Layout PCB dizayn muhandislari uchun eng asosiy ish ko’nikmalaridan biridir. Elektr simlarining sifati butun tizimning ishlashiga bevosita ta’sir qiladi. Ko’pgina yuqori tezlikdagi dizayn nazariyalari nihoyat Layout orqali amalga oshirilishi va tekshirilishi kerak. Ko’rinib turibdiki, simlarni ulash juda muhim yuqori tezlikdagi tenglikni dizayn. Quyida haqiqiy simlarni ulashda duch kelishi mumkin bo’lgan ba’zi vaziyatlarning oqilonaligi tahlil qilinadi va yanada optimallashtirilgan marshrutlash strategiyalari beriladi.

U asosan uchta jihatdan tushuntiriladi: to’g’ri burchakli simlar, differensial simlar va serpantinli simlar.

1. To’g’ri burchakli marshrutlash

To’g’ri burchakli simlar, odatda, tenglikni ulashda iloji boricha qochish kerak bo’lgan holat bo’lib, u simlarning sifatini o’lchash uchun deyarli standartlardan biriga aylandi. Xo’sh, to’g’ri burchakli simlar signal uzatilishiga qanchalik ta’sir qiladi? Asosan, to’g’ri burchakli marshrutlash uzatish liniyasining chiziq kengligini o’zgartiradi, bu esa impedansda uzilishga olib keladi. Darhaqiqat, nafaqat to’g’ri burchakli marshrutlash, balki burchaklar va o’tkir burchakli marshrutlash ham impedansning o’zgarishiga olib kelishi mumkin.

To’g’ri burchakli marshrutlashning signalga ta’siri asosan uchta jihatda namoyon bo’ladi:

Ulardan biri shundaki, burchak uzatish liniyasidagi sig’imli yukga teng bo’lishi mumkin, bu esa ko’tarilish vaqtini sekinlashtiradi; ikkinchisi – impedansning uzluksizligi signalni aks ettirishga olib keladi; uchinchisi – to’g’ri burchakli uchi tomonidan yaratilgan EMI.

Elektr uzatish liniyasining to’g’ri burchagidan kelib chiqadigan parazit sig’imni quyidagi empirik formula bilan hisoblash mumkin:

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

Yuqoridagi formulada C burchakning ekvivalent sig’imini (birlik: pF), W – iz kengligini (birlik: dyuym), er – muhitning dielektrik o’tkazuvchanligini, Z0 – xarakterli impedansni bildiradi. uzatish liniyasidan. Misol uchun, 4Mils 50 ohm elektr uzatish liniyasi uchun (er 4.3) to’g’ri burchak ostida olib keladigan sig’im taxminan 0.0101pF ni tashkil qiladi va shundan keyin ko’tarilish vaqtining o’zgarishini taxmin qilish mumkin:

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

Hisoblash orqali ko’rish mumkinki, to’g’ri burchakli izning sig’im effekti juda kichik.

To’g’ri burchakli izning chiziq kengligi oshgani sayin, u erda impedans kamayadi, shuning uchun ma’lum bir signalni aks ettirish hodisasi paydo bo’ladi. Elektr uzatish liniyasi bobida keltirilgan empedansni hisoblash formulasiga muvofiq chiziq kengligi ortgandan keyin ekvivalent empedansni hisoblashimiz mumkin va keyin empirik formula bo’yicha aks ettirish koeffitsientini hisoblaymiz:

r=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

Umuman olganda, to’g’ri burchakli simlardan kelib chiqadigan empedans o’zgarishi 7% -20% gacha, shuning uchun maksimal aks ettirish koeffitsienti taxminan 0.1 ni tashkil qiladi. Bundan tashqari, quyidagi rasmdan ko’rinib turibdiki, uzatish liniyasining empedansi W / 2 liniyasining uzunligi ichida minimal darajaga o’zgaradi va keyin W / 2 vaqtidan keyin normal empedansga qaytadi. Barcha empedansni o’zgartirish vaqti juda qisqa, ko’pincha 10ps ichida. Ichkarida bunday tez va kichik o’zgarishlar umumiy signal uzatish uchun deyarli ahamiyatsiz.

