מעגלים גמישים יכולים לשמש ביישומי מיקרוגל דיגיטליים PCIe 2.0) ו-10 GbE) והם מנותחים לעתים קרובות באותם הכלים והטכניקות כמו כרטיסי מעגלים מודפסים רגילים (PCBs). הבדל אחד בין המעגלים הגמישים ו-PCBs הוא בכך שמעגלים גמישים מציעים אפשרויות של נתיב חוזר שאינן לרוב מצויות ב-PCBs. לדוגמה, משטחי הארקה שתי-וערב ודיו מוליכה הם הרבה יותר גמישים מכנית מאשר נחושת מוצקה, והם מהווים אופציות תכנון עבור מעגלים גמישים שאינן מצויות לרוב ב-PCBs רגילים. לנתח ולהבין את היבטי ה-SI/EMI של מבני ייחוס חלופיים אלה במעגלים גמישים הם הבסיס למאמר זה.
המאמר עוקב אחר הגישה שמתכנן היה נוקט בה בשעה שהוא בודק מעגל גמיש עבור יישום מסוים. ראשית, אנחנו מתארים מעגל גמיש ובוחנים את כלילות האות (signal integrity); אם המעגל הגמיש לא יעבוד, אין טעם לדאוג לביצועי הסיכוך.
בהמשך, נשתדל להבין את סיכוך המעגל הגמיש ולהצביע על השקפות מוטעות אחדות. נמשיך בתחזיות ניתוח ומחשוב של ביצועי הסיכוך ונשווה אותן למדידות. לבסוף, נבחן השפעות העולם האמיתי על סיומת הסיכוך ואת השימוש במחברים בעלי צפיפות גבוהה ברמת המכלול של המעגל הגמיש. נסיים בהמלצות יישום אחדות עבור מעגלים גמישים.
יתרונות חשמליים של מעגלים גמישים
בניית המעגלים הגמישים דומה מאוד לבנייה של PCB רגילים, כאשר הדמיה, צריבה וריבוד (למינציה) מהווים תהליכי ליבה. ההבדל העיקרי הוא שמעגל גמיש אינו משתמש בליבה קשיחה לכל אורכה; במקומה משמש פולימיד גמיש או חומר דומה. זה מאפשר למעגלים גמישים לעבור כיפוף, קיפול ופיתול בדומה למשטח עשוי פלסטיק דק. דרגת הגמישות נקבעת על-ידי העובי והחומרים המשמשים בבנייה. יישומים קלאסיים הם במוצרים בהם מעורבת תנועה כמו בראשי מדפסת או כאשר דרושים רדיוס כיפוף חד וצפיפות גבוהה כמו בתצוגות פנל שטוחות.
קצבי נתונים בתחום ה- Gbps5-8 הם נפוצים כיום, ובמהירויות האלה, מעגלים גמישים יכולים להציע יתרונות חשמליים לעומת חומרי PCB ותכנונים קשיחים רגילים. ניתן להשיג חומרים גמישים מקובלים בעלי יציבות חשמלית עד לפחות 20 גיגה-הרץ. ולא כמו חומרי PCB קשיחים רגילים, מעגלים גמישים אינם משתמשים בחיזוקים מבוססי סיבי זכוכית. הדבר מהווה יתרון במהירויות גבוהות יותר, מאחר שהוכח ששינויים בתכונות החומרים הנגרמים על-ידי חבילות של סיבי זכוכית עלולים ליצור עיקום ואי-רציפויות בעכבה.
היתרונות המכניים של חיבורים מבוססי חומרים גמישים הופכים אותם לאידיאליים עבור יישומים הכוללים אפיצויות מיקום פיזיות רחבות, בהם כרטיסי הרחבה מבוססי PCB רגילים או מחברי גובה של מבנים גבוהים יכולים להתגלות כבעייתיים.
ביישומים בקצב נתונים גבוה, יש לטפל במעגלים הגמישים כבקווי תמסורת ולהתייחס לעכבה האופיינית, מאפייני ההפסדים וערב-דיבור בין מעגלים.
