Технология PCB - опыт: навыки подключения печатных плат

Макетирование - один из самых основных профессиональных навыков для инженера по проектированию печатных плат. Качество проводов напрямую влияет на производительность всей системы. Большинство теорий высокоскоростного проектирования должны быть окончательно реализованы и проверены с помощью макета. Как видно, прокладка проводов очень важна при проектировании высокоскоростных печатных плат. Ниже будет проанализирована рациональность некоторых ситуаций, которые могут встретиться в реальной проводке, и приведены некоторые более оптимизированные стратегии маршрутизации. в основном в трех направлениях: прямоугольная проводка, дифференциальная проводка и витая нить.

прямоугольная проводка

Разводка под прямым углом - это ситуация, которой следует избегать при разводке печатных плат, и она почти стала одним из стандартов для измерения качества разводки. Как же прямоугольная разводка влияет на передачу сигнала?В принципе, разводка под прямым углом изменяет ширину линии передачи, вызывая разрыв импеданса. На самом деле, не только прямой угол маршрутизации, но есть также углы,острые углы маршрутизации может вызвать изменения импеданса.влияние прямого угла проводки на сигнал в основном в трех аспектах: во-первых, угол поворота может быть эквивалентна емкостной нагрузки линии передачи,что замедляет время нарастания;другой является то, что разрыв импеданса вызовет сигнал рефлекс; третий является то,что правый угол наконечник генерируется. все поколения.

паразитная емкость, возникающая в прямом углу линии передачи, рассчитывается по эмпирической формуле C = 61W (Er) 1 / 2 / Z0, C - эквивалентной емкости (pf) за углом, W - по ширине ходовой линии (в дюймах) и диэлектрической константе в диапазоне МКР в качестве диэлектрика,Z0 - характеристическое сопротивление линии передачи. например, в случае линии передачи 4Mils 50 ohm (< МКР = 4.3) емкость, возникающая при прямом углу, составляет около 0001pF, после чего можно будет оценить изменение времени нарастания: T10 - 90% = 2,2 * C * Z0 / 2 = 2.2 * 0.01 * 50 / 2 = 0556ps

из расчета видно, что ёмкостный эффект от прямой проводки очень мал. с увеличением ширины прямой линии, там сопротивление будет снижаться, и появится определенное отражение сигнала. Мы можем вычислить эквивалентное сопротивление после увеличения ширины линии по формуле полного сопротивления, упомянутой в разделе линии передачи, а затем по эмпирической формуле вычислить коэффициент отражения: Transcript = (Zs - Z0) / (Zs + Z0). как правило, сопротивление, вызываемое прямоугольной проводкой, изменяется в пределах 7 - 20%, поэтому максимальный коэффициент отражения составляет около 0,1. Кроме того, можно видеть, что сопротивление линии передачи изменяется до минимума в течение длины линии W / 2, а затем возвращается к нормальному сопротивлению после периода W / 2. полное сопротивление изменяется очень быстро, как правило, в пределах 10 ps. для передачи сигналов в целом быстрые и незначительные изменения практически ничтожны.

многие люди понимают прямые проводы так, что, по их мнению, они легко запускаются или получают электромагнитные волны и производят EMI. Это также одна из причин, по которой многие считают, что прямые провода не могут быть установлены. Однако многие практические результаты показали, что прямоугольная траектория не является более очевидной, чем линейная EMI. Возможно, нынешние характеристики и уровень тестирования ограничивают точность тестирования, но по крайней мере это объясняет проблему. прямоугольная проводка излучает меньше ошибок измерений, чем сама аппаратура.

В целом, прямая проводка не так плоха, как кажется. По крайней мере, при использовании GHZ, любые эффекты, такие как емкость, отражение, EMI и т.д., почти не отражаются в тесте TDR. фокус высокоскоростных поездов инженеры PCB дизайн должен быть по-прежнему на схеме, питание / земли дизайн, дизайн провода. Via отверстия и другие аспекты. Конечно, хотя влияние проводки под прямым углом не очень серьезное, это не значит,что мы можем использовать прямые линии. Внимание к деталям - это основное качество, которым должен обладать каждый выдающийся инженер.И, с быстрым развитием цифровых схем, частота сигналов на печатной плате, обрабатываемых инженером, также будет увеличиваться, в области радиочастотного дизайна выше 10 ГГц, эти маленькие прямые углы могут стать фокусом для высокоскоростных вопросов.

