تتقلص الأجهزة الإلكترونية باستمرار، بينما تتزايد معدلات نقل البيانات باستمرار. لكي يمتثل المصممون لهذا الاتجاه، يجب أن يكونوا قادرين على دمج المزيد من الدوائر في مساحة أصغر مع الحفاظ على معدل نقل البيانات والموثوقية وسلامة الإشارة. يجب على المصممين أيضًا معالجة مشكلات تبريد الهواء والعزل المادي لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) قدر الإمكان.
يعد تكديس لوحات الدوائر المطبوعة (لوحات الكمبيوتر) طريقة شائعة لزيادة كثافة الدوائر. باستخدام اللوحات الفرعية واللوحات الفرعية الساندوتش، يمكن الحصول على مساحة أكبر للوحة الدائرة، أثناء إنشاء مسارات التبريد وعزل الإشارة.
توضح هذه المقالة بإيجاز التحديات المختلفة التي يواجهها مصممو الدوائر عالية السرعة. ثم قم بتقديم لوحة Wü rth Elektronik إلى موصلات اللوحة وشرح كيفية استخدام هذه الموصلات لتحقيق اتصالات إشارة موثوقة مع الحفاظ على سلامة الإشارة.
لوحة ساندويتش
يتكون تخطيط اللوحة العازلة من لوحتي دوائر متوازيتين مكدستين عموديًا، ومتصلتين كهربائيًا من خلال موصلات اللوحة إلى اللوحة (الشكل 1، اليسار).
لوحات دوائر مثبتة على أعمدة متعددة
الشكل 1: تُظهر الصورة اليسرى أمثلة على لوحات الدوائر المطبوعة المتعددة المثبتة على الساندويتش (PCBs)؛ يوضح الشكل الموجود على اليمين طريقة تركيب اللوحة الفرعية، والتي يمكن تركيبها من خلال الموصلات، أو تقنية التثبيت على السطح، أو أعمدة العزل الملولبة. (مصدر الصورة: Wü rth Elektronik)
هذا الترتيب من اللوحة إلى اللوحة الذي يتكون من لوحتين من الدوائر يوفر مساحة مادية أكبر للدائرة. يمكن استخدام هذا الهيكل لتحسين الكفاءة الحجمية، أو تحقيق قابلية التبادل، أو تشكيل عزل مادي لتحسين تدفق الهواء وتقليل التداخل الكهرومغناطيسي. يتم توصيل موصلات اللوحة إلى اللوحة مباشرة بلوحة الدائرة دون استخدام الكابلات. يمكن لموصل لوحة الساندويتش تحقيق ارتفاعات تكديس متعددة مع تباعد محدد للوحة. يمكن دعم لوحة الدائرة العلوية وتثبيتها بواسطة الموصلات، أو تثبيتها بتركيب سطحي أو أعمدة عزل ملولبة لتعزيز مقاومة الاهتزاز والتأثير (الشكل 1، يمين).
عوامل الاعتبار لسلامة الإشارة
تصف سلامة الإشارة كيفية تشويه الإشارات أو تخفيفها عند نقلها من لوحة دائرة إلى أخرى عبر الموصلات. بعض هذه التأثيرات، مثل مقاومة التلامس، مستقلة عن التردد ويمكن دمجها بسهولة في الحسابات وتصحيحها.
ومع ذلك، فإن معلمتي سلامة الإشارة الرئيسيتين المتعلقتين بالتردد هما معامل الانعكاس (ρ) ومعامل الإرسال (t) (الشكل 2). عادة ما يتم التعبير عن معامل النقل بالديسيبل (ديسيبل) باستخدام خسارة الإدراج. يحدث معامل الانعكاس (خسارة الإرجاع) بسبب انعكاس إشارات البيانات مرة أخرى إلى مصدر الإشارة عند مواجهة خطوات قيمة المعاوقة. يتم استخدام خسارة الإدراج لقياس التوهين في مسار الإرسال. كلاهما يعتمد على مقاومة الموصل (ZCAB) بالنسبة لمقاومة خط لوحة الكمبيوتر (Zs).
يعتمد كل من فقدان العودة وخسارة الإدراج على مقاومة الموصل
الشكل 2: يعتمد فقدان الإرجاع وفقدان الإدراج على مقاومة الموصل بالنسبة إلى مقاومة خط لوحة الكمبيوتر. (مصدر الصورة: Wü rth Elektronik)
سيؤدي فقدان الإرسال إلى تقليل سعة الإشارة التي تمر عبر الموصل ويتناسب مع طول المسار والبنية الهندسية للموصل. يمكن أن يتسبب الحديث المتبادل في النهاية القريبة (NEXT) أو الحديث المتبادل في النهاية البعيدة (FEXT) أيضًا في فقدان بعض الطاقة. يعد فقدان الإرجاع ومعامل الإرسال من المعلمات المعتمدة على التردد والتي تعتمد على الفرق بين مقاومة الموصل (المحاكاة ككابل) ومقاومة خط نقل لوحة الدائرة (يفترض أنها 50 Ω في هذا المثال). يتم تحديد معامل الانعكاس ومعامل الإرسال بواسطة الصيغ الموضحة.
يوضح الشكل 2 تباين هذه المعلمات مع مقاومة الموصل (الكابل). إذا كانت مقاومة الموصل 50 أوم، تكون خسارة العودة النظرية صفرًا ومعامل النقل 100%، مما يشير إلى عدم وجود خسارة. إذا انحرفت مقاومة الموصل عن 50 أوم، فإن التغييرات في المعلمات ذات الصلة ستكون متناسبة مع قيمة الانحراف وتردد مقاومة الموصل من 50 أوم. في الموصلات، تعتمد المعاوقة على المادة العازلة المستخدمة والبنية الهندسية للدبابيس، بما في ذلك العرض والطول والمسافة (التباعد). بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون لأسلاك المسامير المجاورة أيضًا تأثير عليها.
هناك نوعان من تكوينات الأسلاك الشائعة لنقل البيانات عالية السرعة (الشكل 3): أحدهما عبارة عن بنية ذات طرف واحد، حيث تتم الإشارة إلى إشارة البيانات إلى الأرض؛ نوع آخر هو الهيكل التفاضلي، والذي يستخدم خطين إشارة متكاملين، وسعة إشارة البيانات هي فرق الجهد بين خطي الإشارة. تُستخدم الإشارات التفاضلية لتقليل الضوضاء والتداخل على خطوط الإشارة المزدوجة. بشكل عام، يتم استخدام الإشارات التفاضلية للتطبيقات ذات معدلات البيانات الأعلى. عادةً ما يتم إقران إشارات البيانات بإشارات أرضية واحدة أو أكثر لتقليل التقاط الضوضاء.