מעגלים גמישים הם תווך אידיאלי של קו תמסורת עבור יישומים בקצב נתונים גבוה לאורכים של עד פיטים אחדים. באורכים גדולים יותר, לכבלים עם דיאלקטרי בעל הפסדים נמוכים וחתך מוליכים גדול יותר יש יתרון טבעי בביצועים.
משטחי הארקה, סיכוכים ונתיבי החזרה
חשוב להבדיל בין המונחים “סיכוך” (shield) , “נתיב חזרה” (return path) ו”משטח הארקה” (ground plane).
במאמר זה המונח משטח הארקה משמש כמונח מכני או פיזיקלי, כדי לתאר שכבה מוליכה אחידה במבנה המעגל הגמיש. משטחי הארקה הם רחבים, בעוד עקבות (traces) הן הרבה יותר צרות.
נתיב החזרה הוא מונח חשמלי המתאר מוליך הנושא חלק מזרם האותות. נתיב החזרה יכול להיות משטח הארקה או עקבה סמוכה, אך יתכן גם קבוצת מוליכים מוגדרת רע במערכת מתוכננת גרוע.
סיכוך הוא שכבה מוליכה שיש לה או אין לה קישור DC לאות. המטרה העיקרית של הסיכוך היא להקטין את הפליטות הקורנות. משטח הארקה יכול לתפקד כסיכוך. אולם כפי שנראה בהמשך, חומרי משטח הארקה אחדים פועלים היטב בתור סיכוך, אולם לא כנתיב חזרה.
אנחנו נתמקד בסוגים הנפוצים ביותר של מעגלים גמישים שניתן לראות בהם אבני בניין עבור תכנונים גמישים מורכבים יותר. מעגל גמיש דו-שכבתי המיועד ליישומי מהירות גבוהה יהיה מורכב משכבת אותות ונתיב חזרה במשטח הארקה; כלומר, חתך רוחבי של מיקרוסטריפ microstrip)). במעגל גמיש בעל שלוש שכבות תהיה שכבת אותות בין שני משטחי הארקה; חתך רוחבי של סטריפליין ((stripline.
קיימות מספר אופציות לבניית משטח הארקה במעגל גמיש. אפשר להשתמש בד”כ בדיו מוליכה למשטחים החיצוניים. הדיו אטרקטיבית מבחינה מכנית ושל עלות; אך היא יכולה להציג לעתים קרובות התנגדות גדולה יותר ועמידות פחותה מאשר רדיד נחושת מוצק. משטחי הארקה מנחושת שתי-וערב הם יותר גמישים מאשר נחושת מוצקה, והם נפוצים במעגלים גמישים. לבסוף, אפשר להשתמש במשטחי הארקה מקובלים מנחושת מוצקה כאשר דרושים ביצועים חשמליים גבוהים ביותר.
היבטי כלילות האות של אופציות נתיב החזרה
השיקול החשמלי הראשון בתכנון מעגל גמיש למהירויות גבוהות צריך להיות כלילות האות (signal integrity –SI). אם יש בתכנון כל כך הרבה הפסדים או ערב-דיבור (cross-talk) כך שהנתונים נפגעים, אין הרבה טעם להמשיך הלאה. כדי לחקור היבט זה, תוכנן ונבנה מערך דגימות אשר שימש בשורה של ניסויים. מטריצת ההדוגמאות היו באורך 20 אינטש ומתוכננות לעכבה אופיינית של 50 אוהם. המעגלים הגמישים מוצעים על-ידי Samtec כ-סדרת HFEM (סטריפליין) ו-HFEM2 (מיקרוסטריפ). ערכות אלו תואמות ל-Final Inch ® Test and Evaluation Boards המוצעות על-ידי Samtec והמאפשרות לחבר ציוד בדיקה לדוגמאות. עבור בדיקה זו, נתח רשת 4 פיתחות (ports) של Agilent שימש לרכישת תיקי Touchstone אשר עובדו לאחר מכן לתצוגה ב-Agilent Advanced Design System.
