Dunia, jejak PCB, Mei. Karena penelusuran PCB adalah kerja keras. Dan artikel ini membuka seluruh blok, yang tujuannya adalah untuk memberikan alat yang tepat untuk tugas ini. Ini membuktikan pentingnya mengendalikan jalur arus balik dan meminimalkan induktansi dari rangkaian arus dari garis sinyal kritis, serta rekomendasi untuk penelusuran optimalnya.
Seperti yang telah disebutkan dalam artikel siklus sebelumnya, dalam proses pengembangan papan sirkuit cetak harus memperhitungkan kemungkinan teknologi yang terjangkau untuk produksinya. Selain itu, dengan "aksesibilitas" itu harus dipahami di sini sebagai "aksesibilitas dalam kerangka waktu, keuangan dan organisasi yang diberikan". Keterbatasan teknologi sangat penting selama fase jejak PCB. Oleh karena itu, sebelum memulai penelusuran, disarankan untuk mempelajari standar teknologi dari pabrikan yang diusulkan dan membuat seperangkat aturan dalam sistem CAD yang digunakan, yang implementasinya akan dipantau secara otomatis saat menelusuri papan sirkuit cetak. Segera, kami mencatat bahwa meskipun sistem CAD modern menawarkan alat untuk secara otomatis melacak papan sirkuit cetak, mereka tidak akan dipertimbangkan dalam artikel ini dan, secara umum, tidak direkomendasikan untuk digunakan. Hanya untuk proyek yang relatif sederhana dengan penempatan komponen yang baik dan seperangkat aturan yang dipikirkan dengan matang, alat-alat ini memberikan topologi berkualitas tinggi.
Jangan lupa tentang pengembalian arus
Pelacakan PCB adalah proses dimana pengembang menetapkan jalur aliran arus dalam lapisan metalisasi pada PCB. Di sirkuit listrik, arus mengalir di sepanjang jalur tertutup - sirkuit - dari kutub positif dari sumber tegangan ke negatif. Oleh karena itu, harus dipahami bahwa arus searah yang mengalir dari sumber tegangan ke beban selalu sesuai dengan arus balik yang mengalir dari beban kembali ke sumber. Pasangan arus ini membentuk loop tertutup, kontrol parameter yang, terutama dalam kasus sinyal frekuensi tinggi, adalah tugas utama pengembang. Sejumlah besar kesalahan dan masalah dengan EMC dan EMR dari papan sirkuit tercetak disebabkan oleh fakta bahwa pengembang tidak menganalisis lintasan dan pengaruh timbal balik dari arus balik. Dalam gbr. Gambar 1 menunjukkan jalur arus khas dari garis sinyal, dan persegi panjang berwarna menyoroti bagian dari sirkuit ini, yang biasanya menerima sebagian besar perhatian pengembang, sementara bagian yang tersisa dari sirkuit terkadang tetap dengan sendirinya. Angka tersebut juga mencerminkan fakta bahwa sirkuit terpadu bukan sumber energi listrik. Mereka melakukan fungsi elemen kunci yang kompleks, sementara sumber energi adalah baterai, kapasitor dari subsistem daya, serta sumber eksternal ke papan sirkuit.
Ketika jalur arus balik tidak ditetapkan oleh pengembang, itu ditentukan oleh topologi papan (terutama kawat bersama) dan hukum fisika (seperti, selalu, selalu) - ada distribusi kepadatan arus di sepanjang jalur dalam proporsi terbalik dengan impedansinya. Dalam kasus umum, distribusi ini tidak dinyatakan secara analitis, namun, untuk kasus sederhana, ada solusi. Pada artikel
kedua dari siklus, rekomendasi dibuat untuk menempatkan lapisan sinyal di dekat lapisan bumi atau daya yang berkelanjutan. Dalam konfigurasi ini, distribusi arus balik dalam lapisan referensi untuk sinyal frekuensi rendah mendekati seragam (Gambar 2A), karena dengan perluasan wilayah aliran arus, impedansi yang ditentukan oleh komponen resistif berkurang. Ketika frekuensi meningkat, pengaruh komponen reaktif menjadi menentukan dan lintasan yang lewat di bawah lintasan sinyal memiliki induktansi minimum, karena luas loop minimal (Gbr. 2B, lihat artikel
pertama ). Perkiraan analitis kepadatan distribusi arus balik dari garis mikrostrip tipis (lebar w ≤ h) diberikan oleh rumus berikut (x adalah jarak dari pusat geometris garis, h adalah ketinggian di atas lapisan referensi):
Distribusi semacam itu memberikan nilai induktansi minimum, yaitu, untuk semua frekuensi yang resistansi ohmiknya dapat diabaikan dibandingkan dengan reaktansi, itu akan dijelaskan oleh rumus ini. Analisis distribusi menunjukkan bahwa 50% arus terkonsentrasi di pita ± h, dan 80% arus di pita ± 3j.
