Thiết kế điện tử - Các ứng dụng của dây serpentine trong thiết kế bảng mạch pcb là gì?

Trong việc lập kế hoạch cho bản vẽ bảng mạch PCB, bạn sẽ thường thấy mọi người đặt câu hỏi về dòng serpentine. Thông thường, nơi chúng ta có thể thấy đường hình rắn chủ yếu là bảng mật độ cao tốc độ cao, như bảng có đường hình rắn cao cấp hơn, và những người biết cách vẽ đường hình rắn là những bậc thầy. Cũng có rất nhiều bài viết về Serpentine Line trên Internet và tôi luôn cảm thấy rằng một số bài viết có nội dung gây hiểu lầm cho người mới, gây nhầm lẫn và tạo ra một số rào cản nhân tạo. Vì vậy, chúng ta hãy xem xét các ứng dụng thực tế của các đường serpentine bên.

Phân tích ứng dụng Serpentine Line trong thiết kế bảng mạch PCB

Để hiểu dây rắn, trước tiên chúng ta hãy nói về cáp PCB. Khái niệm này dường như không cần phải được giới thiệu. Sự bất tiện mà các kỹ sư phần cứng làm mỗi ngày là công việc định tuyến. Mỗi dấu vết trên PCB được vẽ từng cái một bởi các kỹ sư phần cứng. Chúng ta có thể nói gì đây? Trên thực tế, dấu vết đơn giản này cũng chứa nhiều điểm kiến thức mà chúng ta thường bỏ qua. Ví dụ, khái niệm về microband và ribbon. Trong ngắn hạn, microband là dấu vết trên bề mặt của bảng mạch PCB và dải là dấu vết trên lớp bên trong của PCB. Sự khác biệt giữa hai dòng này là gì? Mặt phẳng tham chiếu của microband là mặt đất của lớp bên trong PCB, nơi phía bên kia của dấu vết được tiếp xúc với không khí, do đó hằng số điện môi xung quanh dấu vết là khác nhau. Ví dụ, chất nền FR4 thường được sử dụng của chúng tôi có hằng số điện môi khoảng 4,2 và không khí có hệ số điện môi là 1. Các mặt trên và dưới của đường ruy - băng đều có mặt phẳng tham chiếu. Toàn bộ dấu vết được nhúng gần bề mặt PCB, với hằng số điện môi giống nhau xung quanh dấu vết. Điều này cũng tạo thành việc truyền sóng TEM trên các đường băng và sóng quasi-TEM trên các đường vi băng. Tại sao nó là sóng quasi-TEM? Nó được gây ra bởi sự không phù hợp pha tại giao diện giữa không khí và chất nền PCB. Sóng TEM là gì? Nếu chúng ta đi sâu vào vấn đề này, chúng ta sẽ không thể hoàn thành nó trong mười tháng rưỡi. Để tóm tắt câu chuyện dài, cho dù đó là microband hay ribbon, vai trò của chúng không gì khác ngoài việc mang tín hiệu, cho dù đó là tín hiệu kỹ thuật số hay tín hiệu tương tự. Những tín hiệu này được truyền dưới dạng sóng điện từ từ đầu này sang đầu kia của dấu vết. Nếu là sóng thì phải có tốc độ. Tốc độ tín hiệu trên đường dấu vết PCB là gì? Tốc độ cũng khác nhau tùy thuộc vào hằng số điện môi.

Tốc độ mà sóng điện từ di chuyển trong không khí được biết đến là tốc độ ánh sáng. Tốc độ lan truyền trong các phương tiện khác phải được tính bằng công thức sau:

V=C/Er0.5

Trong khi đó, V là tốc độ truyền trong môi trường, C là tốc độ ánh sáng và Er là hằng số điện môi của môi trường. Với công thức này, chúng ta có thể dễ dàng tính toán tốc độ truyền tín hiệu trên dấu vết PCB. Ví dụ, chúng tôi chỉ đơn giản là thay thế hằng số điện môi của chất nền FR4 vào công thức tính toán, có nghĩa là tín hiệu được truyền với tốc độ bằng một nửa tốc độ ánh sáng trong chất nền FR4. Tuy nhiên, đối với các dây vi băng trên lớp bề mặt, vì một nửa trong không khí và một nửa trong chất nền, hằng số điện môi sẽ giảm một chút, do đó tốc độ truyền sẽ nhanh hơn một chút so với các dây đai. Dữ liệu thực nghiệm thường được sử dụng là độ trễ dấu vết khoảng 140ps/inch cho microband và khoảng 166ps/inch cho ribbon.