צפיפות האות היא גורם קובע ביישומים מסחריים רבים, ועומד בסתירה חדה עם הנחיות התכנון של SI. הנחיית תכנון רגילה של SI היא שהמרווח בין קצות העקבות צריך להיות לפחות 3 פעמים רוחב העקבה כדי להשיג ערב דיבור נמוך דיו. בניגוד לכך, תכנונים הרבה יותר נועזים מזה מקובלים כדי להשיג את הקישוריות הדרושה. הדוגמאות במחקר זה משקפות את דרישות הצפיפות שהלקוחות מבקשים ויש להם מרווח בין הקצוות של 1.5 רוחב העקבה. זה המקרה בשני התכנונים של מיקרוסטריפ וסטריפליין.
איור 2 מראה שעבור מעגלים גמישים מיקרוסטריפ, יש הבדל ניכר בהפסד השילוב, במיוחד לגבי דוגמה בעלת נתיב חזרה עם דיו מוליכה. זה לא המקרה עבור מעגלים גמישים סטריפליין. עבור מעגל גמיש סטריפליין עם מישור הארקה של דיו מוליכה, יש גם מישור הארקה מנחושת וזוהי הסיבה מדוע איננו רואים את ההפסד הגבוה במקרה זה.
איור 3 מראה שערב הדיבור בקצה הרחוק (far end crosstalk – FEXT) הוא יותר גבוה במעגלים גמישים מיקרוסטריפ בהשוואה למעגלים גמישים סטריפליין. שים לב שערב-הדיבור של המחבר והמעגל הגמיש כלול בגרפים אלה וקשה להבחין מי מהם שולט בפרופיל ערב-הדיבור. ברור שלמשטח ההארקה שתי-וערב יש FEXT הרבה יותר גבוה במעגל הגמיש מיקרוסטריפ. זמן העלייה של הפולס האפקטיבי בקטע מישור הזמן של איור 3 הוא 20 pS.
איור 4 מראה את ערב-הדיבור בקצה הקרוב NEXT) (near end crosstalk-עבור המעגלים הגמישים מיקרוסטרים וסטריפליין. תצוגת תחום הזמן היא לידיעה מאחר שניתן להפריד בין ערב-הדיבור של המחבר בתחילת העקבה מערב-הדיבור של המעגל הגמיש. לדוגמאות המעגל הגמיש אשר השתמשו בדיו מוליכה יש ערב-דיבור גבוה בקצה הקרוב. זמן העלייה האפקטיבי של הפולס עבור קטע מישור הזמן של איור 4 הוא 20 pS.
מבחינת תכנון מעגל גמיש, קיימות פשרות חשמליות ומכניות. משטחי הארקה מנחושת מוצקה עולים על משטח ההארקה שתי-וערב או משטח ההארקה של דיו מוליכה, אולם הם יותר קשיחים מכנית. יש לדאוג לערב-הדיבור, במיוחד עם מבנה של משטח הארקה מיקרוסטריפ שתי-וערב.
סיכוך והפחתת ה-EMI
מושג הסיכוך עשוי להיות או מובן או מביך בעיני מתכננים רבים. מקור רעש המקרין בתוך תיבה מלבנית אטומה בעלת מספר פתחים הוא קל להבנה. משתמשים באנלוגיה של “דלי דולף”, ויכולים לדמיין יותר קרינה הדולפת החוצה מהדלי ככל שהפתחים יותר גדולים. בצעד אחד הלאה, לא קשה להבין שמימד הפתח המרבי הוא יותר קריטי מאשר חתך הרוחב של הפתח. לכן חריצים ותפרים הם ככלל מקור זליגה גדול יותר מאשר חורים במארזים מסוככים. אולם מושג זה של סיכוך כושל כליל כאשר דנים במעגלים גמישים ובכרטיסי מעגלים מודפסים.
German , Ott ו-Paul [1], הוכיחו שפליטות קרינה מ-PCB היו מוקטנות ב-20-40 dB כאשר מוסיפים משטח מדומה. המשטח המדומה היה לוח נחושת המוצב בקרבה המידית למעגל הייחוס. האם המעגל מסוכך? לא באמת, משום שהמחצית העליונה של המעגל היא גלויה לחלוטין. האנלוגיה של הדלי הדולף איננה מתאימה כלל כדי להבין את מנגנון הנמכת הפליטות במקרה זה. המחקר נערך ב-1990 והוא הדגיש את חשיבות הבנת מושג רעש ההארקה.
