Thiết kế điện tử - Lý do tại sao tốc độ cao PCB thiết kế Serpentine Line là gì?

Serpentine line là phổ biến và có nhiều ứng dụng, trong khi bù trễ (isometric thời gian) được sử dụng rộng rãi nhất trong thiết kế truyền thống; Kiểm soát chiều dài của dây, kiểm soát chiều rộng của dây, khoảng cách của dây quấn, được gọi là căn chỉnh rắn bằng cách quấn dây.

Trước khi hoàn thành công việc kiểm tra, trước khi giải thích cáp PCB, trước tiên tôi sẽ giới thiệu cho bạn ba kỹ thuật cáp đặc biệt cho thiết kế PCB.

Đường bố trí PCB sẽ được giải thích theo ba cách: đường góc phải, đường phân phối khác biệt và đường serpentine:

các đường góc phải (3 mặt). Ảnh hưởng của đường góc phải đối với tín hiệu chủ yếu được phản ánh trong ba khía cạnh: thứ nhất, góc có thể tương đương với tải điện dung trên đường truyền, do đó làm chậm thời gian tăng; thứ hai, sự gián đoạn của trở kháng gây ra phản xạ tín hiệu; thứ ba, EMI tạo ra các đầu góc phải, vượt quá lĩnh vực thiết kế tần số vô tuyến 10GHz, những góc vuông nhỏ này có thể trở thành tâm điểm của vấn đề tốc độ cao.

Hệ thống dây vi sai ("Isolength, Isometric, Benchmark Surface"). Tín hiệu khác biệt (differential signal) là gì? Trong thuật ngữ phổ biến, một ổ đĩa gửi hai tín hiệu nghịch pha tương đương và người nhận xác định trạng thái logic "0" hoặc "1" bằng cách so sánh sự khác biệt giữa hai điện áp. Cặp dây truyền tín hiệu khác biệt này được gọi là dây dẫn khác biệt.

Lợi thế rõ ràng nhất của tín hiệu chênh lệch so với cáp tín hiệu đơn đầu thông thường nằm ở ba khía cạnh sau:

1) Khả năng chống nhiễu mạnh vì khớp nối giữa hai đường khác biệt là rất tốt. Khi có nhiễu từ bên ngoài, chúng được ghép nối với hai dòng gần như đồng thời và đầu thu chỉ nhận thấy sự khác biệt giữa hai tín hiệu, do đó tiếng ồn chế độ chung bên ngoài có thể được loại bỏ hoàn toàn.

2) Nó có thể ức chế EMI một cách hiệu quả. Vì lý do tương tự, do sự phân cực của hai tín hiệu, trường điện từ bức xạ bên ngoài của chúng có thể triệt tiêu lẫn nhau. Khớp nối càng chặt, càng ít năng lượng điện từ được giải phóng ra bên ngoài.

3) Định vị thời gian chính xác, bởi vì sự thay đổi của công tắc tín hiệu vi sai nằm ở giao điểm của hai tín hiệu, không giống như tín hiệu đầu đơn thông thường dựa vào phán đoán điện áp ngưỡng cao và thấp, do đó, thông qua quá trình này, ảnh hưởng nhiệt độ nhỏ, có thể giảm lỗi thời gian, cũng phù hợp hơn cho mạch tín hiệu biên độ thấp.

LVDS (Low Voltage Differential Signal) phổ biến hiện nay đề cập đến công nghệ tín hiệu chênh lệch biên độ nhỏ này.

3. Serpentine Line (điều chỉnh độ trễ). Serpentine Line là một phương pháp định tuyến thường được sử dụng trong bố cục. Mục đích chính của nó là điều chỉnh độ trễ để đáp ứng các yêu cầu thiết kế thời gian của hệ thống. Quan trọng nhất trong hai tham số này là chiều dài ghép song song (Lp) và khoảng cách ghép (S). Rõ ràng, khi tín hiệu được truyền trên đường Serpentine, trong chế độ khác biệt, sẽ có một khớp nối giữa các đoạn thẳng song song, với S nhỏ hơn, Lp lớn hơn và mức độ khớp nối lớn hơn. Điều này có thể dẫn đến giảm độ trễ truyền dẫn và làm giảm đáng kể chất lượng tín hiệu do nhiễu xuyên âm. Cơ chế này có thể tham khảo phân tích chế độ chéo phổ biến và vi sai.

Các ứng dụng của Serpentine Line là khác nhau, và nó hoạt động khác nhau, có một số vai trò chính sau đây:

Điều chỉnh độ trễ để đáp ứng yêu cầu thời gian

Do thiết kế mạch tốc độ cao, một số tín hiệu được truyền rất nhanh, do đó thời gian truyền tín hiệu (tức là độ trễ) sẽ khác nhau cho các đường có độ dài khác nhau.

Điều này có thể gây ra lỗi dữ liệu hoặc hệ thống không ổn định nếu tín hiệu không đến cùng một lúc.

Rõ ràng, Serpentine có thể được sử dụng để tăng chiều dài của một đường cụ thể và chiều dài và hình dạng của Serpentine có thể được kiểm soát chính xác theo yêu cầu thiết kế. Bằng cách điều chỉnh mức độ và số lượng uốn cong trong ống serpentine, các kỹ sư bố trí có thể tăng hoặc giảm chính xác chiều dài của đường dây để phù hợp với độ trễ của các đường dẫn quan trọng khác, cho phép các đường dẫn quan trọng trong toàn bộ mạch có độ trễ tương tự để đáp ứng các yêu cầu thiết kế thời gian của hệ thống.

