Berita PCB - 3 kesalahpahaman kabel dalam Bentangan PCB

Bentangan adalah salah satu kemampuan kerja yang paling asas untuk jurutera desain PCB. Kualiti kawat akan secara langsung mempengaruhi prestasi seluruh sistem. Kebanyakan teori desain kelajuan tinggi mesti akhirnya dilaksanakan dan disahkan melalui Bentangan. Ia boleh dilihat bahawa kawat sangat penting dalam rancangan PCB kelajuan tinggi. Berikut akan menganalisis rasionalitas beberapa situasi yang mungkin ditemui dalam kawat sebenar, dan memberikan beberapa strategi laluan yang lebih optimal. Ia terutama dijelaskan dari tiga aspek: kawat sudut kanan, kawat perbezaan, dan kawat ular.

1. Jalur sudut-kanan

Kawalan sudut kanan adalah secara umum situasi yang perlu dihindari sebanyak mungkin dalam kabel PCB, dan ia hampir menjadi salah satu piawai untuk mengukur kualiti kabel. Jadi berapa banyak pengaruh kawat sudut kanan akan mempunyai pada transmisi isyarat? Dalam prinsip, laluan sudut kanan akan mengubah lebar baris garis penghantaran, menyebabkan penghentian dalam impedance. Sebenarnya, bukan sahaja laluan sudut kanan, tetapi juga sudut dan laluan sudut akut boleh menyebabkan perubahan impedance. pengaruh kawat sudut kanan pada isyarat terutamanya diselarang dalam tiga aspek: satu ialah sudut boleh sama dengan muatan kapasitif pada garis trasmis, yang memperlambat masa naik; yang lain ialah penghentian penghalang akan menyebabkan refleksi isyarat; ketiga ialah tip sudut kanan dijana EMI.

Kapensitasi parasit disebabkan oleh sudut kanan garis transmisi boleh dihitung dengan formula empirik berikut:

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

Dalam formula di atas, C merujuk kepada kapasitasi yang sama di sudut (unit: pF), W merujuk kepada lebar jejak (unit: inci), εr merujuk kepada konstan dielektrik medium, dan Z0 merupakan pengendalian karakteristik garis transmisi. Contohnya, untuk garis transmisi 4Mils 50 ohm (εr ialah 4.3), kapasitasi yang dibawa oleh sudut kanan adalah kira-kira 0.0101pF, dan kemudian perubahan masa naik disebabkan oleh ini boleh diharapkan:

T10-90%=2.2*C*Z0/2=2.2*0.0101*50/2=0.556ps

Ia boleh dilihat melalui pengiraan bahawa kesan kapasitasi yang dibawa oleh jejak sudut kanan adalah sangat kecil.

Bila lebar garis jejak sudut kanan meningkat, impedance di sana akan menurun, jadi fenomena refleksi isyarat tertentu akan berlaku. Kita boleh menghitung kemudahan yang sama selepas lebar garis meningkat mengikut formula pengiraan kemudahan yang disebut dalam bab garis pengiriman, dan kemudian menghitung koeficien refleksi mengikut formula empirik: Ï™=(Zs-Z0)/(Zs+Z0). Secara umum, perubahan impedance disebabkan oleh kawat sudut kanan adalah antara 7%-20%, jadi koeficien refleksi maksimum adalah kira-kira 0.1. Selain itu, seperti yang boleh dilihat dari figura di bawah, impedance garis penghantaran berubah ke minimum dalam panjang garis W/2, dan kemudian kembali ke impedance normal selepas masa W/2. Seluruh masa perubahan impedance sangat pendek, sering dalam 10 ps. Di dalam, perubahan cepat dan kecil seperti itu hampir tidak terlepas untuk penghantaran isyarat umum.

