聊聊PCB布線中的蛇形布線

他們說(shuō)時(shí)機(jī)決定一切。當(dāng)談到數(shù)字系統(tǒng)中的信號(hào)完整性時(shí)，“他們”并不遙遠(yuǎn)。即使在模擬系統(tǒng)中，普遍的看法是越短越好。兩個(gè)學(xué)科都利用跡線長(zhǎng)度作為提高性能的一種手段。在數(shù)字方面，我們關(guān)心的是保持大量的信號(hào)與時(shí)鐘同步，而模擬網(wǎng)絡(luò)使用延遲線有其獨(dú)特的原因。

精美復(fù)雜的PCB板設(shè)計(jì)。資料來(lái)源：Autodesk

讓我們從數(shù)字域開(kāi)始。我們喜歡想象一個(gè)行軍樂(lè)隊(duì)隨著鼓點(diǎn)的節(jié)拍移動(dòng)和演奏。大低音鼓發(fā)出低沉的拍子，稱(chēng)為“一”。一切從一開(kāi)始。陷阱鼓手添加他們的味道在后面拍和提供填充。這樣，你就得到了一，然后是零。號(hào)角演奏者和其他人輪流演奏和休息這兩個(gè)事件，以發(fā)揮旋律。你有數(shù)據(jù)了。

鼓芯是樂(lè)隊(duì)的計(jì)時(shí)元件。節(jié)奏部分為曲調(diào)打下了一個(gè)凹槽。在印刷電路板上，定時(shí)工作制當(dāng)然是名稱(chēng)中帶有“CLK”的一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)。請(qǐng)注意，當(dāng)在示意圖中使用時(shí)，CLK是時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的常用符號(hào)。這鐘從不報(bào)時(shí)。與此同時(shí)，公交車(chē)上的其他成員也有休息的時(shí)間。

事實(shí)上，時(shí)鐘是連續(xù)切換的，而其他時(shí)鐘是間歇的，這就是為什么時(shí)鐘是噪聲的。開(kāi)關(guān)速率由控制器芯片或外部振蕩器決定。在晶體周?chē)占娙萜骱?或電阻，以及仔細(xì)的布線，是獲得清晰脈沖的努力的一部分。

圖1.圖片來(lái)源：顯示長(zhǎng)度匹配方案的內(nèi)部層

當(dāng)我們談?wù)撾p數(shù)據(jù)速率（DDR）時(shí)，作用于下拍和后座的不是時(shí)鐘而是其他信號(hào)。這會(huì)讓你覺(jué)得那些噪音會(huì)是時(shí)鐘的兩倍，如果不是所有的休息時(shí)間都是這樣的話(huà)。我們嚴(yán)格關(guān)注DDR信號(hào)從低電壓狀態(tài)到高電壓狀態(tài)的閾值。

請(qǐng)注意，“低”通常意味著零伏，而高可以是1V到5V之間的任何值。相對(duì)來(lái)說(shuō)都是低電壓。因?yàn)殡妷翰▌?dòng)越大，噪音就越大。我們喜歡在1.8V電壓下運(yùn)行晶體，而其他電路則在0V和3.3V之間切換。

一個(gè)完整系統(tǒng)的電源樹(shù)可能從墻上插座的110/220VAC開(kāi)始，然后在使用電源電路轉(zhuǎn)換為直流電時(shí)降壓。電路可以是用變壓器、電感器、電容器、電阻器和二極管放在電路板上并布線的部件的集合。

變壓器根據(jù)每側(cè)繞組的數(shù)量來(lái)降低或增加電壓。電感器和電容器使電流平滑，而電阻器則用來(lái)將功率分成各種較小的電壓。最后，二極管保持電流通常朝一個(gè)方向流動(dòng)。電源模塊之所以受歡迎，是因?yàn)樗鼈兠爸O(shè)計(jì)所有這些都要通過(guò)UL和FCC法規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)。保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（UL）是一個(gè)組織，負(fù)責(zé)證明您的產(chǎn)品不會(huì)輕易著火，而聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）則確保它能很好地與其他電子產(chǎn)品配合使用。這兩項(xiàng)都是必要的商業(yè)審批。

