مكان وضع انقطاع المعاوقة في وصلة PCB بسرعة 25 جيجابت في الثانية? نتائج المحاكاة تكشف عن إجابة مفاجئة

مقدمة: سؤال لا يطرحه معظم المهندسين أبدًا

في عالم تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة, التحكم في المعاوقة is a topic that everyone talks about, ومع ذلك فإن القليل منهم يتقنون حقًا. يعرف كل مهندس تخطيط أن انقطاع المعاوقة غير المتوقع في مسار الإشارة يعد خبرًا سيئًا. We all want our ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة links to maintain a steady, مقاومة ثابتة من البداية إلى النهاية - 50 أوم لواحدة أو 100 أوم التفاضلية للآثار التفاضلية.

لكن الواقع ليس بهذه البساطة على الإطلاق. لا يتضمن مسار الإشارة الكامل عالي السرعة آثارًا فحسب، بل يتضمن أيضًا طرقًا, الموصلات, الكابلات, المكثفات اقتران التيار المتردد, كرات لحام BGA, وغيرها من الهياكل. يقدم كل واحد من هذه انقطاعًا محتملاً للمقاومة. من ناحية, نحن نستثمر جهدًا كبيرًا في التحسين. على الجانب الآخر, يجب علينا أن نقبل أن الانقطاعات ستؤثر حتمًا على أداء الارتباط عالي السرعة إلى حد ما.

ومع ذلك، هناك سؤال واحد لم يفكر فيه معظم المهندسين بجدية مطلقًا:

إذا كان يجب أن يكون للوصلة الخاصة بك نقطة مقاومة منخفضة, ويمكنك اختيار مكان وضعه - أين تضعه?

بالقرب من الارسال? بالقرب من المتلقي? الحق في الوسط? هل حتى يحدث فرقا?

اليوم, سنجيب على هذا السؤال ببيانات المحاكاة من رابط بسرعة 25 جيجابت في الثانية.

1. الطبيعة الفيزيائية لانقطاع المعاوقة

قبل الغوص في المحاكاة, نحن بحاجة إلى أن نفهم لماذا يؤدي انقطاع المعاوقة إلى تدهور جودة الإشارة.

يتم تحديد الممانعة المميزة لخط النقل من خلال الحث والسعة لكل وحدة طول:

${ز}_0=\sqrt{\frac{ل}{ج}}$​​

أينل هو الحث لكل وحدة الطول وج هي السعة لكل وحدة الطول. عندما تواجه الإشارة تغييرًا في المعاوقة على طول خط النقل, ينعكس جزء من طاقة الإشارة مرة أخرى إلى المصدر. يتم إعطاء معامل الانعكاس بواسطة:

$\mathrm{ج}=\frac{{ز}_{ل}-{ز}_0}{{ز}_{ل}+{ز}_0}$

أينزL هي مقاومة الحمل وز0 هي الممانعة المميزة. متىزلام ≠ز0, ج ≠ 0, ويحدث الانعكاس.

لهياكل microstrip, تتبع المعاوقة المميزة معيار IPC-2141:

${ز}_0=\frac{60}{\sqrt{{ه}_{ص}}}\times \ln (\frac{8ح}{ث}+\frac{ث}{4ح})$

حيث ε*r* هو ثابت العزل الكهربائي لمادة اللوحة, ح هو سمك عازل, وث هو عرض التتبع. أي تغيير في عرض التتبع, انقطاع المستوى المرجعي, أو أن الاختلاف في ثابت العزل الكهربائي يغير بشكل مباشر المعاوقة اللحظية.

وفقًا لـ IPC-2251, يدخل التصميم “عالية السرعة” المجال عندما يكون وقت صعود الإشارة قصيرًا بدرجة كافية بحيث يجب معاملة خط النقل كعنصر معلمة موزع بدلاً من عنصر مجمع. ينص IPC-2251 أيضًا على أنه عندما يتجاوز طول التتبع الطول الحرج - عادةً عُشر مسافة انتشار الإشارة خلال وقت الصعود - يصبح تصميم المعاوقة المتحكم فيه إلزاميًا. بسرعة 25 جيجابت في الثانية, تتراوح أوقات ارتفاع الإشارة عادةً من 20 ل 30 بيكو ثانية, والطول الحرج هو حوالي 3 ل 5 ملليمتر. وهذا يعني أن كل أثر تقريبًا يتطلب إدارة مقاومة دقيقة.

