مقدمه‌ای مفصل از FS Technology در طراحی PCBA با فرکانس بالا
تقاضا برای انتقال داده با سرعت بالا و دقت بالا، کابل‌های داده با فرکانس بالا مانند USB4، HDMI، Thunderbolt و DisplayPort را به جریان اصلی این دوران تبدیل کرده است. انتقال سیگنال از طریق نسخه قدیمی HDMI 2.1TMDS انجام می‌شود که می‌تواند تا 18 گیگابیت بر ثانیه برسد و تصاویر با کیفیت بالا با وضوح 3840x2160p و 4K را منتقل کند. با نوآوری در فناوری PCBA با فرکانس بالا، پهنای باند با استفاده از آخرین حالت FRL می‌تواند به 48 گیگابیت بر ثانیه افزایش یابد. اگر از فناوری فشرده‌سازی بر این اساس استفاده کنیم، انتقال تصاویر با وضوح 10K آسان می‌شود. و با استفاده از نسخه جدید USB4 می‌توانید سرعت را تا 40 گیگابیت بر ثانیه افزایش دهید. صرف نظر از نوع سیم‌کشی فرکانس بالا، نویز حرارتی PCB یا انواع دیگر نویز PCB وجود خواهد داشت. چگونگی حل نویز PCBA به تمرکز تولیدکنندگان یا طراحان تبدیل شده است. در اینجا این سوال مطرح می‌شود که کدام مقدار فرکانس، فرکانس بالا در نظر گرفته می‌شود؟ 400 مگاهرتز، 10 گیگاهرتز، 5 گیگاهرتز یا 1 گیگاهرتز.
مفهوم خط فرکانس بالا
کاهش طول موج‌های بازتاب فرکانس بالا
تعریف فرکانس بالا را نه تنها می‌توان با فرکانس، بلکه با توجه به اینکه آیا انعکاس رخ می‌دهد یا خیر، قضاوت کرد. هنگامی که امواج الکترومغناطیسی بر روی یک رسانه (هوا یا برد مدار) منتقل می‌شوند، سه حالت زیر رخ می‌دهد:
- محیط پیوسته: هیچ پدیده بازتابی رخ نمی‌دهد.;
- محیط ناپیوسته: اگر بازتاب رخ دهد، فرکانس در این محیط به عنوان فرکانس پایین در نظر گرفته می‌شود.;
- محیط ناپیوسته: اگر بازتاب رخ دهد، فرکانس در این محیط فرکانس بالا در نظر گرفته می‌شود.
بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که بازتاب به طول موج بستگی دارد.
سرعت انتقال امواج الکترومغناطیسی در هوا یا خلاء برابر با سرعت نور است:
در حالی که در مورد هر موج الکترومغناطیسی با سرعت متوسط:
با استفاده از این عبارت، می‌توانیم نرخ انتقال الکترومغناطیسی را در مورد واسطه‌ای مانند برد PCBA با فرکانس بالا پیدا کنیم:
اگر سرعت موج را با معادله موج الکترومغناطیسی هنگام عبور از یک محیط مرتبط کنیم، در نتیجه عبارت جدیدی خواهیم داشت:
از معادله بالا می‌توان نتیجه گرفت که اگر طول موج بزرگتر از طول مسیر انتقال باشد، هیچ بازتابی وجود نخواهد داشت.
بنابراین در نتایج برای به حداقل رساندن بازتاب، می‌توانیم طول موج سیگنال الکترومغناطیسی را به بزرگتر از حد ممکن افزایش دهیم، که معمولاً 4 برابر طول مسیر استفاده می‌شود. یکی از نتایجی که از فرمول بالا می‌گیریم این است که با کاهش فرکانس و کاهش گذردهی نسبی برد، می‌توان طول موج را نیز طولانی‌تر کرد. اما در واقعیت، به دلیل الزامات انتقال، نرخ انتقال داده را نمی‌توان به دلخواه کاهش داد و محیط PCB نمی‌تواند 1 باشد.