Banyak orang mempunyai pemahaman tentang kawat sudut kanan. Mereka fikir tip mudah untuk dihantar atau menerima gelombang elektromagnetik dan menghasilkan EMI. Ini telah menjadi salah satu alasan mengapa ramai orang berfikir bahawa kawat sudut kanan tidak boleh digunakan. Namun, banyak hasil ujian sebenar menunjukkan bahawa jejak sudut kanan tidak akan menghasilkan EMI yang jelas daripada garis lurus. Mungkin prestasi instrumen semasa dan tahap ujian terhad ketepatan ujian, tetapi sekurang-kurangnya ia menunjukkan masalah. Radiasi kawat sudut kanan sudah lebih kecil daripada ralat pengukuran instrumen sendiri.

Secara umum, laluan sudut kanan tidak seburuk yang dijangka. Sekurang-kurangnya dalam aplikasi di bawah GHz, mana-mana kesan seperti kapasitasi, refleksi, EMI, dll. hampir tidak refleksi dalam ujian TDR. jurutera rancangan PCB kelajuan tinggi patut tetap fokus pada bentangan, rancangan kuasa/tanah, dan rancangan wayar. Melalui lubang dan aspek lain. Sudah tentu, walaupun kesan kawat sudut kanan tidak terlalu serius, ia tidak bermakna bahawa kita semua boleh menggunakan kawat sudut kanan di masa depan. Perhatian kepada perincian adalah kualiti asas yang setiap jurutera yang baik mesti mempunyai. Selain itu, dengan pembangunan cepat sirkuit digital, PCB frekuensi isyarat yang diproses oleh jurutera akan terus meningkat. Dalam medan desain RF di atas 10GHz, sudut kanan kecil ini mungkin menjadi fokus masalah kelajuan tinggi.

2. Penghalaan berbeza

Isyarat berbeza (Signal berbeza) semakin luas digunakan dalam desain sirkuit kelajuan tinggi. Isyarat paling kritik dalam sirkuit sering dirancang dengan struktur perbezaan. Apa yang membuatnya begitu populer? Bagaimana untuk memastikan prestasi yang baik dalam rancangan PCB? Dengan dua soalan ini, kita teruskan ke bahagian seterusnya dalam perbincangan. Apa isyarat perbezaan? Dalam terma layman, hujung pemandu menghantar dua isyarat yang sama dan terbalik, dan akhir penerima menilai keadaan logik "0" atau "1" dengan membandingkan perbezaan antara kedua-dua tegangan. Pasangan jejak yang membawa isyarat perbezaan dipanggil jejak perbezaan.

Berbanding dengan jejak isyarat satu-akhir biasa, isyarat perbezaan mempunyai keuntungan yang paling jelas dalam tiga aspek berikut:

a. Kekuatan anti-gangguan yang kuat, kerana sambungan antara dua jejak perbezaan adalah sangat baik. Apabila terdapat gangguan bunyi dari luar, mereka hampir tersambung dengan dua garis pada masa yang sama, dan akhir penerima hanya peduli tentang perbezaan antara dua isyarat. Oleh itu, bunyi mod umum luaran boleh dibatalkan sepenuhnya.

b. Ia boleh menekan EMI secara efektif. Untuk sebab yang sama, disebabkan polaritas bertentangan dua isyarat, medan elektromagnetik yang direradiasi oleh mereka boleh membatalkan satu sama lain. Semakin ketat sambungan, semakin kurang tenaga elektromagnetik bergerak ke dunia luar.

c. Posisi masa adalah tepat. Kerana perubahan tukar isyarat perbezaan ditempatkan di persimpangan dua isyarat, tidak seperti isyarat satu-akhir biasa, yang bergantung pada tenaga ambang tinggi dan rendah untuk menentukan, ia kurang terkesan oleh proses dan suhu, yang boleh mengurangkan ralat dalam masa. Tapi juga lebih sesuai untuk sirkuit isyarat amplitud rendah. LVDS populer semasa (isyarat berbeza tenaga rendah) merujuk kepada teknologi isyarat berbeza amplitud kecil ini.