يحدد IPC-2141 أن انحراف المعاوقة عبر قنوات PCB عالية السرعة يجب أن يبقى في الداخل 5%, مع القنوات الهامة التي تتطلب 3% أو أفضل. لكن, يقر IPC-2141A أيضًا بأن القضاء التام على انقطاعات المعاوقة في تصميمات العالم الحقيقي أمر غير عملي - عبر, الموصلات, والوسادات تقدم بطبيعتها السعة الطفيلية والحث.

2. إعداد المحاكاة: وصلة 5 بوصة بسرعة 25 جيجابت في الثانية

للإجابة على سؤال مكان وضع نقطة منخفضة للمقاومة, بنينا 5 بوصة (تقريبًا 127 مم) رابط نقل عالي السرعة يعمل بسرعة 25 جيجابت في الثانية.

حالة خط الأساس: أنشأنا أولاً وصلة مثالية بدون انقطاع في المعاوقة — كانت الوصلة بأكملها عبارة عن خط نقل تفاضلي مثالي بمقاومة 100 أوم. لقد قمنا بتخصيص نماذج نشطة لرقائق جهاز الإرسال والاستقبال. أرسل جهاز الإرسال PRBS بسرعة 25 جيجابت في الثانية (تسلسل ثنائي شبه عشوائي) نمط من خلال وصلة 5 بوصة إلى المتلقي.

نتيجة المحاكاة: أظهر مخطط العين الأساسي ارتفاع العين 360 بالسيارات. ضع هذا الرقم في الاعتبار - فهو بمثابة رقمنا “النتيجة المثالية” مرجع لجميع المقارنات اللاحقة.

حالات الاختبار: قمنا بعد ذلك بإدخال نقطة منخفضة للممانعة الثابتة في الوصلة (محاكاة انخفاض المعاوقة الناجم عن طريق أو موصل). لقد وضعنا هذه النقطة المنخفضة في أربعة مواضع مختلفة: 1 بوصة, 2 بوصة, 3 بوصة, و 4 بوصة من جهاز الإرسال. ظلت جميع معلمات الارتباط الأخرى متطابقة.

3. نتائج المحاكاة: اختلاف المركز مذهل

تم تلخيص نتائج المحاكاة للمواقف الأربعة أدناه:

موقف نقطة منخفضة المعاوقة	ارتفاع عين المتلقي
لا يوجد نقطة منخفضة (خط الأساس)	360 بالسيارات
1 بوصة من جهاز الإرسال	186 بالسيارات
2 بوصة من جهاز الإرسال	249 بالسيارات
3 بوصة من جهاز الإرسال	271 بالسيارات
4 بوصة من جهاز الإرسال	298 بالسيارات

تفسير البيانات:

• 1-موقف بوصة: انخفض ارتفاع العين من 360 بالسيارات ل 186 بالسيارات - أ48.3% تخفيض. فقدت الإشارة ما يقرب من نصف هامشها.
• 2-موقف بوصة: ارتفاع العين تعافى ل 249 بالسيارات - أ33.9% تحسين على حالة 1 بوصة.
• 3-موقف بوصة: وصل ارتفاع العين 271 بالسيارات - أ45.7% تحسين على حالة 1 بوصة.
• 4-موقف بوصة: وصل ارتفاع العين 298 بالسيارات - أ60.2% تحسين على حالة 1 بوصة, و1.6 مرات ارتفاع العين لوضع أسوأ الحالات.

نفس نقطة المقاومة المنخفضة, وضعت في مواقع مختلفة على طول الرابط, أنتجت نتائج مخطط العين مختلفة بشكل جذري. من المحتمل أن تتجاوز هذه النتيجة حدس معظم المهندسين.