Penting untuk dipahami bahwa sinyal nyata terdiri dari satu set frekuensi yang memiliki distribusi spektral tertentu, sementara mereka paling sering memiliki bagian noise, spektrumnya dapat berbeda secara signifikan dari spektrum sinyal itu sendiri. Misalnya, dalam saluran listrik "frekuensi rendah", noise impuls frekuensi tinggi yang signifikan dapat terjadi ketika mengganti sirkuit digital. Dengan demikian, untuk komponen frekuensi rendah dari sinyal, arus balik didistribusikan secara merata di area yang luas di sepanjang jalur terpendek, dan untuk frekuensi tinggi (f≳100 kHz), ia terkonsentrasi di daerah sempit di jarak maksimum dengan arus searah.
Menghindari guntingan di lapisan dasar
Setiap penyimpangan dalam distribusi arus dari optimal mengarah ke peningkatan induktansi dari loop saat ini. Deviasi terjadi jika ada cut-out (eng. Split, slot, gap) pada lapisan pendukung, yang dapat disebabkan oleh melalui mekanik dan vias, sejumlah vias atau terminal lead, jalur sinyal di lapisan penyangga (Gbr. 3). Howard Johnson dalam [2, Bagian 5.3] memberikan perkiraan induktansi yang diperkenalkan oleh diskontinuitas panjang D yang sempit:
di mana w adalah lebar lintasan, pengaruh lebar celah itu sendiri kecil. Untuk lintasan sinyal dengan lebar w = 0,2 mm dengan jarak panjang D = 1 cm, kenaikan induktansi adalah ∆L1 ≈ 8 nH. Sebagai perbandingan, jika jalur sinyal ditarik di sekitar celah, maka panjangnya akan meningkat rata-rata oleh D, yang, pada gilirannya, dengan ketinggian lintasan di atas lapisan referensi h = 0,25 mm, akan menyebabkan peningkatan induktansi dua kali lipat lebih kecil:
Minimalkan induktansi
Induktansi parasit ada untuk setiap elemen papan sirkuit tercetak - trek, vias, lapisan kontinu, sambungan solder, sadapan mikrokontroler, pengelasan microwire. Mengapa penting untuk meminimalkan induktansi nyasar dari jalur kritis (sumber bising frekuensi tinggi dan rangkaian analog rendah arus sensitif) yang agresif? Cukup untuk mengingat kembali beberapa rumus di mana induktansi dimasukkan sebagai parameter: rumus yang menghubungkan fluks medan magnet dan kekuatan arus dalam konduktor
rumus yang menghubungkan ggl induksi ketika arus dalam konduktor berubah
rumus frekuensi resonansi
dan faktor kualitas dari rangkaian LC
Dengan demikian, semakin tinggi induktansi, semakin tinggi radiasi, semakin tinggi kebisingan berdenyut, termasuk crosstalk, semakin rendah frekuensi eksitasi osilasi palsu dan semakin lama waktu peluruhan. Semua efek ini, tentu saja, tidak diinginkan, dan masalah yang terkait dengannya tidak selalu dapat diselesaikan dengan mengerjakan ulang papan sirkuit, seperti memasang komponen filter tambahan, pelindung.
R.1.
Sangat penting untuk merutekan jalur sinyal frekuensi tinggi, meminimalkan induktansi sirkuit, yang dicapai dengan:
- meminimalkan panjang trek cetak,
- pengecualian transisi antara lapisan sinyal,
- kedekatan trek ke lapisan referensi,
- tidak adanya celah pada lapisan referensi di jalur arus balik.
Jika tidak mungkin untuk menghilangkan celah yang diperluas pada lapisan referensi di bawah garis sinyal, direkomendasikan bahwa setidaknya satu kapasitor keramik (kapasitor jahitan bahasa Inggris) ditempatkan di jarak maksimum dengan garis sinyal, memberikan jalur arus balik melalui bagian. Namun, dengan meningkatnya frekuensi, induktansi parasit kapasitor dan senyawanya dengan lapisan referensi mengurangi efisiensi solusi.
Optimalkan transisi lapisan
Pertimbangan terpisah diperlukan oleh masalah penting transisi trek antara lapisan sinyal, karena tidak selalu mungkin untuk mengecualikan bidik untuk semua sinyal kritis. Dalam gbr. Gambar 4 menunjukkan jalur maju dan arus balik untuk berbagai opsi untuk transisi antar lapisan. Gambar tersebut secara kondisional menunjukkan efek dari efek kulit: arus balik mengalir di lapisan permukaan konduktor. Dengan menambah jumlah panah merah, seseorang dapat menilai kenaikan induktansi total lintasan yang ditambahkan induktansi vias, dan dalam kasus lapisan referensi yang berbeda, induktansi sambungan solder dan induktansi seri kapasitor (induktansi seri ekuivalen bahasa Inggris, ESL). Selain itu, dalam kasus lapisan pendukung potensi yang berbeda, bagian frekuensi tinggi dari arus balik mengalir dalam bentuk arus bias (panah putus-putus merah). Selain masalah dengan integritas sinyal, ini mengarah pada munculnya kebisingan di sirkuit catu daya ini dan peningkatan tingkat radiasi elektromagnetik [3].