למשטח הארקה השראה סופית, ומתחים יתפתחו לאורך ההארקה כאשר זרם RF עובר דרך המשטח. “לאורך” הכוונה היא שהמתח מתפתח לאורך משטח ההארקה; פוטנציאל ה-RF בקצה אחד של משטח ההארקה שונה מפוטנציאל ה-RF בקצה השני של משטח ההארקה.
ניתן לתאר בצורה פורמלית את ההשראה הסופית של מישור ההארקה. Holloway ו-Kuester [2] מתארים אותה כהשראה הנקייה של משטח ההארקה. ההשראה הנקייה של משטח ההארקה היא ההשראה החלקית העצמית של משטח ההארקה פחות ההשראה החלקית ההדדית של משטח ההארקה. Koledintseva, Drewniak, Van Doran ו- Hockanson [3], [4], תארו השראת משטח הארקה פרזיטית ובחנו את השטף של משטח ההארקה העובר דרך לולאת משטח הארקה במוד משותף. אפשר להרחיב גישה זו מ-PCBs גם למחברים [5], [6]. גישה אחרת בסיכוך כבלים קואקסיאליים דנה בעכבת ההעברה של הסיכוך [7]. עכבת ההעברה היא התנגדות ההעברה ועוד היגב (reactance) ההעברה ההשראתי. כל השיטות הללו מתארות דרכים לחשב ו/או למדוד את מתח רעש ההארקה המתפתח בגין השראת משטח ההארקה. כאשר מנסים להבין פליטות של PCB, מעגל גמיש או מחבר, מועיל לחשוב על רעש ההארקה או על עכבת ההעברה.
חיזוי ביצועי סיכוך של מעגלים גמישים
ניתן להשתמש בכלי ניתוח מסחריים של מיקרוגל [8] כדי לנתח את עכבת ההעברה (transfer impedance) של מעגל גמיש. ניתן לפתח קשר בין עכבת העברה וביצועי הסיכוך בתנאי שביצועי הסיכוך מוגדרים חד-משמעית. נשתמש בעבודה מוקדמת יותר של Hoeft[7] המראה קשר פשוט בין עכבת העברה וביצועי סיכוך על-ידי שימוש בשיטת תא ההידוד (reverberation chamber).
SE=45.76-20logZTotal
במשוואה זו, SE היא יעילות הסיכוך ו-ZTotal היא עכבת ההעברה הכוללת בשל הצימוד בין השדה המגנטי והחשמלי. הקשר הנ”ל נבדק ב-[9] ו-[7] עבור פתח קטן בכבל קואקסיאלי מסוכך היטב.
ניתן לבצע ניתוח D2 כמו-סטטי של חתך הרוחב של מעגל גמיש הנותן פרמטרי קו תמסורת ליחידת אורך. לאחר ביצוע ניתוח זה, אפשר לכוון באופן דינמי את האורך. ניתן לתרגם לפרמטרים את חתך הרוחב ולכוון אותם בזמן אמת, דבר ההופך את ניתוח עכבת ההעברה לאפשרי תוך מספר דקות. גישה זו פירושה שניתן להשתמש בכלי ניתוח מודרניים של מיקרוגל בתור כלי תכנון, בניגוד לכלי ניתוח הדורשים מעל מספר שעות של זמן מחשוב. כלי ניתוח המשתמשים בשיטות של גל שלם, ניתנים לשימוש עבור חישובי עכבת העברה של גיאומטריות יותר מסובכות שאינן מיוצגות היטב על-ידי חתך-רוחב D2.
כדי לבחון גישה זו, אנחנו יכולים להשוות ניתוח של D2 עם עבודות קודמות על השראת משטח ההארקה [3]. איור 5 מראה את תוצאות השוואה זו, ומגלה שקיים קשר טוב בין העבודות המוקדמות יותר והתוצאות מכלים מסחריים.