گزینه دیگری نیز وجود دارد که طول Trace را کوتاه می‌کند و طول آن را کمتر از طول موج ارسالی قرار می‌دهد. اما FS Technology معتقد است که این رویکرد محدودیت‌هایی دارد. هنگامی که نرخ انتقال به ارتفاع خاصی می‌رسد یا موقعیت بین اجزای PCBA فرکانس بالا محدود می‌شود، طول ردیابی PCBA فرکانس بالا باید حداقل 5 تا 10 سانتی‌متر افزایش یابد.
ردیابی فرکانس بالا و امپدانس
وقتی مسیرهای فرکانس بالای برد PCB را مطالعه می‌کنیم، سوالی در مورد طراحی امپدانس مسیر مطرح می‌شود، اما در داده‌های فوق چیزی در این مورد بیان نشده است. در بالا بحث کردیم که در صورت عدم انعکاس، هیچ مشکل امپدانس برای مسیر وجود ندارد، بنابراین نیازی به طراحی امپدانس نیست.
همانطور که در پاراگراف قبلی ذکر شد، با افزایش تقاضا برای انتقال فرکانس بالا، کوتاه کردن کورکورانه طول مسیر بسیار ضعیف است. برای پروژه‌هایی که به نرخ انتقال فوق العاده بالا نیاز دارند، این روش به هیچ وجه قابل استفاده نیست. بنابراین مسیر طولانی شده به ناچار بازتاب نشان خواهد داد. نظریه مبتنی بر امواج الکترومغناطیسی می‌گوید که تکنیک دیگری وجود دارد که هیچ بازتابی ندارد: امپدانس مسیر = امپدانس بار = امپدانس داخلی.
این نظریه به بحثی که در ابتدا داشتیم مربوط می‌شود که اگر یک محیط پیوسته داشته باشیم، هیچ بازتابی وجود نخواهد داشت. به عبارت ساده، مسیر، بار و امپدانس داخلی یکسان هستند.
انعکاس سیگنال PCBA با فرکانس بالا و قضاوت نادرست
چه تولیدکننده PCBA باشیم و چه مشتری که خدمات PCBA را خریداری می‌کند، ما نمی‌خواهیم بازتاب‌ها ظاهر شوند. بازتاب نشان‌دهنده بخش انرژی است که استفاده یا منتقل نمی‌شود و مانند یک فرستنده به مبدا خود برمی‌گردد. نکته اصلی که می‌خواهیم در بالا بیان کنیم این است که وقتی هیچ بازتابی وجود ندارد، مهم نیست فرکانس در این زمان چقدر باشد، مسیر هیچ مشکل امپدانس نخواهد داشت، یعنی نیازی به طراحی امپدانس نداریم.
اما در واقعیت، انرژی بازتاب‌شده دوباره به دلیل پدیده‌ی برهم‌نهی امواج از منبع بازتاب می‌شود. اگر امواج دو بار به نقاط دریافت بازتاب شوند، با سیگنال دیگری که سیگنال خطا را ایجاد می‌کند، روی هم قرار می‌گیرند. فرض کنید یک سیگنال دیجیتال داریم که در نقطه‌ی شروع ۱ است، در نقطه‌ی دریافت صفر خواهد بود و سیگنالی که صفر بوده، ۱ خواهد بود که منجر به محاسبه‌ی اشتباه یا قضاوت نادرست در مورد سیگنال می‌شود.
اقدامات احتیاطی برای تولید PCBA با فرکانس بالا
تا اینجا ما ایده‌ای از مشکلات ناشی از انعکاس داریم، حالا باید برد مناسبی را برای ساخت PCB فرکانس بالا انتخاب کنیم. معمولاً از دو نوع برد PCB استفاده می‌شود: Rogers و FR4.
گذردهی نسبی نکته کلیدی است که بر کیفیت سیگنال تأثیر می‌گذارد:
بین فرکانس و گذردهی نسبی رابطه‌ای وجود دارد و تغییر فرکانس نیز فرکانس نسبی را تغییر می‌دهد. فرمول زیر این عامل را توضیح می‌دهد:
و
در اینجا می‌توانیم ببینیم که تغییر در گذردهی نسبی با توجه به فرکانس انتقال موج الکترومغناطیسی روی برد و طول موج نیز تغییر می‌کند. این یک پدیده پراکندگی است که توسط نظریه موج الکترومغناطیسی ارائه شده است و این محیط به عنوان پراکندگی شناخته می‌شود.
