нечутливими. Часткове скасування зворотного зв’язку заземлення не означає, що диференціальна схема не використовує опорну площину як шлях повернення сигналу. Насправді, при аналізі зворотного сигналу механізм диференціальної проводки та звичайної нескінченної проводки однаковий, тобто високочастотні сигнали завжди перетікають по контуру з найменшою індуктивністю, найбільша різниця полягає в тому, що крім зчеплення з землею, диференціальна лінія також має взаємне зчеплення. Яка зчеплення сильна, яка стає головним зворотним шляхом. На малюнку 1-8-16 представлено принципову схему розподілу геомагнітного поля несполучних і диференціальних сигналів.

У розробці схеми друкованої плати зв’язок між диференціальними трасами, як правило, невелика, часто становить лише від 10 до 20% ступеня зв’язку, і більше – це зв’язок із землею, тому основний зворотний шлях диференціальної траси все ще існує на землі. літак . Коли площина заземлення є розривною, зв’язок між диференціальними трасами забезпечить основний зворотний шлях у зоні без опорної площини, як показано на малюнку 1-8-17. Хоча вплив розриву опорної площини на диференціальну трасу не такий серйозний, як у звичайної нескінченної траси, він все одно знизить якість диференціального сигналу та підвищить електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні електромагнітні випромінювання, яких слід уникати, наскільки це можливо. . Деякі розробники вважають, що опорну площину під диференціальною трасою можна видалити, щоб придушити деякі синфазні сигнали при диференціальній передачі. Однак теоретично такий підхід не є бажаним. Як контролювати імпеданс? Незабезпечення петлі опору землі для синфазного сигналу неминуче спричинить випромінювання ЕМІ. Такий підхід приносить більше шкоди, ніж користі.

Помилка 2: Вважається, що дотримання рівного інтервалу важливіше, ніж відповідність довжині рядка. У фактичній компоновці друкованої плати часто неможливо одночасно задовольнити вимоги диференціального дизайну. У зв’язку з наявністю розподілу контактів, переходів і простору для підключення, мета узгодження довжини лінії повинна бути досягнута за допомогою правильної обмотки, але в результаті деякі ділянки диференціальної пари не можуть бути паралельними. Що нам робити в цей час? Який вибір? Перш ніж робити висновки, давайте подивимося на наступні результати моделювання.

З наведених вище результатів моделювання видно, що форми сигналів Схеми 1 і Схеми 2 майже збігаються, тобто вплив, викликаний нерівним інтервалом, мінімальний. Порівняно, вплив невідповідності довжини лінії на синхронізацію набагато більший. (схема 3). З теоретичного аналізу, хоча непостійний інтервал призведе до зміни диференціального імпедансу, оскільки зв’язок між диференціальною парою сама по собі не є значною, діапазон зміни опору також дуже малий, зазвичай в межах 10%, що еквівалентно лише одному проходу. . Відбиття, викликане отвором, не матиме істотного впливу на передачу сигналу. Як тільки довжина лінії не збігається, на додаток до зміщення синхронізації в диференціальний сигнал вводяться синфазні компоненти, що знижує якість сигналу і збільшує EMI.

Можна сказати, що найважливішим правилом у проектуванні диференціальних трас друкованих плат є відповідна довжина лінії, а інші правила можна гнучко обробляти відповідно до вимог проектування та практичних застосувань.

Помилка 3: Подумайте, що проводка диференціала має бути дуже близько. Підтримка диференціальних слідів поруч — це не що інше, як посилення їх зв’язку, що може не тільки підвищити стійкість до шумів, але й повністю використовувати протилежну полярність магнітного поля для компенсації електромагнітних перешкод у зовнішньому світі. Хоча цей підхід у більшості випадків дуже вигідний, він не є абсолютним. Якщо ми можемо гарантувати, що вони повністю захищені від зовнішніх перешкод, то нам не потрібно використовувати сильне з’єднання, щоб забезпечити захист від перешкод. І мета придушення ЕМІ. Як ми можемо забезпечити хорошу ізоляцію та екранування диференціальних слідів? Збільшення інтервалу за допомогою інших сигналів є одним із основних способів. Енергія електромагнітного поля зменшується з квадратом відстані. Як правило, коли міжрядковий інтервал у 4 рази перевищує ширину рядка, інтерференція між ними надзвичайно слабка. Можна ігнорувати. Крім того, ізоляція заземленням також може відігравати хорошу роль екранування. Ця структура часто використовується в дизайні друкованої плати високочастотного (понад 10G) пакета IC. Це називається структурою CPW, яка може забезпечити суворий диференціальний опір. Контроль (2Z0), як показано на малюнку 1-8-19.