Như đã đề cập ở trên, chỉ có một mục đích, đó là việc truyền tín hiệu trên PCB bị trì hoãn! Nói cách khác, tín hiệu không được truyền từ chân này sang chân khác thông qua dấu vết ngay lập tức. Mặc dù tín hiệu truyền nhanh, nó vẫn ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu miễn là dấu vết đủ dài. Ví dụ, đối với tín hiệu 1GHz, chu kỳ là 1ns và thời gian dọc theo tăng hoặc giảm là khoảng một phần mười của chu kỳ, hoặc 100ps. Nếu quỹ đạo của chúng ta dài hơn 1 inch (khoảng 2,54 cm), thì độ trễ truyền sẽ vượt quá đường đi lên. Nếu quỹ đạo vượt quá 8 inch (khoảng 20 cm), độ trễ có thể là một chu kỳ đầy đủ! Hóa ra PCB có tác động lớn đến mức chúng ta thường có hơn 1 inch đi bộ trên bảng mạch của mình. Vì vậy, sự chậm trễ có ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của hội đồng quản trị không? Từ hệ thống thực hành, nếu chỉ có một tín hiệu và các tín hiệu khác không muốn tắt, thì độ trễ dường như không có tác dụng. Tuy nhiên, trong các hệ thống tốc độ cao, sự chậm trễ này sẽ có tác động thực sự.

Ví dụ, các hạt bộ nhớ phổ biến của chúng ta được kết nối dưới dạng bus, bao gồm đường dữ liệu, đường địa chỉ, đồng hồ và đường điều khiển. Chúng ta hãy nhìn vào giao diện video của chúng tôi một lần nữa. Bất kể có bao nhiêu kênh là HDMI hoặc DVI, chúng sẽ bao gồm cả kênh dữ liệu và kênh đồng hồ. Có lẽ đó là một số loại giao thức xe buýt, tất cả đều là truyền dữ liệu và đồng hồ đồng bộ. Sau đó, trong các hệ thống tốc độ cao thực tế, các tín hiệu đồng hồ và dữ liệu này được gửi đồng bộ từ chip chính. Nếu bố trí PCB của chúng tôi không tốt, chiều dài của tín hiệu đồng hồ và tín hiệu dữ liệu sẽ khác nhau rất nhiều. Thật dễ dàng để tạo thành một mẫu dữ liệu sai và sau đó toàn bộ hệ thống sẽ không hoạt động đúng. Chúng ta nên làm gì để giải quyết vấn đề này? Tất nhiên, chúng ta sẽ xem xét việc kéo dài các dấu vết có độ dài ngắn để các dấu vết trong cùng một nhóm có độ dài tương tự, vì vậy độ trễ sẽ giống nhau? Vậy làm thế nào để kéo dài dấu vết đây! Đúng rồi! Cuối cùng, không dễ để quay lại chủ đề này. Đây là vai trò chính của Serpentine trong các hệ thống tốc độ cao. Quấn quanh, chờ lâu. Rất đơn giản. Dây serpentine được sử dụng để quấn isolength. Sau khi vẽ đường serpentine, chúng ta có thể đạt được cùng độ dài của cùng một bộ tín hiệu để sau khi chip nhận được tín hiệu, không có độ trễ khác nhau do dấu vết bảng mạch PCB. Lỗi thu thập dữ liệu thành phần. Serpentine giống như các dấu vết được tìm thấy trên các bảng PCB khác. Chúng được sử dụng để kết nối các tín hiệu. Họ sẽ chỉ đi xa hơn nếu không có nó, vì vậy các đường serpentine không sâu và không quá phức tạp.