Ko’p odamlar to’g’ri burchakli simlar haqida shunday tushunchaga ega. Ular uchi elektromagnit to’lqinlarni uzatish yoki qabul qilish va EMI hosil qilish oson deb o’ylashadi. Bu ko’pchilikning to’g’ri burchakli simlarni yo’naltirish mumkin emas deb o’ylashining sabablaridan biriga aylandi. Biroq, ko’plab haqiqiy sinov natijalari shuni ko’rsatadiki, to’g’ri burchakli izlar to’g’ri chiziqlarga qaraganda aniq EMI hosil qilmaydi. Ehtimol, asbobning joriy ishlashi va sinov darajasi sinovning aniqligini cheklaydi, lekin hech bo’lmaganda muammoni ko’rsatadi. To’g’ri burchakli simlarning nurlanishi allaqachon asbobning o’lchash xatosidan kichikroq.

Umuman olganda, to’g’ri burchakli marshrutlash tasavvur qilinganidek dahshatli emas. Hech bo’lmaganda GGts dan past bo’lgan ilovalarda sig’im, aks ettirish, EMI va boshqalar kabi har qanday effektlar TDR testida deyarli aks ettirilmaydi. Yuqori tezlikda tenglikni loyihalash bo’yicha muhandislar hali ham tartib, quvvat / zamin dizayni va simlarni loyihalashga e’tibor qaratishlari kerak. Teshiklar va boshqa jihatlar orqali. Albatta, to’g’ri burchakli simlarning ta’siri juda jiddiy bo’lmasa-da, bu kelajakda barchamiz to’g’ri burchakli simlardan foydalanishimiz mumkin degani emas. Tafsilotlarga e’tibor – bu har bir yaxshi muhandis bo’lishi kerak bo’lgan asosiy sifatdir. Bundan tashqari, raqamli sxemalarning jadal rivojlanishi bilan PCB muhandislar tomonidan qayta ishlanadigan signal chastotasi o’sishda davom etadi. 10 gigagertsdan yuqori chastotali dizayn sohasida bu kichik to’g’ri burchaklar yuqori tezlikdagi muammolarning markaziga aylanishi mumkin.

2. Differensial marshrutlash

Differentsial signal (DifferensialSignal) yuqori tezlikdagi elektron konstruktsiyalarda tobora ko’proq foydalanilmoqda. Devrendagi eng muhim signal ko’pincha differentsial tuzilishga ega. Nima uni bunchalik mashhur qiladi? PCB dizaynida uning yaxshi ishlashini qanday ta’minlash mumkin? Ushbu ikkita savol bilan biz muhokamaning keyingi qismiga o’tamiz.

Differensial signal nima? Oddiy so’z bilan aytganda, harakatlantiruvchi uchi ikkita teng va teskari signallarni yuboradi va qabul qiluvchi uchi ikkita kuchlanish orasidagi farqni taqqoslash orqali mantiqiy holatni “0” yoki “1” deb baholaydi. Differensial signallarni olib yuruvchi izlar juftligiga differensial izlar deyiladi.

Oddiy bir uchli signal izlari bilan taqqoslaganda, differentsial signallar quyidagi uchta jihatda eng aniq afzalliklarga ega:

a. Kuchli shovqinga qarshi qobiliyat, chunki ikkita differentsial iz o’rtasidagi bog’lanish juda yaxshi. Tashqaridan shovqin shovqini mavjud bo’lganda, ular bir vaqtning o’zida ikkita chiziq bilan deyarli birlashtiriladi va qabul qiluvchi uchi faqat ikkita signal o’rtasidagi farq haqida qayg’uradi. Shuning uchun tashqi umumiy rejim shovqini butunlay bekor qilinishi mumkin. b. EMI ni samarali ravishda bostirishi mumkin. Xuddi shu sababga ko’ra, ikkita signalning qarama-qarshi qutbliligi tufayli ular tomonidan tarqaladigan elektromagnit maydonlar bir-birini bekor qilishi mumkin. Ulanish qanchalik qattiq bo’lsa, tashqi dunyoga kamroq elektromagnit energiya chiqariladi. c. Vaqtni joylashtirish aniq. Differensial signalning kalit o’zgarishi ikkita signalning kesishmasida joylashganligi sababli, oddiy bir uchli signaldan farqli o’laroq, aniqlash uchun yuqori va past chegara kuchlanishiga bog’liq bo’lib, u jarayon va haroratdan kamroq ta’sir qiladi, bu vaqtni belgilashda xatolikni kamaytirish. , Lekin past amplitudali signal davrlari uchun ham ko’proq mos keladi. Hozirgi mashhur LVDS (past kuchlanishli differensial signalizatsiya) bu kichik amplitudali differentsial signal texnologiyasiga ishora qiladi.