כדאי לעיין באיור 5 כדי לרכוש הבנה על הפחתת הפליטה ממבנה שידור מישורי. יש לזכור שעכבת ההעברה יחסית להשראת משטח ההארקה הנקייה והדבר מתואר בציר האנכי של איור 5. היחס בין רוחב משטח ההארקה לגובה העקבה מעל משטח ההארקה הוא הפרמטר הקריטי. זה אומר שלעקבה צרה הסמוכה למשטח ההארקה פליטות נמוכות יותר מאשר לעקבה רחבה הרחוקה יותר ממשטח ההארקה, אף אם שתי הגיאומטריות נותנות עכבה אופיינית של 50 אוהם.
שיטה שנייה לבדוק באם כלי כמו-סטטי D2 נותן הערכות סבירות של עכבת ההעברה היא להזדקק להגדרת עכבת ההעברה בתדר נמוך. בתדר נמוך, ההיגב ההשראתי של משטח ההארקה נמוך, ועכבת ההעברה הופכת פשוט להתנגדות ה-DC של משטח ההארקה. אם נתונים העובי, הרוחב והאורך של מבנה ההארקה, אפשר לחשב ידנית את התנגדות ה-DC ולהשוותה לתוצאה של הכלי. ההתאמה בין החישוב הידני של התנגדות ה-DC וכלי הניתוח היא בגבולות ה-5%.
כעת יש לנו שיטה לדמות את ביצועי הסיכוך המבוססת על מבנה המעגל הגמיש. על-ידי שימוש בטכניקה זו בדוגמאות המתוארות באיור 1 אפשר להפיק את התוצאות מאיור 6.
איור 6 מראה שעכבת ההעברה של המעגל הגמיש סטריפליין נמוכה יותר מזו של מעגל גמיש מיקרוסטריפ. הדבר צפוי מאחר שלמעגל הסטריפליין יש למעשה שני משטחי הארקה במקביל. למבנה מעגל הסטריפליין העקבה קרובה יותר למשטח ההארקה, עובדה המקטינה את ההשראה הנקייה של משטח ההארקה. קו תמסורת זה הוא באורך 20 אינטש ומתחיל להראות השפעות של תהודה החל מ-200 מגה-הרץ.
תסדיר המדידה
שיטת ה-Mode Stirred Chamber מתוארת ב-IEC 61000-4-21 והיא שימשה בבדיקה זו. השיטה מבוססת על חשיפת התקן לאנרגיה אלקטרו-מגנטית בחלל תהודה גדול (חדר מסוכך). מכוון (tuner) גדול חשמלית מפר את תנאי הגבול של החלל ויוצר צורות שונות של גלים עומדים וערור אקראי של ההתקן. עורכים מספר מדידות במצבי מכוון שונים ולוקחים ממוצע של התוצאות. יעילות הסיכוך מוגדרת בתלות באנטנת ייחוס בתוך תחומי התדר עבור IEC 61000-4-21. אם יעילות הסיכוך היא 20 dB, הפירוש הוא שההספק הנקלט כאשר הדוגמה במקום הוא ב-20 dB נמוך יותר מאשר ההספק הנקלט כאשר אנטנת הייחוס נמצאת במקום. אנטנה לוגריתמית רחבת-תחום (log periodic) משמשת כייחוס מ-200 מגה-הרץ עד 2 גיגה-הרץ, ואנטנת שופר double-ridge היא הייחוס מ-2 גיגה-הרץ עד 20 גיגה-הרץ.
לשיטה זו גבול מעשי של תדר גבוה הנקבע על-ידי המכשור ששימש בה, במקרה זה 20 גיגה-הרץ. גבול התדר הנמוך נקבע על-ידי גודל התא, במקרה זה 200 מגה-הרץ. המערכת ששימשה בבדיקה זו היא מערכת SMART 200 של ETS-Lindgren המוצגת באיור 7.
מבנה הדגם ממוטב עבור סיומת הסיכוך. שכבת הבידוד החיצונית הוסרה כדי לחשוף את משטחי ההארקה. אפשר להדק לאחר מכן משטחים אלה בין גושי נחושת. איור 8 מציג את גישת סיומת הסיכוך.
בשלב השני של תכנית הבדיקה נמדדו ביצועי הסיכוך כאשר המעגל הגמיש סוים באמצעות מחבר מרובה-פינים בעל צפיפות גבוהה. המחבר וכרטיס הבדיקה מתוארים ב-[11]. צילום של המעגל הגמיש עם סיומת של כרטיס בדיקה מוצג באיור 9.