Диференціальні траси також можуть виконуватися в різних рівнях сигналу, але цей метод, як правило, не рекомендується, тому що різниця в імпедансі та отворах, створюваних різними шарами, знищить ефект диференційної передачі в режимі та внесе синфазний шум. Крім того, якщо два сусідніх шари не щільно з’єднані, це зменшить здатність диференціальної траси протистояти шуму, але якщо ви можете підтримувати належну відстань від навколишніх трас, перехресні перешкоди не є проблемою. На загальних частотах (нижче ГГц) EMI не буде серйозною проблемою. Експерименти показали, що ослаблення випромінюваної енергії на відстані 500 міл від диференціальної траси досягло 60 дБ на відстані 3 метри, що достатньо, щоб відповідати стандарту електромагнітного випромінювання FCC, тому конструктору не доведеться турбуватися. багато про електромагнітну несумісність, спричинену недостатнім зв’язком диференціальної лінії.

3. Серпантинна лінія

Змійка – це тип методу маршрутизації, який часто використовується в макеті. Його головна мета — налаштувати затримку відповідно до вимог проектування системного часу. Проектувальник повинен спочатку мати таке розуміння: серпантин зруйнує якість сигналу, змінить затримку передачі і спробує уникати її використання під час проводки. Однак у реальному проекті, щоб забезпечити достатній час утримання сигналу або зменшити зсув у часі між однією і тією ж групою сигналів, часто необхідно навмисне намотувати провід.

Отже, який вплив має серпантинна лінія на передачу сигналу? На що слід звернути увагу при проведенні електропроводки? Двома найбільш критичними параметрами є довжина паралельного зчеплення (Lp) і відстань зчеплення (S), як показано на малюнку 1-8-21. Очевидно, що коли сигнал передається по серпантинній трасі, паралельні відрізки лінії будуть з’єднані в диференціальному режимі. Чим менше S і більше Lp, тим більший ступінь зчеплення. Це може призвести до зменшення затримки передачі та значного зниження якості сигналу через перехресні перешкоди. Механізм може посилатися на аналіз синфазних і диференціальних перехресних перешкод у розділі 3.

Нижче наведено кілька пропозицій для інженерів макета щодо серпантинних ліній:

1. Спробуйте збільшити відстань (S) паралельних відрізків, принаймні більше ніж 3H, H означає відстань від траси сигналу до опорної площини. Якщо говорити непрофесійно, то це об’їхати великий вигин. Поки S достатньо великий, ефекту взаємного зв’язку можна майже повністю уникнути. 2. Зменшити довжину зчеплення Lp. Коли подвійна затримка Lp наближається або перевищує час наростання сигналу, створені перехресні перешкоди досягнуть насичення. 3. Затримка передачі сигналу, спричинена серпантинною лінією стрічкової або вбудованої мікросмуги, менша, ніж затримка мікросмуги. Теоретично, смугова лінія не вплине на швидкість передачі через перехресні перешкоди в диференціальному режимі. 4. Для високошвидкісних сигнальних ліній і тих, де є суворі вимоги до часу, намагайтеся не використовувати серпантин, особливо на невеликих ділянках. 5. Ви часто можете використовувати змієвидні траси під будь-яким кутом, наприклад структуру C на малюнку 1-8-20, яка може ефективно зменшити взаємне зчеплення. 6. У конструкції високошвидкісної друкованої плати серпантинна лінія не має так званої здатності фільтрації або захисту від перешкод і може лише знижувати якість сигналу, тому вона використовується лише для узгодження часу і не має іншої мети. 7. Іноді ви можете розглянути спіральну фрезу для намотування. Моделювання показує, що його ефект кращий, ніж звичайний серпантин.