PCB muhandislari uchun eng ko’p tashvishlanadigan narsa bu differentsial simlarning ushbu afzalliklaridan haqiqiy simlarda to’liq foydalanishni ta’minlashdir. Ehtimol, Layout bilan aloqada bo’lgan har bir kishi differentsial simlarning umumiy talablarini, ya’ni “teng uzunlik va teng masofa” ni tushunadi. Teng uzunlik ikki differentsial signalning har doim qarama-qarshi polaritlarni saqlab turishini ta’minlash va umumiy rejim komponentini kamaytirishdir; teng masofa, asosan, ikkalasining differentsial empedanslari izchil bo’lishini ta’minlash va ko’zgularni kamaytirishdir. “Iloji boricha yaqinroq” – ba’zan differensial simlarning talablaridan biri. Ammo bu qoidalarning barchasi mexanik ravishda qo’llanilmaydi va ko’plab muhandislar yuqori tezlikdagi differentsial signal uzatishning mohiyatini hali ham tushunmaganga o’xshaydi.

Quyida PCB differentsial signalini loyihalashda bir nechta keng tarqalgan tushunmovchiliklarga e’tibor qaratilgan.

Noto’g’ri tushunish 1: Differensial signal qaytish yo’li sifatida zamin tekisligiga muhtoj emas yoki differentsial izlar bir-biriga qaytish yo’lini ta’minlaydi, deb ishoniladi. Bu tushunmovchilikning sababi shundaki, ular yuzaki hodisalar bilan chalkashib ketgan yoki yuqori tezlikda signal uzatish mexanizmi etarlicha chuqur emas. 1-8-15-rasmdagi qabul qiluvchi uchining strukturasidan ko’rinib turibdiki, Q3 va Q4 tranzistorlarining emitent oqimlari teng va qarama-qarshi bo’lib, ularning yerdagi oqimlari bir-birini to’liq bekor qiladi (I1=0), shuning uchun differensial sxema – Quvvat va yer tekisliklarida mavjud bo’lishi mumkin bo’lgan o’xshash sakrashlar va boshqa shovqin signallari sezgir emas. Tuproq tekisligining qisman qaytishini bekor qilish, differentsial sxema mos yozuvlar tekisligini signalning qaytish yo’li sifatida ishlatmasligini anglatmaydi. Aslida, signalni qaytarish tahlilida, differentsial simlar va oddiy bir uchli simlar mexanizmi bir xil, ya’ni yuqori chastotali signallar doimo pastadir bo’ylab eng kichik indüktans bilan qayta oqimlanadi, eng katta farq shundaki, erga ulash, differentsial chiziq ham o’zaro bog’lanishga ega. Qaysi bog’lanish kuchli, qaysi biri asosiy qaytish yo’liga aylanadi. 1-8-16-rasmda bir tomonlama signallar va differentsial signallarning geomagnit maydon taqsimotining sxematik diagrammasi keltirilgan.

PCB sxemasini loyihalashda differensial izlar orasidagi bog’lanish odatda kichik bo’lib, ko’pincha ulanish darajasining 10-20% ni tashkil qiladi va ko’proq erga ulanish, shuning uchun differentsial izning asosiy qaytish yo’li hali ham erda mavjud. samolyot. Tuproq tekisligi uzluksiz bo’lganda, differensial izlar orasidagi bog’lanish 1-8-17-rasmda ko’rsatilganidek, mos yozuvlar tekisligisiz hududdagi asosiy qaytish yo’lini ta’minlaydi. Differensial izga mos yozuvlar tekisligining uzilishining ta’siri oddiy bir uchli iz kabi jiddiy bo’lmasa-da, u baribir differensial signal sifatini pasaytiradi va EMI ni oshiradi, bunga imkon qadar yo’l qo’ymaslik kerak. . Ba’zi dizaynerlar differentsial uzatishda ba’zi umumiy rejim signallarini bostirish uchun differentsial iz ostidagi mos yozuvlar tekisligini olib tashlash mumkin deb hisoblashadi. Biroq, bu yondashuv nazariy jihatdan istalmagan. Empedansni qanday boshqarish mumkin? Umumiy rejim signali uchun tuproq empedansining pastadirini ta’minlamaslik muqarrar ravishda EMI nurlanishiga olib keladi. Bunday yondashuv foydadan ko’ra ko’proq zarar keltiradi.