移動(dòng)設(shè)備將使用已經(jīng)是直流電的電池或“墻疣”電源，并將VBAT或VIN分為1.2、1.8、2.5、3.3、5.0和9或12VDC。這一切都取決于成分組合。即使每一個(gè)部件都使用相同的電壓電勢(shì)，他們也傾向于想要一個(gè)獨(dú)立的軌道。

低電壓開(kāi)關(guān)更快，因?yàn)樗淖兓容^小。低電壓也更容易受到足夠的噪聲的影響，從而很難判斷信號(hào)是代表高還是低的狀態(tài)。當(dāng)整個(gè)范圍是一伏時(shí)，毫伏加起來(lái)很快。就像銅管需要喘息，這樣我們才能聽(tīng)到木管樂(lè)器和長(zhǎng)笛的聲音。

圖片來(lái)源：?jiǎn)味嘶虿罘?，跟蹤使用蛇形曲線來(lái)滿(mǎn)足時(shí)間預(yù)算。

那么，我們?cè)谀睦?？啊，是的，各種各樣的總線，每種不同類(lèi)型的母線在許多可能的電壓波動(dòng)中運(yùn)行。低電壓信號(hào)需要它們的空間，這樣它們就不會(huì)被高電壓設(shè)備搞糊涂。

數(shù)據(jù)包沿著線路發(fā)送，然后在傳輸設(shè)備發(fā)送一個(gè)由1和0組成的快速流時(shí)暫停，這些數(shù)據(jù)流表示已傳輸?shù)淖止?jié)總數(shù)。一個(gè)字節(jié)中的位數(shù)和其他框架，如是否有停止位、奇偶校驗(yàn)和雙工，都是由固件確定的。

通過(guò)這種方式，接收器端知道這個(gè)帶有字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)突發(fā)，并對(duì)接收到的字節(jié)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。如果發(fā)送的號(hào)碼與收到的號(hào)碼相匹配，則接收器將繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)更多的號(hào)碼。如果鈥渃赫克蘇姆鈥 不一樣，接受者說(shuō)，鈥渉老了，把最后一個(gè)包裹再寄一次。

丟包是個(gè)壞消息，因?yàn)樗鼈儠?huì)減慢系統(tǒng)的速度。即使發(fā)送冗余數(shù)據(jù)不影響實(shí)際程序的運(yùn)行，它仍然會(huì)占用時(shí)鐘周期。每一個(gè)時(shí)鐘周期都會(huì)消耗一小部分能量，并產(chǎn)生一點(diǎn)噪聲脈沖。不必要的能源使用和噪音的產(chǎn)生使得系統(tǒng)的效率大大降低。適當(dāng)?shù)男盘?hào)定時(shí)可以降低誤碼率，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行得更好。

時(shí)間是長(zhǎng)度的函數(shù)，但不是嚴(yán)格意義上的。從一片硅片連接處到另一片硅的飛行時(shí)間考慮了整個(gè)路徑。金或鋁絲鍵有一定的傳播速度?；迳鲜褂玫奶沾刹牧媳萈CB上使用的典型FR4材料產(chǎn)生的延遲更小。信號(hào)在外層傳播得更快，甚至在空氣中傳播得更快?？傞L(zhǎng)度對(duì)你不利，因?yàn)檐壽E總是有電阻，電容。還有電感。

例如，無(wú)線****機(jī)可能具有模擬不同長(zhǎng)度的吉他電纜的設(shè)置。這個(gè)想法是為了補(bǔ)償每英尺導(dǎo)線引起的高頻衰減量。在低音，這并不重要，但一些吉他手認(rèn)為電纜是他們的音調(diào)的一部分。高速數(shù)碼更像是吉他手。

圖2：圖片來(lái)源：綁在吉他踏板板的底部，無(wú)線接收器有一個(gè)可變的低通濾波器，用一根典型長(zhǎng)度的電纜來(lái)模擬。

信號(hào)的高頻部分是數(shù)據(jù)所在的地方。其他具有更高振幅的低頻信號(hào)有產(chǎn)生基頻諧波的趨勢(shì)。這些雜散信號(hào)是那些將鎖定在總線的高頻信號(hào)上的信號(hào)。這樣一來(lái)，一個(gè)1兆赫的信號(hào)就能摧毀一個(gè)2.5千兆赫的信號(hào)。當(dāng)有一個(gè)軌跡違反阻抗規(guī)則時(shí)，光靠間距是不夠的。