4. لماذا يحدث هذا? الآليات الفيزيائية

لماذا يتسبب نفس انقطاع المعاوقة في حدوث تأثيرات مختلفة عند وضعها بالقرب من جهاز الإرسال مقابل وضعها بالقرب من جهاز الاستقبال? هناك العديد من الآليات المادية في العمل:

1. تراكب الانعكاس المتعدد

عندما تواجه الإشارة نقطة مقاومة منخفضة, ينعكس جزء من طاقته مرة أخرى نحو جهاز الإرسال. هذه الموجة المنعكسة تنتقل إلى الخلف, ينعكس مرة أخرى على جهاز الإرسال, ثم ينتشر للأمام ليتراكب مع رموز الإشارة اللاحقة. إذا كانت نقطة المعاوقة المنخفضة قريبة من جهاز الإرسال, تأخير رحلة الذهاب والإياب قصير, وتتداخل الموجة المنعكسة بسرعة مع بتات البيانات التالية, مما يسبب تداخلًا شديدًا بين الرموز (ISI). وفقًا لإرشادات سلامة الإشارة IPC-2251, يجب أن تبقى خسارة العودة أدناه -20 ديسيبل لتقليل تأثير الانعكاس.

2. تراكم توهين الإشارة

كما تنتشر الإشارة على طول خط النقل, فهو يعاني من فقدان كل من الموصلات (تأثير الجلد) وفقدان العزل الكهربائي. يتم إعطاء عمق الجلد بواسطة:

$د=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{أوه}مص}}$

حيث ω هو التردد الزاوي, μ هي النفاذية, وσ هي الموصلية. بترددات جيجاهيرتز, عمق الجلد لا يتجاوز بضعة ميكرومترات, ويزيد فقدان الموصل بشكل كبير. كلما طالت مدة انتقال الإشارة قبل الوصول إلى انقطاع المعاوقة, والمزيد من الطاقة التي فقدتها بالفعل- وتبقى طاقة أقل للانعكاس والتسبب في التداخل.

وهذا هو سبب وضع نقطة منخفضة للممانعة بعيدًا عن جهاز الإرسال (بعد حدوث المزيد من توهين الإشارة) له تأثير أصغر على مخطط العين.الانقطاع نفسه لم يتغير; الإشارة التي تصل إليها ببساطة أقل “قوة” غادر.

3. وقت الصعود والتداخل الزمني للتأملات

كلما كان وقت صعود الإشارة أقصر, سوف تتداخل الموجات المنعكسة الأكثر احتمالاً مع الإشارة الرئيسية في المجال الزمني. بسرعة 25 جيجابت في الثانية, الفاصل الزمني للوحدة (واجهة المستخدم) هو فقط 40 بيكو ثانية. يمكن أن يؤدي أي تأخير في الانعكاس إلى حدوث تداخل داخل نفس الرموز أو الرموز المجاورة. عندما تكون نقطة المعاوقة المنخفضة قريبة من جهاز الإرسال, تعود الموجات المنعكسة بسرعة وتتداخل بشدة مع الرموز اللاحقة.

5. آثار التصميم: أين يجب أن تضع انقطاعات المعاوقة?

بناءً على نتائج المحاكاة والتحليل الفيزيائي أعلاه, يمكننا استخلاص إرشادات التصميم التالية:

مبدأ 1: إذا لم تتمكن من القضاء على انقطاع, ضعه بالقرب من جهاز الاستقبال قدر الإمكان.

تظهر بيانات المحاكاة بوضوح أن نقل انقطاع المعاوقة من بالقرب من جهاز الإرسال إلى بالقرب من جهاز الاستقبال في وصلة بسرعة 25 جيجابت في الثانية يمكن أن يحسن ارتفاع العين من 186 بالسيارات ل 298 بالسيارات- فجوة الأداء 60% لنفس نقطة المقاومة المنخفضة, يعتمد فقط على التنسيب.

مبدأ 2: إعطاء الأولوية لاستمرارية المعاوقة بالقرب من جهاز الإرسال.

