שימוש בצמות גמישות כקווי תמסורת להעברת אותות מהירים

הנחיות לביצוע
יש לבחור צמה אשר העלים בה עונים על הדרישות הבאות:
1. המרווח בין שכבות הנחושת יהיה על פי הטבלה להלן
2. עובי שכבת הכיסוי יהיה 2mil לפחות
3. עובי המוליך יהיה
4. רוחב המוליך יהיה על פי טבלה 1
5.עבור אות דיפרנציאלי המרחק בין צמד הקווים יהיה 12mil
6.קווים דיפרנציאלים יהיו בעלי אורך שווה ויעברו במסלולים מקבילים.
7.יש להקטין למינימום את מספר חורי המעבר (vias) ואי רציפויות אחרות
8.אין לבצע במוליכים זוויות של 900. כיפופים יש לעשות בזוויות של 450 או פחות.
9.השכבה הסמוכה למוליכים באותו עלה תהיה תמיד שכבת אדמה. רוחב משטח האדמה יהיה כרוחב המוליכים + 16mil לכל צד.
10.משני צדי המוליכים יעברו מוליכי אדמה במרחק 16mil לכל צד. בין מוליכי האדמה לאות יהיה אזור נקי ממוליכים.
11.העלה הסמוך אל המוליכים יהיה נקי ממוליכים בשתי שכבותיו ברוחב המקביל למשטח האדמה.
12. שכבה עליונה ושכבה תחתונה בצמה יהיו תמיד CGND.
צמה טיפוסית בנויה ממספר עליםׁ ׁׁׁׁ(על-פי רוב שלושה או ארבעה)ׂ.
כל עלה בנוי מחמש שכבות:
1. שכבת כיסוי r =3.3 תהיה בעובי רגיל של 1mil (ניתן לדרוש גם בעובי 2mil)
2. שכבת מוליכים בעובי 1.4mil .(1oz)
3. .(4mil 3 או mil- 2 (mil 3. תווך דיאלקטרי =3.3 בעובי מקובל של 2mil (ניתן לדרוש גם ב-3mil או 4mil)
4. שכבת מוליכים בעובי .(1oz) 1.4mil
5. שכבת כיסוי r =3.3 תהיה בעובי רגיל של 1mil (ניתן לדרוש גם בעובי 2mil) בנוסף לחמש שכבות אלו קיימות גם שתי שכבות חיצוניות לא אחידות של דבק.

מודלים אנליטיים
בספרות נמצאים מספר מודלים מתמטיים לחישוב אימפדנס אופייני בכרטיסי PCB קשיחים. המודלים עצמם אינם תואמים זה את זה ומגבלתם העיקרית נובעת מהעובדה שמודלים אלו פותחו עבור מעגלים קשיחים ובהתאם הם מניחים מבנה ועובי של שכבות אשר אינם מתאימים לצמה גמישה. על-כן יש להשתמש במודלים אלו בזהירות.

מבנה Microstrip

This equation is typically accurate to ±5% when the ratio of W to H is 0.6 or less. When the ratio of W to H is between 0.6 and 2.0, accuracy typically drops ±20%.

ההערה האחרונה הינה חשובה ביותר מכיוון שבצמה גמישה יתקיים תמיד ובתכן מקובל ערך זה עשוי להיות גבוה מ2-. אם כן, נוסחה זו אינה מדויקת ויכולה לשמש כחסם תחתון בלבד. כאשר המוליך עטוף גם הוא בחומר דיאלקטרי זהו מצב של Embedded Microstrip ואז יש להציב בנוסחה במקום .

קירוב אחר:

 

אלא שבמקרה זה מזניחים את עובי המוליכים ועל כן גם נוסחה זו אינה מדוייקת וניתן להשתמש בה כחסם עליון בלבד. תוכנת Veribest המשמשת כתוכנה הבסיסית באלאופ לעריכת מעגלים מכילה מודל פנימי לחישוב אימפדנס אופייני.
המודל אינו ידוע לנו בשלב זה, הוא נבדק אמפירית והתוצאות שנמצאו מוצגות להלן. מקור רביעי לחישוב אימפדנס אופייני למעגלי Microstrip הוא נתוני יצרן, חברת DUPONT במקרה זה, לחומר הנקראPYRALUX ומשמש ליצור הצמות.
ניתן לראות בצילום מתוך דף היצרן (איור 4)
הגרפים הבאים מציגים את תוצאות ארבעת המודלים עבור דיאלקטריקון בעובי2mil ו-

מבנה Stripline
מבנה Stripline הוא מבנה של מוליך בין שתי שכבות אדמה. למבנה זה יתרון מבחינת חסינות EMI וכן חסינות כנגד שינוי האימפדנס האופייני כתוצאה ממוליכים נוספים או מתכות (Chassis) בסביבה. האימפדנס האופייני המתקבל ממבנה זה הוא נמוך ועל כן איננו משתמשים במבנה זה. להלן הנוסחה הקלאסית לחישוב אימפדנס אופייני עבור כרטיסים קשיחים.

B = Distance between both reference planes
H = Distance between signal plane and reference plane
W = Width of the trace
Zo = Characteristic impedance (ohms)
T = Thickness of the trace
זאת כאשר מתקיימים התנאים הבאים:
W/(H – T) < 0.35
T/H < 0.25
גם כאן יש לשים לב כי התנאים לקיום הנוסחה אינם מתאימים לניתוח צמות ויש להתייחס לנוסחה זו כחסם בלבד.

Dual Stripline
זהו מקרה של שני מוליכים בין שני משטחי אדמה.