соединение дифференциала

В целом, прямая проводка не так плоха, как кажется. По крайней мере, на частоте GHZ любые эффекты,такие как емкость,отражение, EMI и т.д., почти не отражаются в тесте TDR.The фокус высокоскоростных поездов инженеров PCB дизайн должен по-прежнему быть на цепи,питание / земли дизайн, дизайн провода. Via отверстия и другие аспекты. Конечно, хотя влияние проводки под прямым углом не очень серьезно, это не значит, что мы можем использовать прямые линии. Внимание к деталям - это основное качество, которым должен обладать каждый выдающийся инженер. И, с быстрым развитием цифровых схем,частота сигналов на печатной плате, обрабатываемых инженером, также будет увеличиваться, в области проектирования радиочастот выше 10 ГГц, эти небольшие прямые углы могут стать фокусом для высокоскоростных проблем.

По сравнению с обычными односторонними сигнальными трассами дифференциальные сигналы имеют наиболее очевидные преимущества в следующих трех аспектах:

a.Сильный анти-помех способность, Потому что связь между двумя дифференциальными линиями очень хорошо, Когда есть шумовые помехи извне, Они связаны почти одновременно на двух линиях, и принимающий конец только заботится о разнице между двумя сигналами. поэтому, это возможно полностью устранить внешний шум.

b.Он может эффективно подавлять Эми.по той же причине, в силу противоположности полярности двух сигналов, электромагнитное поле, излучающее их излучение, может нейтрализоваться. Чем теснее связь,тем меньше электромагнитной энергии высвобождается во внешний мир.

c.точность позиционирования по времени.Поскольку переключатель дифференциального сигнала находится на пересечении двух сигналов, отличающихся от простых однополюсных сигналов, он зависит от высокого порога и низкого порогового напряжения, на него меньше влияют технологический процесс и температура, а также уменьшается ошибка синхронизации. Кроме того, он более применим к сигнальным цепям с малой амплитудой.

Популярная в настоящее время технология LVD (ow voltage differential signaling) относится к этой технологии дифференциальной сигнализации с малой амплитудой.* Инженеров печатных плат больше всего волнует вопрос, как обеспечить полное использование этих преимуществ дифференциальной разводки в реальной разводке. Возможно, любой человек, имеющий дело с разводкой, понимает общие требования к дифференциальной разводке, т. е. "изометрии". Равная длина нужна для того, чтобы два дифференциальных сигнала постоянно сохраняли противоположную полярность и уменьшали составляющую общей моды; равное расстояние нужно главным образом для того, чтобы дифференциальный импеданс двух сигналов был одинаковым и уменьшал отражение. Требование "как можно ближе" иногда является одним из требований к дифференциальной проводке. Но все эти правила не используются для механического применения, Многие инженеры до сих пор не понимают природу высокоскоростной дифференциальной сигнализации. Ниже рассматривается несколько распространенных заблуждений при проектировании печатных плат для дифференциальных сигналов.

Заблуждение 1: Думают, что дифференциальному сигналу не нужна плоскость земли в качестве обратного пути, или дифференциальная запись предоставляет друг другу обратный путь. Причина этого непонимания в том, что их сбивают с толку поверхностные явления, или механизм передачи сигналов большой скорости недостаточно развит. Из структуры приемной части видно, что эмиттерные токи транзисторов Q3 и Q4 равны и противоположны, а их токи на земле в точности гасят друг друга (I1=0), поэтому дифференциальная схема предназначена для подобных скачков земли и других возможных случаев существования Она нечувствительна к шумовым сигналам на источнике питания и плоскости земли. Частное гашение возврата в плоскость Земли не означает, что разностная схема не использует базовую плоскость в качестве пути возвращения сигнала. На самом деле, при анализе сигнала возврата, механизм дифференциальной проводки и обычной односторонней проводки одинаков, то есть высокочастотные сигналы всегда отражаются по контуру с наименьшей индуктивностью, кроме того, самая большая разница, кроме связи с землей, в дифференциальной линии также есть взаимная связь. Какая связь сильна, та и становится основным возвратным трактом.