Untuk jurutera PCB, yang paling bimbang adalah bagaimana untuk memastikan keuntungan ini kawat berbeza boleh digunakan sepenuhnya dalam kawat sebenar. Mungkin sesiapa yang telah menghubungi Layout akan memahami keperluan umum kabel perbezaan, iaitu, "panjang dan jarak yang sama". Panjang sama adalah untuk memastikan dua isyarat perbezaan menjaga polariti bertentangan setiap masa dan mengurangkan komponen mod umum; jarak yang sama adalah terutama untuk memastikan bahawa impedance perbezaan kedua-dua adalah konsisten dan mengurangkan refleksi. "Sebanyak mungkin" kadang-kadang adalah salah satu keperluan kabel perbezaan. Tetapi semua peraturan ini tidak digunakan untuk melaksanakan secara mekanik, dan banyak jurutera seolah-olah masih tidak memahami inti penghantaran isyarat berbeza kelajuan tinggi. Berikut fokus pada beberapa kesalahpahaman umum dalam reka isyarat berbeza papan PCB.

Salah faham 1: Dipercayakan bahawa isyarat perbezaan tidak memerlukan pesawat tanah sebagai laluan kembali, atau bahawa jejak perbezaan menyediakan laluan kembali untuk satu sama lain. Alasan kesalahpahaman ini adalah bahawa mereka keliru oleh fenomena permukaan, atau mekanisme penghantaran isyarat kelajuan tinggi tidak cukup dalam. Dari struktur hujung penerimaan Figur 1-8-15 boleh dilihat bahawa arus emiter transistor Q3 dan Q4 adalah sama dan bertentangan, dan arus mereka di tanah benar-benar membatalkan satu sama lain (I1=0), jadi sirkuit perbezaan adalah lompatan yang sama dan isyarat bunyi lain yang mungkin wujud di atas pesawat kuasa dan tanah tidak sensitif. Pembatalan bahagian kembalian pesawat tanah tidak bermakna litar perbezaan tidak menggunakan pesawat rujukan sebagai laluan kembalian isyarat. Sebenarnya, dalam analisis kembali isyarat, mekanisme kabel berbeza dan kabel satu-akhir biasa adalah sama, iaitu, isyarat frekuensi tinggi sentiasa Reflux sepanjang loop dengan induktan yang paling kecil. Perbezaan terbesar ialah selain sambungan ke tanah, garis perbezaan juga mempunyai sambungan antara satu sama lain. Yang jenis pasangan yang kuat akan menjadi jalan kembali utama. 1-8-16 adalah diagram skematik bagi distribusi medan geomagnetik bagi isyarat satu-akhir dan isyarat perbezaan.

Dalam rancangan sirkuit PCB, sambungan antara jejak perbezaan adalah biasanya kecil, sering hanya menganggap 10 hingga 20% darjah sambungan, dan lebih adalah sambungan ke tanah, jadi laluan kembalian utama jejak perbezaan masih wujud di atas lapangan tanah. Apabila pesawat tanah berhenti, sambungan antara jejak perbezaan akan menyediakan laluan pulang utama di kawasan tanpa pesawat rujukan, seperti yang dipaparkan dalam Figur 1-8-17. Walaupun pengaruh ketinggalan pesawat rujukan pada jejak perbezaan bukanlah sebanyak jejak satu-akhir biasa, ia masih akan mengurangi kualiti isyarat perbezaan dan meningkatkan EMI, yang seharusnya dihindari sebanyak yang mungkin. Beberapa desainer percaya bahawa pesawat rujukan dibawah jejak perbezaan boleh dibuang untuk menekan beberapa isyarat mod umum dalam transmisi perbezaan. Namun, pendekatan ini tidak diinginkan dalam teori. Bagaimana untuk mengawal impedance? Tidak menyediakan loop impedance tanah untuk isyarat mod-umum akan secara mengelakkan menyebabkan radiasi EMI. Pendekatan ini lebih berbahaya daripada kebaikan.