Where :
Zo = characteristic impedance (ohms)
W = width of the trace
T = thickness of the trace
B = distance between both reference planes
H = distance between signal plane and reference plane
εr = dielectric constant of the planar material
While:
W/(H – T) < 0.35
T/H < 0.25
ניתן להשתמש בנוסחה זו גם עבור מקרה של מוליך בודד בין זוג משטחים במרחקים שונים. במקרה זה יהיה H המרחק אל המשטח הקרוב ו-D-המרחק אל המשטח הרחוק.

הזנחת השפעת המשטח הרחוק
יתרונו הגדול של מבנה Stripline הוא הסיכוך שהוא מספק משני הצדדים אשר מונע קרינה מן הקו. מגבלתו העיקרית של מבנה Stripline היא בערכי האימפדנס האופייני שניתן להגיע אליהם ואשר נמוכים לעומת הערכים המתקבלים מקווי Microstrip. במטרה להשיג את אפקט הסיכוך הדו צדדי עם אפקט האימפדנס המכסימלי ניתן לבנות משטח אדמה בשכבה רחוקה מספיק כך שהשפעתה תהיה זניחה. להלן נבדוק מהי שכבה “רחוקה מספיק” ומתי מותר להזניח את השפעת המשטח הרחוק.
האימפדנס המכסימלי יתקבל עבור ערכו יהיה:

בפועל ניתן לבחור D גדול מספיק כך ש- Zo יהיה קרוב מספיק ל- באופן מעשי נבחר ונקבל מתוך הנוסחה לעיל:

בציור להלן אנו רואים את ערכו של ZO עבור ערכים שונים של D כאשר:
εr = 3.3
H = 4mil
T = 1.4mil
בתנאים אלו מתקבל:
Z∞ = 46.5 Ω

קווי תמסורת דיפרנציאלים
העברת אותות בקווים דיפרנציאלים היא הטכניקה המקובלת להעברת אותות ספרתיים מהירים למרחקים ארוכים. אותות בתקן Hot Link ,LVDS ,Ethernet ואחרים מועברים דרך קבע בדרך זו. יתרונה של שיטה זו הוא חסינותה היחסית לרעשי EMI מסוג .C.M קיימים קשרים ברורים בין אימפדנס של קו בודד לבין זוג דיפרנציאלי. הגרף להלן מציג את האימפדנס האופייני כתלות ב-D/h- עבור קו מטיפוס Microstrip דיפרנציאלי.

קווי תמסורת בלתי מתואמים
לצורך בדיקת המשמעות של קווי תמסורת בלתי מתואמים נבנתה תוכנית סימולציה המחשבת את האות המתקבל בקצה הקו. התוכנה מבצעת פעולת FFT
על האות, מכפילה אותו בפונקצית התמסורת של הקו ומתמירה אותו חזרה לציר הזמן.
כל הסימולציות להלן יודגמו עבור:
• אות שעון בתדר 100MHz
• קו באורך 5cm
• זמני עליה\ירידה 1nSec

חסינות האלקטרוניקה לחוסר תאום קו תמסורת
כפי שראינו עד כה, הידע והיכולת הטכנית הנוכחית אינם מאפשרים תכן קווי תמסורת בדיוק רב. משמעות הדבר כי תאום קווי התמסורת לא יהיה מלא, מה שיגרום לעיוותי האות כפי שראינו בדיון בסימולציות של קווי תמסורת. עתה נציג את נתוני היצרן לגבי יכולת התמודדות המערכות הנמצאות כיום בשימוש עם עוותי אות.

רמת הסף של אות LVDS היא ±100mV בעוד שרמת האות היא .±350mV
נובע מכאן שרמת החסינות לניחות היא כ-10db.

קווי Hot Link
מנתוני היצרן נובע שרמת החסינות לניחות היא מעל 20dB.

Ethernet
תקן Ethernet מגדיר את רמת היציאה הדיפרנציאלית של המשדר בתחום 450mV-1315mV ואת רמת הכניסה של המקלט כגדולה מ-160mV. מקדם הניחות המתקבל על פי נתוני היצרן הוא כ-10dB.

מסקנה
למערכות המיועדות לעבודה עם קווים דיפרנציאלים מהירים קיימים מקדמי בטחון לתופעות של הפסדים בקו. לא ברור מה מידת החסינות של מערכות אלו לעיוותים והשהיות פאזה.

קרינה
כל מוליך מהווה אנטנה הפולטת קרינה לסביבתה כאשר יעילות האנטנה היא פונקציה של אורך האנטנה יחסית לאורך הגל. מכסימום פליטה מתקבלת במוליך בגודל רבע אורך גל. מוליך כזה עשוי להתנהג בתנאים קיצוניים כאנטנת מוט בעלת אימפדנס כניסה 73Ω. בתדרים הגבוהים בהם אנו עוסקים אורכי הצמות הם מסדר גודל של רבע אורך גל. הטבלה הבאה מציגה את הקשר בין התדר לאורך הגל בסביבה דיאלקטרית εr=3.3.

עבור מוליך בעל זרם 1mA יהיה ההספק המקסימלי המוקרן:

הספק שהתקבל הינו הספק גבוה מאד. רק סיכוך של הקו מסוגל למנוע קרינה זו.

מסקנה
קו תמסורת חייב להיות מסוכך על-ידי שכבות אדמה משני צדדיו למניעת קרינה.
תודה מקרב לב לשבתאי שירן שבלי יוזמתו וסיועו לא היה מאמר זה יוצא לאור.
Eli Recht
Mr. Eli Recht has 37 years of experience in defense E3 (Eelectromagnetic Environmetal Effects) projects.
Mr. Eli Recht is a Member of the IEEE and the present Secretary of the Israeli IEEE EMC Chapter. He is the outer of many EMC papers and articles and speaker in many national and international conferences. Eli is narte emc certified engineer.