مروری دقیق بر مشکلات پراکندگی PCBA در فرکانس بالا
سیگنال دیجیتال به صورت امواج مربعی که یا ۰ هستند یا ۱ ارسال می‌شود. اگر فرکانس متغیر یک موج مربعی را مشاهده کنیم، در شکل‌گیری امواج سینوسی بی‌شماری با فرکانس‌های مختلف منعکس می‌شود. به عبارت ساده، از امواج بنیادی و ۲ هارمونیک فرد که روی هم قرار گرفته‌اند، تشکیل شده است.
اگر سه موج فرکانسی مختلف به دلیل گذردهی نسبی متفاوت از مسیرهای PCB عبور داده شوند، اختلاف سرعت انتقال وجود خواهد داشت. در حالت ایده‌آل، سه فرکانس سرعت یکسانی دارند، مقدار سرعت را روی X تنظیم می‌کنیم و در نتیجه، یک سیگنال موج مربعی کامل در انتهای گیرنده سیگنال دریافت خواهیم کرد. اما در واقعیت، این اتفاق نمی‌تواند رخ دهد، سه فرکانس سرعت‌های خاص خود را دارند، یا سریع یا کند. اگر کورکورانه طول مسیر را افزایش دهیم، امواج الکترومغناطیسی دریافت خواهیم کرد که در زمان‌های مختلف به سه فرکانس مختلف تجزیه می‌شوند.
یک سیگنال بالای مشابه در فواصل زمانی مختلف می‌رسد و دامنه آن نیز کاهش می‌یابد که باعث ایجاد خطا در قضاوت در نقطه دریافت و در نتیجه خطاهای بیتی می‌شود.
یا اگر چندین سیگنال با نرخ‌های مختلف در تجهیزات ما وجود داشته باشد، زیرا سیگنال پرسرعت از سیگنال کم‌سرعت پیشی می‌گیرد، این باعث می‌شود که PCBA با فرکانس بالا سیگنال نامنظمی را در سمت گیرنده دریافت کند و قضاوت در مورد دقت آن را برای ما غیرممکن سازد.
همانطور که قبلاً بحث کردیم، اگرچه امپدانس مسیر (تک انتهایی ۵۰ اهم یا تفاضلی ۱۰۰ اهم) را طراحی کرده‌ایم، مسیر می‌تواند برای مدت زمان بیشتری بدون ایجاد بازتاب حرکت کند، اما وقتی با محیط پراکنده برخورد می‌کند، طول مسیر را نیز محدود می‌کند. بنابراین برای طراحی امپدانس، می‌توانیم مسیر را تا حد امکان کوتاه کنیم.
مقایسه مواد فرکانس بالا: FR4 در مقابل Rogers
با استفاده از درک گذردهی نسبی و پدیده‌های پراکندگی، اکنون مقایسه‌ای بین مواد FR4 و راجرز انجام دهید. شکل زیر ایده گذردهی نسبی FR4 و راجرز را با فرکانس نشان می‌دهد.
از شکل بالا، می‌توانیم ببینیم که ∈ r(f) مربوط به FR4 با توجه به فرکانس به شدت تغییر می‌کند، در حالی که برای راجرز هیچ هزینه‌ای وجود ندارد. فرض کنید که ما از محدوده فرکانسی نرخ انتقال به عنوان PRBS31 استفاده می‌کنیم، بنابراین استفاده از FR4 باید توجه جدی به مسائل پراکندگی داشته باشد. برای کاهش مسائل پراکندگی، ردپاها باید تا حد امکان کوچک باشند.
ممکن است فکر کنید راه حل استفاده از FR4 نیست، بلکه استفاده از برد مدار چاپی Rogers است و مشکلات حل می‌شود. درست است، اما قیمت‌های Rogers بالاست، شما باید این را نیز در نظر بگیرید. کاهش قیمت‌ها و چگونگی حفظ کیفیت سیگنال برای برآورده کردن نیازهای ارتباطی. همیشه به ذهن مهندسانی می‌رسد که طرح‌هایی برای ایجاد تعادل ایجاد می‌کنند.
