Teknik PCB - Ringkasan pengalaman: kemampuan penghalaan 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 terutamanya dijelaskan dari tiga aspek: kawat sudut kanan, kawat perbezaan, dan garis 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, laluan sudut tajam 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 titik sudut kanan dijana. EMI.

Kapensitasi parasitik 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 sudut (unit: pF), dan W merujuk kepada berjalan Lebar garis (unit: inci), εr merujuk kepada konstant dielektrik medium, Dan Z0 adalah pengendalian karakteristik garis penghantaran. Contohnya, untuk garis penghantaran 4Mils 50 ohm (<εr=4.3), kapasitas yang dibawa oleh sudut kanan adalah kira-kira 0.0101pF, dan kemudian perubahan masa naik disebabkan oleh ini boleh dijangka: 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 kawat 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. Lagipun, ia boleh dilihat bahawa impedance garis transmisi berubah ke minimum semasa panjang garis W/2, dan kemudian kembali ke impedance normal selepas masa W/2. Seluruh masa perubahan impedance sangat pendek, sering dalam 10 ps. Perubahan yang cepat dan kecil hampir tidak terlepas untuk penghantaran isyarat umum.

Banyak orang mempunyai pemahaman tentang kawat sudut kanan, dan berfikir bahawa titik adalah mudah untuk dihantar atau menerima gelombang elektromagnetik dan menghasilkan EMI. Ini juga menjadi salah satu alasan mengapa ramai orang berfikir bahawa kawat sudut kanan tidak boleh dijalankan. 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-buruk seperti yang dijangka. Sekurang-kurangnya dalam aplikasi di bawah GHz, mana-mana kesan seperti kapasitasi, refleksi, EMI, dll., hampir tidak refleksi dalam ujian TDR. Fokus enjin rancangan PCB kelajuan tinggi patut masih berada pada bentangan, rancangan kuasa/tanah, dan rancangan kabel. 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. Memberi perhatian kepada perincian adalah kualiti asas yang setiap jurutera luar biasa mesti mempunyai. Selain itu, dengan pembangunan cepat sirkuit digital, PCB Frekuensi isyarat yang diselesaikan oleh jurutera juga akan terus meningkat, ke medan reka RF di atas 10GHz, sudut kanan kecil ini mungkin menjadi fokus masalah kelajuan tinggi.

2 Kawalan berbeza

isyarat perbezaan (isyarat perbezaan) 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 voltaj ambang tinggi dan rendah, ia kurang terpengaruh oleh proses dan suhu, dan boleh mengurangi ralat dalam masa. Ia juga lebih sesuai untuk sirkuit dengan isyarat amplitud rendah.

LVD popular semasa (isyarat berbeza tegangan ow) merujuk kepada teknologi pembezaan 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 pengendalian 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 rancangan isyarat berbeza PCB.

Salah faham 1: Fikirkan 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. Ia boleh dilihat dari struktur hujung penerima 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 untuk lompatan tanah yang sama dan wujud lain yang mungkin ia tidak sensitif kepada isyarat bunyi pada bekalan kuasa dan pesawat tanah. Pembatalan bahagian kembalian pesawat tanah tidak bermakna litar perbezaan tidak menggunakan pesawat rujukan sebagai laluan kembalian isyarat. Sebenarnya, dalam analisis kembali isyarat, mekanisme kabel perbezaan dan kabel satu-akhir biasa adalah sama, iaitu, isyarat frekuensi tinggi sentiasa Reflow sepanjang gelung dengan induktan yang paling kecil, perbezaan terbesar adalah bahawa selain sambungan ke tanah, garis perbezaan juga mempunyai sambungan bersama. Yang jenis pasangan yang kuat, yang mana menjadi jalan kembali utama.

Dalam rancangan sirkuit PCB, sambungan antara jejak perbezaan biasanya kecil, sering hanya menganggap 10-20% darjah sambungan, dan lebih adalah sambungan ke tanah, jadi laluan kembalian utama jejak perbezaan masih wujud di atas pesawat tanah. . Apabila terdapat keterlaluan dalam pesawat tanah, sambungan antara jejak perbezaan akan menyediakan laluan pulang utama di kawasan tanpa pesawat rujukan. 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 juga percaya bahawa pesawat rujukan di bawah jejak perbezaan boleh dibuang untuk menekan sebahagian isyarat mod umum dalam transmisi perbezaan, tetapi pendekatan ini tidak diinginkan dalam teori. Bagaimana untuk mengawal impedance? Jangan menyediakan loop impedance tanah untuk isyarat mod umum, yang akan menyebabkan radiasi EMI, dan latihan ini lebih berbahaya.

Salah faham 2: Dipercayakan bahawa menjaga ruang yang sama lebih penting daripada sepadan panjang baris. Dalam bentangan PCB sebenar, ia sering tidak dapat memenuhi keperluan desain perbezaan pada masa yang sama. Kerana wujud faktor seperti distribusi pin, vias, dan ruang kabel, pembangian yang tepat mesti digunakan untuk mencapai tujuan persamaan panjang baris, 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, kesan disebabkan oleh jarak yang tidak sama adalah minimal. Sebagai perbandingan, ketidakpadanan panjang garis mempunyai kesan yang lebih besar pada masa. (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. Penjelasan 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 kabel perbezaan PCB adalah panjang garis yang sepadan, dan peraturan lain boleh ditangani fleksibel mengikut keperluan desain dan aplikasi praktik.

Salah faham 3: fikir 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 lagi perlu mencapai anti gangguan melalui pasangan kuat satu sama lain. 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 baris melebihi 4

Jejak berbeza juga boleh berjalan dalam lapisan isyarat berbeza, tetapi pendekatan 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 Mil dari jejak perbezaan telah mencapai 60dB pada jarak 3 meter, yang cukup untuk memenuhi standar radiasi elektromagnetik FCC, jadi perancang tidak perlu risau terlalu banyak tentang ketidakkompatibiliti elektromagnetik disebabkan oleh sambungan garis perbezaan yang tidak cukup.