Henry Ott dalam [4, Bagian 16.3.3] menyajikan data percobaan di mana perubahan tingkat radiasi elektromagnetik untuk papan sirkuit cetak empat-lapisan dipelajari dalam kasus transisi dari satu jalur frekuensi tinggi dari lapisan atas ke yang lebih rendah dengan bumi referensi. Lapisan dukungan tidak saling berhubungan oleh vias, tetapi hanya karena kopling kapasitif. Tingkat radiasi untuk papan yang sama di mana garis sinyal dipisahkan dalam satu lapisan diambil sebagai yang awal. Peningkatannya sekitar 30 dB pada frekuensi ~ 250 MHz, dan hanya setelah 2 GHz kapasitansi terdistribusi dari papan sirkuit tercetak memberikan impedansi transisi yang cukup rendah antara lapisan referensi sehingga tingkat ESDM tidak berbeda jauh. Percobaan menunjukkan pentingnya menghilangkan transisi antara lapisan sinyal untuk saluran frekuensi tinggi.
R.2.
Dalam kasus di mana tidak mungkin untuk menghindari transisi, opsi berikut disarankan dalam urutan prioritas:
- antara dua lapisan yang berdekatan dengan lapisan pendukung yang sama (Gbr. 4B),
- antara dua lapisan yang berdekatan dengan lapisan pendukung dengan potensi yang sama (daya / arde), sementara pada kedekatan maksimum dengan tempat perubahan lapisan (Gbr. 4B) dan, lebih disukai, di sepanjang garis sinyal, lapisan pendukung dihubungkan oleh vias,
- antara dua lapisan yang berdekatan dengan lapisan pendukung yang berdekatan dari potensi yang berbeda, sementara pada jarak maksimum ke tempat perubahan lapisan, lapisan pendukung dihubungkan oleh setidaknya dua kapasitor keramik dengan induktansi koneksi rendah (Gbr. 4G),
- antara dua lapisan yang berdekatan dengan lapisan dukungan spasi dari potensi yang berbeda, sementara pada jarak maksimum ke tempat perubahan lapisan, lapisan pendukung dihubungkan oleh kapasitor keramik dengan induktansi koneksi rendah - tidak direkomendasikan untuk sinyal kritis dengan tepi urutan 1 ns.
Tidak disarankan mengganti antara lebih dari dua lapisan untuk sinyal kritis. Lapisan dukungan yang disukai dalam dua varian pertama adalah lapisan bumi. Jika lapisan referensi adalah lapisan daya, maka perlu untuk memberikan impedansi rendah dari subsistem daya dalam pita spektrum sinyal. Perhatikan bahwa paling sering sejumlah besar kapasitor keramik terletak di dekat sirkuit mikro, oleh karena itu mengubah lapisan jalur sinyal di dekat penerima / pemancar paling optimal dan dalam kasus terbaik tidak memerlukan penempatan komponen tambahan.
Dalam papan sirkuit tercetak yang kompleks, ada banyak garis sinyal dan tidak mungkin memenuhi rekomendasi yang ditentukan dalam artikel ini untuk semua sinyal, terutama mengingat persyaratan tinggi untuk dimensi produk akhir. Itulah mengapa perlu untuk memilih kelompok sinyal frekuensi tinggi dan sensitif yang kritis dan mulai melacaknya. Dalam hal ini, pengaturan komponen yang terkait dengan grup ini harus memberikan peluang untuk pengkabelan optimal sinyal kritis. Tugas meminimalkan induktansi loop saat ini hanya salah satu aspek dari pelacakan garis sinyal, dalam artikel siklus berikutnya, teknik pengkabelan dan sirkuit yang cocok yang mengurangi pantulan dan crosstalk di jalur akan dipertimbangkan.
Sastra
[1] Holloway CL, Kuester EF "Ekspresi Bentuk-Tertutup untuk Kepadatan Saat Ini di Pesawat Tanah dari Garis Microstrip, dengan Aplikasi ke Rugi Pesawat Tanah." Transaksi IEEE pada Teori dan Teknik Microwave, vol. 43, tidak. 5 Mei 1995.
[2] Johnson H. "Desain Digital Kecepatan Tinggi: Buku Pegangan Ilmu Hitam", Prentice Hall, 1993.
[3] Cui W., Ye X., Archambeault B., dll. "EMI yang Dihasilkan dari Transisi Sinyal Melalui Transisi Daya DC", Simposium Internasional IEEE tentang Kompatibilitas Elektromagnetik, 2000.
[4] Ott, Rekayasa Kompatibilitas Elektromagnetik HW, Wiley, 2009.
Artikel ini pertama kali diterbitkan dalam jurnal Components and Technologies 2018, No. 2. Publikasi di Geektimes telah disetujui oleh para editor majalah.