Salah faham 2: Dipercayakan bahawa menjaga ruang yang sama lebih penting daripada sepadan panjang baris. Dalam bentangan PCB sebenar, ia sering tidak mungkin untuk memenuhi keperluan desain perbezaan pada masa yang sama. Kerana terdapat distribusi pin, vias, dan ruang kabel, tujuan persamaan panjang baris mesti dicapai melalui pembuluhan yang betul, tetapi hasilnya mesti ialah beberapa kawasan pasangan perbezaan tidak boleh selari. Apa yang perlu kita lakukan pada masa ini? Pilihan mana? Sebelum melukis kesimpulan, mari kita lihat hasil simulasi berikut.

Dari hasil simulasi di atas, boleh dilihat bahawa bentuk gelombang Skema 1 dan Skema 2 hampir kebetulan, iaitu, pengaruh disebabkan oleh jarak yang tidak sama adalah minimal. Sebagai perbandingan, pengaruh ketidaksepadan panjang garis pada masa adalah jauh lebih besar. (Skema 3). Dari analisis teori, walaupun jarak yang tidak konsisten akan menyebabkan impedance perbezaan berubah, kerana sambungan antara pasangan perbezaan sendiri tidak signifikan, julat perubahan impedance juga sangat kecil, biasanya dalam 10%, yang hanya sama dengan satu laluan. Refleksi disebabkan oleh lubang tidak akan mempunyai kesan signifikan pada transmisi isyarat. Apabila panjang baris tidak sepadan, selain ofset masa, komponen mod biasa akan diperkenalkan ke dalam isyarat perbezaan, yang mengurangkan kualiti isyarat dan meningkatkan EMI.

Ia boleh dikatakan bahawa peraturan yang paling penting dalam desain jejak perbezaan PCB adalah panjang garis yang sepadan. Peraturan lain boleh dikendalikan secara fleksibel mengikut keperluan desain dan aplikasi sebenar.

Salah faham 3: dipercayai bahawa kawat perbezaan mesti sangat dekat. Menjaga jejak perbezaan dekat tidak lebih dari untuk meningkatkan sambungan mereka, yang tidak hanya boleh meningkatkan kekebalan terhadap bunyi, tetapi juga membuat penggunaan penuh polariti bertentangan medan magnetik untuk ofset gangguan elektromagnetik ke dunia luar. Walaupun pendekatan ini sangat berguna dalam kebanyakan kes, ia tidak mutlak. Jika kita boleh memastikan bahawa mereka sepenuhnya dilindungi daripada gangguan luar, maka kita tidak perlu menggunakan pasangan kuat untuk mencapai anti gangguan. Dan tujuan untuk menekan EMI. Bagaimana kita boleh memastikan pengasingan yang baik dan perlindungan jejak perbezaan? Meningkatkan jarak dengan jejak isyarat lain adalah salah satu cara yang paling asas. Energi medan elektromagnetik menurun dengan kuasa dua jarak. Secara umum, apabila jarak garis melebihi 4 kali lebar garis, gangguan diantaranya sangat lemah. Boleh diabaikan. Selain itu, pengasingan oleh pesawat tanah juga boleh bermain peran perlindungan yang baik. Struktur ini sering digunakan dalam rekaan PCB pakej IC frekuensi tinggi (atas 10G). Ia dipanggil struktur CPW, yang boleh memastikan penghalang perbezaan ketat. Kawalan (2Z0), seperti yang dipaparkan dalam Figur 1-8-19.