תוצאות בדיקות הסיכוך מוצגות באיור 10. איור 10 מראה שלמעגל הגמיש סטריפליין יש יעילות סיכוך גבוהה יותר ב-10-20 dB בקירוב מאשר מעגל גמיש מיקרוסטריפ. תוצאה זו מתאימה די טוב לתוצאות המדומות אשר השתמשו ב-solver שדה כמו-סטטי D2 כדי לחשב את ההשראה הנקייה של משטח ההארקה. ניתן להפוך לאחר מכן את ההשראה הנקייה של משטח ההארקה לערך של יעילות סיכוך. ב-200 מגה-הרץ הניתוח ניבא SE של 50dB במקרה של מיקרוסטריפ עשוי נחושת מוצקה ו-70 dB במקרה של סטריפליין עשוי נחושת מוצקה. הניתוח הראה היענות כללית שטוחה לאורך מספר דקאדות של תדר, וגם דבר זה תואם יפה את נתוני המדידה.
במקרה של המיקרוסטריפ, לשלושת המבנים השונים של משטחי ההארקה היו ביצועים דומים. לדוגמת הדיו המוליכה ביצועים נמוכים יותר בכ-10 dB בתחום 800 מגה-הרץ עד 1 גיגה-הרץ, אך ככלל היא תפקדה היטב כמו משטח ההארקה מנחושת המוצקה היותר קשיחה. במקרה של הסטריפליין, למשטח ההארקה שתי-וערב היו ביצועים נמוכים יותר בכ- 15 dB מאשר מבנה משטח ההארקה מדיו מוליכה או מנחושת מוצקה.
בחלק השני של הבדיקה נבחן המקרה שהמעגל הגמיש מסוים במחבר מרובה-פינים בעל צפיפות גבוהה ובכרטיס בדיקה. סיומת הסיכוך והשפעות המחבר ניתנות לניתוח דרך שיטת העכבה בנתיב החזרה/עכבת ההעברה [5], [6], אך הדבר איננו במרכז הדיון כאן.
איור 11 מראה את תוצאות הסיומת ב”עולם האמיתי”. עם המחברים וכרטיסי הבדיקה, רואים ביצועים דומים עבור מעגלים גמישים מיקרוסטריפ וסטריפליין. רואים גם ירידה ביעילות הסיכוך עם התדר עבור הדוגמאות הן סטריפליין והן מיקרוסטריפ. המסקנה שאנחנו יכולים להשיג היא שברמת המערך יתרונות הסיכוך של מעגל גמיש סטריפליין נפגעים על-ידי המחבר בעל צפיפות גבוהה.
סיכום והמלצות ליישום
במאמר זה ניסינו להראות את הערך שבשיקול על ביצועי הסיכוך של מעגלים גמישים במונחים של עכבת העברה והשראה נקייה של נתיב החזרה. הראינו שכלי ניתוח מיקרוגל מסחריים יכולים לשמש כדי לחשב את עכבת ההעברה של מעגל גמיש, ושתכונות הכיוון מאפשרות החלטות תכנון בזמן-אמת.
השימוש בחומרי משטח הארקה שונים משפיע יותר על כלילות האות מאשר על יעילות הסיכוך עבור הדגמים שנבחנו במעמד זה. למעגל גמיש מיקרוסטריפ עם דיו מוליכה הפסדי מוליך משמעותית יותר גדולים בהשוואה למשטח הארקה רגיל מנחושת. לבחירת החומר של משטח ההארקה השפעה משמעותית על ערב-הדיבור. הדוגמאות במחקר זה תוכננו עבור צפיפות גבוהה מאוד וביצועים יחסית מתונים, כך שערב-הדיבור במעגל הגמיש הוא משמעותי. במקרה של מעגל גמיש מיקרוסטריפ, למשטח ההארקה מדיו מוליכה היה ערב-דיבור כפול בהשוואה למשטח ההארקה מנחושת. איור 12 מציג רשימת תיוג עבור מעגלים גמישים המבוססת על התוצאות שהוצגו לעיל.