Vì nó giống như các dấu vết khác, một số quy tắc định tuyến thường được sử dụng cũng áp dụng cho Serpentine. Đồng thời, do cấu trúc đặc biệt của các đường serpentine, cần chú ý khi định tuyến. Ví dụ, cố gắng làm cho các đường serpentine song song với nhau xa hơn. Nói tóm lại, đó là một câu nói cũ để đi vòng quanh một lượt lớn và không đi bộ quá dày đặc và quá nhỏ trong một khu vực nhỏ. Tất cả điều này giúp giảm nhiễu tín hiệu. Do con người tăng chiều dài đường dây, đường dây rắn chắc chắn sẽ ảnh hưởng xấu đến tín hiệu, vì vậy miễn là nó có thể đáp ứng các yêu cầu về thời gian trong hệ thống, không sử dụng nó khi không cần thiết. Một số kỹ sư sử dụng DDR hoặc tín hiệu tốc độ cao để làm cho toàn bộ nhóm có chiều dài bằng nhau và các đường serpentine bay trên toàn bộ bảng. Nó dường như là một cách tốt hơn để nối dây. Trong thực tế, đó là một dấu hiệu của sự lãng phí thời gian và vô trách nhiệm. Nhiều nơi không cần phải bị vướng víu, không chỉ lãng phí diện tích của bảng mà còn làm giảm chất lượng tín hiệu. Chúng ta nên tính toán dự phòng trễ dựa trên các yêu cầu tốc độ tín hiệu thực tế và sau đó xác định các quy tắc dây bảng.

Ngoài các hiệu ứng độ dài bằng nhau, tôi đã thấy một số hiệu ứng khác của Serpentine Line thường được đề cập trong các bài viết trên Internet. Và đây là một lời giới thiệu ngắn gọn.

Một lập luận phổ biến là ảnh hưởng của trận đấu trở kháng. Lập luận này thật kỳ lạ. Trở kháng của dấu vết PCB có liên quan đến chiều rộng đường, hằng số điện môi và khoảng cách của mặt phẳng tham chiếu. Nó có liên quan gì đến Serpentine Line? Khi nào hình dạng của dấu vết ảnh hưởng đến trở kháng? Tôi không biết nguồn gốc của tuyên bố đó.

2. Ngoài ra còn có hiệu ứng lọc. Không thể nói là không có hiệu ứng này, nhưng không nên có hiệu ứng lọc trong mạch kỹ thuật số. Có lẽ chúng ta không cần phải sử dụng chức năng này trong các mạch kỹ thuật số. Trong mạch RF, dấu vết rắn có thể tạo thành mạch LC. Nếu nó có tác dụng lọc tín hiệu trên một tần số nhất định, đó là chuyện của quá khứ.

3. Cảm ứng, điều này có thể. Tất cả các dấu vết trên PCB ban đầu có cảm ứng ký sinh. Có thể làm một số cuộn cảm PCB.

4. Chấp nhận ăng-ten, nó ổn. Chúng ta có thể thấy hiệu ứng này trên một số điện thoại di động hoặc radio. Một số ăng-ten được làm bằng dấu vết PCB.

5. Cầu chì, hiệu ứng này làm tôi bối rối. Làm thế nào để các đường serpentine ngắn và hẹp hoạt động như một cầu chì? Nếu dòng điện lớn, nó có nổ không? Hội đồng quản trị không phải là vô dụng. Giá của cầu chì này quá cao. Tôi thực sự không hiểu loại ứng dụng nào nó sẽ được sử dụng.

Sau khi giới thiệu ở trên, chúng ta có thể hiểu rõ ràng rằng dây rắn có một số hiệu ứng đặc biệt gần bảng mạch analog hoặc tần số vô tuyến, được xác định bởi đặc tính của dây vi sóng. Trong lập kế hoạch mạch kỹ thuật số, các đường serpentine được sử dụng để hoàn thành các hiệu ứng khớp thời gian bằng nhau. Ngoài ra, đường Serpentine có thể ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, vì vậy các yêu cầu hệ thống phải được xác định rõ ràng trong hệ thống, dự phòng hệ thống nên được tính toán theo yêu cầu thực tế và sử dụng đường Serpentine một cách thận trọng.