真正影響你的不是每秒的周期，而是各種信號(hào)的上升和下降時(shí)間。邊緣速率是信號(hào)完整性的主要關(guān)注點(diǎn)之一。這就是整體設(shè)計(jì)的重要性所在。一塊板上有很多不同的信號(hào)，其中任何一個(gè)都可能受到其他任何信號(hào)的影響。返回路徑通常是信號(hào)中被忽略的部分。所有輸電線路都有接地。一個(gè)設(shè)計(jì)拙劣的跟蹤可能會(huì)破壞其他所有跟蹤。

最大的問(wèn)題之一是痕跡在哪里發(fā)生了變化。通孔造成阻抗不匹配。它們?cè)斐傻耐纯鄷?huì)被粘在外層而被抵消。長(zhǎng)時(shí)間暴露的痕跡會(huì)導(dǎo)致更多的輻射，這從電磁干擾（EMI）的角度來(lái)看是有問(wèn)題的。還記得聯(lián)邦通信委員會(huì)嗎？他們不喜歡百代。

再加上一個(gè)事實(shí)，大多數(shù)公共汽車(chē)都有相互交叉的痕跡。使所有軌跡長(zhǎng)度匹配得足夠好以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)約束是最后一道稻草。我們使用過(guò)孔，但只使用必要的過(guò)孔，這通常意味著在連接的每一端都有一個(gè)通孔。

單個(gè)字節(jié)通道希望使用相同的路由層，以便所有信號(hào)完整性問(wèn)題都得到均衡。去掉變量使定時(shí)和阻抗計(jì)算更簡(jiǎn)單。長(zhǎng)度匹配從使長(zhǎng)帳篷桿盡可能短開(kāi)始。然后，可以調(diào)整時(shí)鐘，使最長(zhǎng)的跟蹤符合要求。在那之后，將有其他的痕跡，必須延長(zhǎng)到最小，以滿(mǎn)足時(shí)鐘減去計(jì)時(shí)預(yù)算。同步信號(hào)一起播放效果更好。

模擬更關(guān)心頻率。想象一下長(zhǎng)號(hào)的滑動(dòng)或喇叭每個(gè)閥門(mén)上的管道長(zhǎng)度。每個(gè)長(zhǎng)度的共振頻率提供不同的音符。模擬電路中的延遲線有助于使波形與系統(tǒng)其他部分協(xié)調(diào)一致。我們關(guān)心的是信號(hào)的音調(diào)，而不是它是開(kāi)還是關(guān)的二進(jìn)制問(wèn)題。

放大器可能需要一點(diǎn)預(yù)失真，以補(bǔ)償其環(huán)境。為了知道什么會(huì)有幫助，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和評(píng)估。主射頻信號(hào)需要等待校正技術(shù)，以便計(jì)算和插入重點(diǎn)。有很多方法可以做到這一點(diǎn)，但他們通常只需要一點(diǎn)點(diǎn)蛇形，以保持一切同步，然后到天線。

圖片來(lái)源：這個(gè)軌跡配置有一個(gè)非常相似的幻燈片長(zhǎng)號(hào)。目的很相似。

一種方法使用硬件中設(shè)置的可變延遲量。一對(duì)傳輸線并排運(yùn)行時(shí)，可以在這兩條線路上放置一個(gè)電阻或電容器，使電路在最佳的空間/時(shí)間內(nèi)完成。技術(shù)人員會(huì)在不同的地點(diǎn)縮短這兩個(gè)痕跡，直到他們找到最佳位置。然后，他們會(huì)焊接跨接導(dǎo)線，并切斷剩余的短管。

當(dāng)然，很多這一切都是通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理完成的。芯片、電路板和軟件的組合將用于校正信號(hào)以獲得最佳性能。延遲線是許多PCB設(shè)計(jì) .

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