Tushunmovchilik 2: Teng masofani saqlash chiziq uzunligiga mos kelishdan ko’ra muhimroq deb ishoniladi. Haqiqiy PCB tartibida bir vaqtning o’zida differentsial dizayn talablariga javob berish ko’pincha mumkin emas. Pin taqsimoti, vites va simlar bo’shlig’i mavjudligi sababli, chiziq uzunligini moslashtirish maqsadi to’g’ri o’rash orqali amalga oshirilishi kerak, ammo natijada differentsial juftlikning ba’zi joylari parallel bo’lishi mumkin emas. Bu vaqtda nima qilishimiz kerak? Qaysi tanlov? Xulosa chiqarishdan oldin, keling, quyidagi simulyatsiya natijalarini ko’rib chiqaylik.

Yuqoridagi simulyatsiya natijalaridan ko’rinib turibdiki, 1-sxema va 2-sxemaning to’lqin shakllari deyarli bir-biriga mos keladi, ya’ni teng bo’lmagan oraliqlardan kelib chiqadigan ta’sir minimaldir. Taqqoslash uchun, chiziq uzunligining mos kelmasligi vaqtga ta’siri ancha katta. (3-sxema). Nazariy tahlildan, garchi nomuvofiq oraliq differensial empedansning o’zgarishiga olib kelishi mumkin, chunki differentsial juftlik o’rtasidagi bog’lanishning o’zi muhim emas, empedansning o’zgarishi diapazoni ham juda kichik, odatda 10% ichida, bu faqat bitta o’tishga teng. . Teshikdan kelib chiqadigan aks ettirish signal uzatilishiga sezilarli ta’sir ko’rsatmaydi. Chiziq uzunligi mos kelmasa, vaqt ofsetiga qo’shimcha ravishda, umumiy rejim komponentlari differentsial signalga kiritiladi, bu signal sifatini pasaytiradi va EMI ni oshiradi.

Aytish mumkinki, PCB differentsial izlarini loyihalashda eng muhim qoida mos keladigan chiziq uzunligi bo’lib, boshqa qoidalar dizayn talablari va amaliy qo’llanmalarga muvofiq moslashuvchan tarzda ishlatilishi mumkin.

Tushunmovchilik 3: Differensial simlar juda yaqin bo’lishi kerak deb o’ylang. Differensial izlarni yaqin tutish ularning ulanishini kuchaytirishdan boshqa narsa emas, bu nafaqat shovqinga qarshi immunitetni yaxshilash, balki tashqi dunyoga elektromagnit shovqinlarni bartaraf etish uchun magnit maydonning qarama-qarshi polaritesidan to’liq foydalanish mumkin. Garchi bu yondashuv ko’p hollarda juda foydali bo’lsa-da, u mutlaq emas. Agar biz ularning tashqi aralashuvdan to’liq himoyalanganligini ta’minlay olsak, unda anti-aralashuvga erishish uchun kuchli ulanishdan foydalanishimiz shart emas. Va EMIni bostirish maqsadi. Qanday qilib biz differentsial izlarning yaxshi izolyatsiyasini va ekranlanishini ta’minlashimiz mumkin? Boshqa signal izlari bilan masofani oshirish eng asosiy usullardan biridir. Elektromagnit maydon energiyasi masofaning kvadrati bilan kamayadi. Odatda, chiziq oralig’i chiziq kengligidan 4 marta oshib ketganda, ular orasidagi shovqin juda zaif bo’ladi. E’tiborsiz qoldirilishi mumkin. Bundan tashqari, er tekisligi bilan izolyatsiya ham yaxshi himoya rolini o’ynashi mumkin. Ushbu tuzilma ko’pincha yuqori chastotali (10G dan yuqori) IC paketli PCB dizaynida qo’llaniladi. Bu qattiq differentsial empedansni ta’minlaydigan CPW tuzilishi deb ataladi. Nazorat (2Z0), 1-8-19-rasmda ko’rsatilganidek.

Differensial izlar turli signal qatlamlarida ham ishlashi mumkin, ammo bu usul odatda tavsiya etilmaydi, chunki turli qatlamlar tomonidan ishlab chiqarilgan empedans va vitesdagi farqlar differentsial rejimning uzatish ta’sirini yo’q qiladi va umumiy tartib shovqinini keltirib chiqaradi. Bunga qo’shimcha ravishda, agar qo’shni ikki qatlam mahkam bog’lanmagan bo’lsa, bu differensial izning shovqinga qarshi turish qobiliyatini pasaytiradi, ammo agar siz atrofdagi izlardan to’g’ri masofani saqlay olsangiz, o’zaro bog’lanish muammo emas. Umumiy chastotalarda (GGts dan past) EMI jiddiy muammo bo’lmaydi. Tajribalar shuni ko’rsatdiki, differensial izdan 500 mil masofada nurlangan energiyaning susayishi 60 metr masofada 3 dB ga yetdi, bu FCC elektromagnit nurlanish standartiga javob berish uchun etarli, shuning uchun dizayner ham tashvishlanmasligi kerak. differensial chiziqning etarli darajada ulanishi natijasida yuzaga kelgan elektromagnit mos kelmaslik haqida ko’p.