При проектировании печатных плат связь между дифференциальными трассами обычно очень мала, часто на нее приходится лишь 10-20% степени связи, более важной является связь с землей, поэтому основной путь возврата дифференциальной трассы по-прежнему существует на плоскости земли. При разрыве на локальном уровне связь между дифференциальными трассами будет обеспечивать основной обратный путь в области без опорной плоскости. Хотя прерывистость опорной плоскости влияет на дифференциальную линию трассы сильнее, чем обычная однополюсная линия, она все равно снизит качество дифференциального сигнала и увеличит EMI, поэтому ее необходимо как можно больше. Некоторые дизайнеры также считают, что опорная плоскость под дифференциальной трассой может быть удалена для подавления части сигнала общей моды при дифференциальной передаче, однако такой подход теоретически нежелателен. Как контролировать импеданс? цепи сопротивления земли для сигналов общей моды, которые неизбежно вызовут EMI излучения, Это еще более вредно.

Заблуждение 2: Люди думают, что сохранение равного расстояния между выводами важнее, чем прокладка линии. В реальной разводке печатной платы часто не удается удовлетворить требования дифференциального дизайна в то же время. Наличие таких факторов, как распределение контактов, виа, коммутационное пространство, правильная обмотка должны быть использованы для достижения цели согласования длины линии, но это неизбежно, что некоторые области дифференциации не могут быть параллельными. Что мы должны делать в это время? Что выбрать? Прежде чем делать выводы, давайте посмотрим на результаты моделирования. Из приведенных выше результатов моделирования можно отметить, что формы программ 1 и 2 практически одинаковы, то есть наименьшее влияние оказывает неравномерность расстояния. 

Для сравнения, при длине линии не совпадающего времени импеданс гораздо больше. (Схема 3). теоретический анализ, Хотя несогласованное расстояние может привести к изменению дифференциального импеданса, Потому что связь между парами различий не само по себе заметно, диапазон изменения импеданса также очень мал, как правило, до 10%, Это эквивалентно только один проход. Отражение, вызванное отверстием, не окажет существенного влияния на передачу сигнала. Если длина линии не совпадает, за исключением временного отклонения, в дифференциальный сигнал вносятся компоненты общей моды, что снижает качество сигнала и увеличивает электромагнитные помехи. Можно сказать, что наиболее важным правилом при проектировании дифференциальной проводки PCb является длина линии совпадения, другие правила могут применяться гибко в соответствии с требованиями дизайна и практического применения.

Заблуждение 3: Думайте,что дифференциальная разводка должна быть очень близкой. сохранение дифференциального тракта близко не только для усиления их связи, что может не только улучшить помехоустойчивость, мы также можем в полной мере использовать противоположные полярности магнитного поля для нейтрализации внешних электромагнитных помех.Хотя такой подход очень полезен в большинстве случаев, это не совсем так... если мы можем обеспечить полную защиту от внешних помех, то нам больше не нужно добиваться защиты от помех за счет сильной связи друг с другом. Цель заключается в подавлении электромагнитных помех. Как обеспечить хорошую изоляцию и экранирование дифференциальных трасс? Увеличение разрыва с другими сигналами - один из важнейших способов. Энергия электромагнитного поля уменьшается с квадратом расстояния. В общем случае, когда расстояние между линиями превышает 4<кратную ширину линии, интерференция между ними очень мала. В принципе, ею можно пренебречь. Кроме того, изоляция через плоскость земли также может играть хорошую экранирующую роль. Такая структура часто используется при проектировании высокочастотных (выше 10g) печатных плат для корпусов ИС. Она называется cpw-структурой, обеспечивающей строгое дифференциальное сопротивление. Управление (2z0)

Дифференциальные трассы также могут проходить в разных сигнальных слоях, но такой подход обычно не рекомендуется, поскольку различия в импедансе и апертуре, создаваемые разными слоями, разрушают эффект дифференциальной передачи и вносят шумы общего типа. Кроме того, если два соседних слоя не имеют плотной связи, это снижает помехоустойчивость дифференциального тракта, но если вы можете поддерживать надлежащее расстояние от окружающих трасс, шум не является проблемой. На общих частотах (ниже ГГц) электромагнитные помехи не будут представлять серьезной проблемы.Эксперимент показал,что затухание лучистой энергии на расстоянии 3 метров составляет 60 децибел на расстоянии 500 миль от канала разности расстояний записи,что достаточно для соответствия стандарту FCC по электромагнитному излучению, поэтому разработчикам не стоит беспокоиться об электромагнитной несовместимости из-за недостаточной связи дифференциальных трактов.