المنطقة القريبة من جهاز الإرسال هي المكان الذي تتمتع فيه الإشارة بأكبر قدر من الطاقة. أي انقطاع في المعاوقة هنا يسبب انعكاسات ذات إمكانات تدميرية أكبر. لذلك, المكونات التي قد تؤدي إلى انقطاعات في المعاوقة - مثل منصات BGA, فيا, ومكثفات اقتران التيار المتردد - يجب وضعها بعيدًا عن جهاز الإرسال قدر الإمكان. بدلاً عن ذلك, قم بتطبيق الحفر الخلفي على المنافذ القريبة من جهاز الإرسال وتحسين أبعاد الوسادة المضادة.

مبدأ 3: استخدم المحاكاة لتوجيه التنسيب.

قد تؤدي معدلات البيانات المختلفة وأطوال الارتباط المختلفة إلى الحصول على مواضع مثالية مختلفة لانقطاعات المعاوقة. خلال مرحلة التصميم, استخدم أدوات محاكاة SI مثل HyperLynx لإجراء عمليات مسح المعلمات والتقييم الكمي لهامش العين لخيارات المواضع المختلفة. دع البيانات توجه قراراتك.

مبدأ 4: انتبه إلى ملف تعريف المعاوقة الخاص بالوصلة بالكامل.

يؤكد IPC-2141 على أن التحكم في المعاوقة لا يتعلق فقط بتحقيق القيمة المستهدفة - بل يتعلق بالحفاظ على استمرارية المعاوقة اللحظية على طول مسار الإشارة بالكامل. استخدم TDR (قياس الانعكاسات في المجال الزمني) to perform impedance profiling of your ثنائي الفينيل متعدد الكلور and identify all discontinuity locations and their magnitudes. اتبع IPC-TM-650 2.5.5.7a للتعرف على إجراءات اختبار المعاوقة المميزة.

6. خاتمة

يعد انقطاع المعاوقة حقيقة لا مفر منها في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة. ولكن كما أظهرت تجربة المحاكاة لدينا: نفس نقطة المقاومة المنخفضة, وضعت في مواقع مختلفة على طول الرابط, يمكن أن يكون لها تأثيرات تتراوح من “كارثية” ل “مقبول” - والفرق بين هذه النتائج يمكن أن يحدد ما إذا كان مشروع بسرعة 25 جيجابت في الثانية سينجح في الدورة الأولى أم أنه يتطلب ثلاث مراجعات من مجلس الإدارة.

في المرة القادمة يجب عليك وضع طريق, موصل, أو مكثف في تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة, خذ خمس دقائق إضافية لتسأل نفسك: هل انقطاع المعاوقة هذا حقًا في المكان المناسب؟?

بالطبع, السيناريو المثالي هو دائمالا يوجد انقطاع مقاومة على الإطلاق. ولكن في العالم الحقيقي, متى “الكمال” لا يمكن تحقيقه, “اختيار الموقف المناسب” هو أفضل حل ممكن.

---

للتحكم في مقاومة ثنائي الفينيل متعدد الكلور, محاكاة سلامة الإشارة, وخدمات تصميم وتصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة, يرجى الاتصال بفريقنا الفني لمراجعة التصميم مجانًا (مراجعة مجانية لسوق دبي المالي) واقتباس التحكم في المقاومة. We provide one-stop ثنائي الفينيل متعدد الكلور solutions from simulation to mass production.

---

مصادر البيانات:

1. IPC-2141Aدليل التصميم للوحات دوائر المعاوقة عالية السرعة, IPC - جمعية ربط الصناعات الإلكترونية
2. IPC-2251دليل التصميم لتعبئة الدوائر الإلكترونية عالية السرعة, IPC - جمعية ربط الصناعات الإلكترونية
3. IPC-TM-650 2.5.5.7aطرق اختبار المعاوقة المميزة, IPC - جمعية ربط الصناعات الإلكترونية
4. تعتمد بيانات المحاكاة في هذه المقالة على نموذج محاكاة الارتباط النشط بسرعة 25 جيجابت في الثانية باستخدام نمط PRBS, 5-خط نقل FR-4 بوصة, 100-أوم مقاومة التفاضلية.