3. Serpantin chizig’i

Ilon chizig’i Layoutda tez-tez ishlatiladigan marshrutlash usulidir. Uning asosiy maqsadi tizim vaqtini loyihalash talablariga javob beradigan kechikishni sozlashdir. Dizayner birinchi navbatda bunday tushunchaga ega bo’lishi kerak: serpantin chizig’i signal sifatini yo’q qiladi, uzatish kechikishini o’zgartiradi va simlarni ulashda uni ishlatishdan qochishga harakat qiladi. Biroq, haqiqiy dizaynda, signalning etarli vaqtga ega bo’lishini ta’minlash yoki bir xil signallar guruhi o’rtasidagi vaqt oralig’ini kamaytirish uchun ko’pincha simni ataylab o’rash kerak bo’ladi.

Xo’sh, serpantin chizig’i signal uzatishga qanday ta’sir qiladi? Simlarni ulashda nimaga e’tibor berishim kerak? Ikki eng muhim parametr 1-8-21-rasmda ko’rsatilganidek, parallel ulanish uzunligi (Lp) va ulash masofasi (S). Shubhasiz, signal serpantin izida uzatilganda, parallel chiziq segmentlari differentsial rejimda birlashtiriladi. S qanchalik kichik bo’lsa va Lp qanchalik katta bo’lsa, ulanish darajasi shunchalik yuqori bo’ladi. Bu uzatish kechikishining kamayishiga olib kelishi mumkin va o’zaro aloqa tufayli signal sifati sezilarli darajada kamayadi. Mexanizm 3-bobdagi umumiy rejim va differentsial rejim o’zaro bog’liqligi tahliliga murojaat qilishi mumkin.

Serpantin chiziqlari bilan ishlashda Layout muhandislari uchun quyidagi takliflar mavjud:

1. Parallel chiziq segmentlarining masofasini (S) oshirishga harakat qiling, kamida 3H dan kattaroq, H signal izidan mos yozuvlar tekisligigacha bo’lgan masofani bildiradi. Oddiy so’z bilan aytganda, bu katta burilishni aylanib o’tishdir. S yetarlicha katta bo’lsa, o’zaro bog’lanish ta’siridan deyarli butunlay qochish mumkin. 2. Birlashma uzunligini Lp qisqartiring. Ikki marta Lp kechikishi signalning ko’tarilish vaqtiga yaqinlashganda yoki undan oshib ketganda, hosil bo’lgan o’zaro aloqa to’yinganlikka erishadi. 3. Strip-Line yoki Embedded Micro-stripning serpantin chizig’idan kelib chiqqan signal uzatish kechikishi Micro-stripnikiga qaraganda kamroq. Nazariy jihatdan, chiziq chizig’i differentsial rejimning o’zaro aloqasi tufayli uzatish tezligiga ta’sir qilmaydi. 4. Yuqori tezlikdagi signal liniyalari va qat’iy vaqt talablari bo’lganlar uchun, ayniqsa, kichik joylarda serpantinli chiziqlardan foydalanmaslikka harakat qiling. 5. Siz tez-tez har qanday burchakda serpantin izlarini ishlatishingiz mumkin, masalan, 1-8-20-rasmdagi C tuzilishi, bu o’zaro bog’lanishni samarali ravishda kamaytirishi mumkin. 6. Yuqori tezlikli PCB dizaynida serpantin chizig’i filtrlash yoki parazitga qarshi qobiliyatga ega emas va faqat signal sifatini kamaytirishi mumkin, shuning uchun u faqat vaqtni moslashtirish uchun ishlatiladi va boshqa maqsadga ega emas. 7. Ba’zan siz o’rash uchun spiral marshrutni ko’rib chiqishingiz mumkin. Simulyatsiya shuni ko’rsatadiki, uning ta’siri oddiy serpantin marshrutiga qaraganda yaxshiroq.