Jejak berbeza juga boleh berjalan dalam lapisan isyarat berbeza, tetapi kaedah ini biasanya tidak direkomendasikan, kerana perbezaan dalam impedance dan vias yang dihasilkan oleh lapisan berbeza akan menghancurkan kesan penghantaran mod berbeza dan memperkenalkan bunyi mod biasa. Selain itu, jika dua lapisan bersebelahan tidak terikat dengan ketat, ia akan mengurangkan kemampuan jejak perbezaan untuk menentang bunyi, tetapi jika anda boleh menyimpan jarak yang betul dari jejak sekeliling, percakapan salib bukan masalah. Pada frekuensi umum (di bawah GHz), EMI tidak akan menjadi masalah serius. Eksperimen telah menunjukkan bahawa penindasan tenaga radiasi pada jarak 500 mils dari jejak perbezaan telah mencapai 60dB pada jarak 3 meter, yang cukup untuk memenuhi standar radiasi elektromagnetik FCC, jadi perancang tidak perlu bimbang terlalu banyak tentang ketidakkompatibiliti elektromagnetik disebabkan oleh pasangan garis perbezaan yang tidak cukup.

3. Garis Serpentine

Baris ular adalah jenis kaedah laluan yang sering digunakan dalam Bentangan. Tujuannya utama adalah untuk menyesuaikan lambat untuk memenuhi keperluan desain masa sistem. Pertama, perancang mesti mempunyai pemahaman ini: garis ular akan menghancurkan kualiti isyarat, mengubah lambat penghantaran, dan cuba untuk mengelakkannya semasa kabel. Namun, dalam rancangan sebenar, untuk memastikan isyarat mempunyai masa tahan yang cukup, atau untuk mengurangkan ofset masa antara kumpulan isyarat yang sama, ia sering diperlukan untuk sengaja angin wayar. Jadi, apa kesan garis ular pada transmisi isyarat? Apa yang perlu saya perhatikan apabila kabel? Kedua parameter paling kritik ialah panjang sambungan selari (Lp) dan jarak sambungan (S), seperti yang dipaparkan dalam Figur 1-8-21. Jelas, apabila isyarat dihantar pada jejak ular, segmen garis selari akan disambung dalam mod berbeza. Semakin kecil S dan semakin besar Lp, semakin besar darjah sambungan. Ia mungkin menyebabkan keterlaluan penghantaran dikurangkan, dan kualiti isyarat dikurangkan besar disebabkan perbualan salib. Mekanisme boleh rujuk ke analisis mod umum dan perbezaan mod saling berbeza dalam Bab 3. Berikut adalah beberapa cadangan untuk jurutera Bentuk apabila berurusan dengan garis ular:

1. Cuba meningkatkan jarak (S) bagi segmen garis selari, sekurang-kurangnya lebih besar dari 3H, H merujuk kepada jarak dari jejak isyarat ke pesawat rujukan. Dalam terma layman, ia adalah untuk pergi sekitar bengkok besar. Selama S cukup besar, kesan sambungan boleh hampir sepenuhnya dihindari.

2. Kurangkan panjang sambungan Lp, apabila lambat Lp ganda mendekati atau melebihi masa naik isyarat, percakapan salib yang dijana akan mencapai ketepuan.

3. Lembatan penghantaran isyarat disebabkan oleh garis serpentine garis-tali atau garis-mikro-tali terkandung adalah kurang daripada garis-mikro. Secara teori, garis garis garis tidak akan mempengaruhi kadar pemindahan disebabkan perbezaan perbezaan mod salib.

4. Untuk garis isyarat kelajuan tinggi dan yang mempunyai keperluan masa yang ketat, cuba untuk tidak menggunakan garis ular, terutama di kawasan kecil.

5. Anda sering boleh guna jejak ular pada mana-mana sudut, seperti struktur C dalam Figur 1-8-20, yang boleh mengurangkan hubungan antara satu sama lain.

6. Dalam rancangan PCB kelajuan tinggi, garis ular tidak mempunyai kemampuan penapisan atau anti-gangguan, dan hanya boleh mengurangi kualiti isyarat, jadi ia hanya digunakan untuk pemadaman masa dan tidak mempunyai tujuan lain.

7. Kadang-kadang anda boleh mempertimbangkan rute spiral untuk angin. Simulasi menunjukkan bahawa kesannya lebih baik daripada rutin ular biasa.