Giảm nhiễu điện từ (EMI) và nhiễu tần số vô tuyến (RFI)

Hình dạng uốn lượn của sự sắp xếp rắn có thể truyền năng lượng bức xạ ban đầu tập trung vào một khu vực đến một khu vực lớn hơn, giúp giảm cường độ bức xạ ở một khu vực cụ thể và do đó ít gây nhiễu môi trường xung quanh.

Đồng thời, quan trọng hơn, khi hai đường hình con rắn liền kề đồng thời được sắp xếp theo kích thước bằng nhau, theo hướng ngược lại của dòng điện, từ trường mà chúng tạo ra sẽ triệt tiêu lẫn nhau, do đó giảm bức xạ điện từ và giảm nhiễu cho các mạch hoặc thiết bị khác.

Tất nhiên, trong thiết kế mạch mật độ cao, có thể có nhiễu xuyên âm và ghép nối giữa các đường tín hiệu khác nhau. Hệ thống dây Serpentine có thể làm giảm sự gần gũi vật lý giữa các đường tín hiệu bằng cách thay đổi hình dạng và cách bố trí của chúng, do đó làm giảm hiệu ứng nhiễu xuyên âm và ghép nối giữa các tín hiệu.

Trở kháng phù hợp

Trở kháng phù hợp là một cân nhắc thiết kế quan trọng trong một số mạch, chẳng hạn như mạch tần số vô tuyến (RF) hoặc mạch truyền dữ liệu tốc độ cao.

Dây rắn, cũng như điều chỉnh chiều rộng của dây dẫn và độ dày của lá đồng, có thể được sử dụng để điều chỉnh trở kháng của đường dây để phù hợp với trở kháng giữa nguồn điện và tải, do đó giảm phản xạ và mất mát và cải thiện hiệu quả truyền tín hiệu.

Ức chế tần số cao

Sự sắp xếp hình con rắn tương đương với một cuộn dây cảm ứng đơn giản có thể ức chế một số tín hiệu tần số cao do nguyên tắc cảm ứng điện từ.

Nhược điểm

Dây Serpentine có thể làm cho hệ thống dây điện phức tạp và đòi hỏi rất nhiều tính toán và tối ưu hóa, làm tăng thêm khó khăn trong thiết kế và sản xuất và có thể dẫn đến chi phí bổ sung và chi phí thời gian.

Đồng thời, chất lượng tín hiệu giảm, có thể làm thay đổi chất lượng truyền tín hiệu. Do sự uốn cong và uốn lượn của các đường tín hiệu trong sự sắp xếp rắn, tín hiệu có thể bị mất và nhiễu nhiều hơn trong quá trình truyền dẫn, dẫn đến giảm chất lượng tín hiệu, chẳng hạn như biến dạng tín hiệu và tăng tiếng ồn.

Dưới đây là một số gợi ý cho các kỹ sư bố trí để xử lý các đường serpentine:

1) Tối đa hóa khoảng cách (S) của các đoạn song song, ít nhất lớn hơn 3h, trong đó h đề cập đến khoảng cách từ đường tín hiệu đến mặt phẳng tham chiếu. Đi vòng quanh Big Bend là phổ biến. Miễn là s đủ lớn, hiệu ứng khớp nối với nhau có thể được tránh gần như hoàn toàn.

2) Giảm chiều dài khớp nối LP. Khi độ trễ LP gần hoặc vượt quá hai lần thời gian tăng tín hiệu, nhiễu xuyên âm kết quả sẽ đạt đến độ bão hòa.

3) Độ trễ truyền tín hiệu gây ra bởi các đường ruy băng (ribbon) hoặc các đường serpentine được chôn trong các đường microband (microband nhúng) nhỏ hơn độ trễ truyền tín hiệu của các đường microband (microband). Về mặt lý thuyết, các đường ribbon không ảnh hưởng đến tốc độ truyền do nhiễu xuyên âm mô hình khác biệt.

4) Tốc độ cao của đường tín hiệu và yêu cầu thời gian nghiêm ngặt, cố gắng không đi theo đường serpentine, đặc biệt là trên đường dây xoắn quy mô nhỏ.

5) Dây rắn thường có thể được sử dụng ở bất kỳ góc độ nào, có thể làm giảm hiệu quả khớp nối với nhau.

6) Thiết kế PCB tốc độ cao, dây rắn không có cái gọi là khả năng lọc hoặc chống nhiễu, điều này chỉ làm giảm chất lượng tín hiệu, vì vậy nó chỉ có thể được sử dụng để khớp chuỗi thời gian, không có cách sử dụng nào khác.

7) Đôi khi có thể xem xét phương pháp quấn dây xoắn ốc, hiệu ứng hiển thị mô phỏng tốt hơn so với dây rắn thông thường. Sau khi cáp PCB, dây có được hoàn thành không? Rõ ràng là không! Sau khi kiểm tra dây PCB cũng rất cần thiết, vì vậy làm thế nào để kiểm tra thiết kế và dây PCB, cũng để tìm hiểu thêm về kiến thức liên quan khác.

Dây Serpentine là một phương pháp định tuyến PCB phổ biến có thể giúp giảm nhiễu điện từ và nhiễu xuyên âm tín hiệu, cải thiện độ ổn định và độ tin cậy của mạch. Trong thiết kế mạch tốc độ cao tần số cao, ứng dụng hợp lý của liên kết rắn có thể đóng một vai trò quan trọng, là một trong những phương tiện kỹ thuật quan trọng trong thiết kế PCB.