در نهایت، ما اثر ∈ r(f) بر امپدانس ردیابی را مورد بحث قرار نداده‌ایم. اساساً، این اثر خواهد گذاشت، اما برای جلوگیری از تحلیل و توضیح بیش از حد آشفته، مسئله طراحی امپدانس ایده‌آل‌سازی شده است.
تحلیل ساختار موجبر بزرگ سه PCBA فرکانس بالا
در بحث بالا، رابطه بین فرکانس بالا و PCB، مانند انتخاب مواد دقیق و مقایسه قیمت را توضیح دادیم. اکنون به بررسی طرح طراحی PCB فرکانس بالا خواهیم پرداخت.
وقتی به چگونگی طراحی طرح PCB فکر می‌کنیم، اولین سوالی که به ذهنمان می‌رسد در مورد شبیه‌سازی است. استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی آسان است و باعث صرفه‌جویی در زمان و هزینه اضافی می‌شود، اما چگونه می‌توانیم پارامترهای شبیه‌سازی را فرموله کنیم؟ ابتدا باید ایده‌ای از شروع طراحی طرح داشته باشید.
قبل از برد مدار چاپی با فرکانس بالا در ساخت برد، اولین مشکلی که با آن مواجه می‌شویم انتخاب یک ساختار موجبر مناسب است. سه ساختار انتقال اساسی در زیر شرح داده شده‌اند:
- میکرواستریپ
- استریپ‌لاین
- موجبر همسطح
میکرواستریپ
معماری و طراحی ساده هستند. برای فرکانس بالای مشابه PCBA در مورد زیرلایه‌ها، پارامترهای زیادی وجود دارند که به دلیل ساختار ساده، قابل تغییر نیستند، مانند عرض خط، ضخامت زیرلایه و ضخامت خط.
با افزایش فرکانس، مشکل دیگری برای میکرواستریپ وجود دارد و آن این است که اگر مقدار جریان بالای مسیر ∈eff = 1 باشد و زیرلایه زیرین ∈eff ≠ 1 باشد، الگوی نامتقارن برای میدان‌های بالا و پایین ایجاد می‌شود که منجر به نامتقارن شدن الگوی میدان موج الکترومغناطیسی می‌شود. این رفتار نامتقارن بر کیفیت انتقال سیگنال تأثیر می‌گذارد.
استریپ‌لاین
ساختار پیچیده است و ∈ eff زیرلایه بالایی و پایینی می‌تواند نزدیک به زیرلایه باشد، بنابراین الگوی موج الکترومغناطیسی کامل است. همچنین، ردپاهای فرکانس بالای استریپ‌لاین، اثر تداخل دوربرد بین یکدیگر را نشان نمی‌دهند.
مشکلات تضعیف سیگنال و انعکاس به دلیل وجود بخش‌های اضافی via وجود دارد، زیرا لایه‌های داخلی از طریق via به قسمت‌های خارجی متصل می‌شوند. برای به حداقل رساندن این مشکل، از back drilling یا blind vias استفاده کنید، اما این کار هزینه‌ها را افزایش می‌دهد.
موجبر همسطح
برای ایجاد یک موجبر، هر دو طرف مسیر از طریق یک محافظ مسی مانند میکرواستریپ پوشانده می‌شوند. سپس میکرواستریپ، موجبر همسطح، توانایی تغییر پارامترهای فیزیکی بیشتری را دارد، به عنوان مثال فاصله بین مسیر و زمین و فاصله بین مسیر و مسیر موجود در زمین.
یک موجبر همسطح از طریق GND عبور داده شده است که اثر تداخل را به حداقل می‌رساند. در طراحی یک گلوگاه وجود دارد، اگر از مسیرهای فرکانس بالا و چگالی بالا در مدارهایی مانند PCIe استفاده شود، ساختار فضای کافی برای اعمال زمین مسی در دو طرف مسیرها نخواهد داشت.