электронная
234
печатная A4
577
12+
Разработка высокоскоростных печатных плат глазами инженера-схемотехника

Бесплатный фрагмент - Разработка высокоскоростных печатных плат глазами инженера-схемотехника

Сохранение целостности электрических сигналов

Объем:
96 стр.
Возрастное ограничение:
12+
ISBN:
978-5-0050-4028-2
электронная
от 234
печатная A4
от 577

Предисловие

Ошибка на каждом этапе разработки и производства электронной аппаратуры значительно увеличивает конечную стоимость опытных образцов, серийных изделий. При разработке высокоскоростных электрических схем ошибка часто бывает связана с недооценкой задачи сохранения целостности сигналов. За рубежом ее решением начали заниматься еще в 70—80 гг. прошлого века. Успехи в этой области позволили перейти от громоздких параллельных шин к современным последовательным интерфейсам. Благодаря этому появилось цифровое телевидение, интернет, спутниковая телефония.

В нашей стране, к сожалению, даже внутри крупных предприятий отсутствуют отделы, занимающиеся решением данной задачи. Только 1 марта 2015 г был введен в действие межгосударственный стандарт ГОСТ IEC 61188-1-2-2013 «Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение», идентичный международному стандарту IEC 61188-1-2:1998. В нем внимание разработчиков впервые обращено к серьезным требованиям, предъявляемым современной электронной промышленностью к разработке печатных плат. Межгосударственный стандарт появился только через 15 лет после выхода международного стандарта практически без изменений.

О чем эта книга

Данная книга является переработанным и дополненным изданием ранее опубликованной книги «Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов». В процессе общения с читателями в рамках различных форумов при обсуждении первой книги было принято решение написать и опубликовать новую статью с целью популяризации направления сохранения целостности сигналов среди радиолюбителей и профессионалов. Статья получила высокий рейтинг, массу положительных отзывов, была скопирована блогерами и до сих пор существует в открытой сети под названием «Разработка высокоскоростных печатных плат глазами инженера- схемотехника». Также был получен ряд замечаний и предложений, отреагировать на которые я попытался в данном издании.

Вы не увидите здесь сложной теории, формул, матричных методов описания линий передачи и СВЧ устройств. Я не открою здесь новых секретов обеспечения помехоустойчивости и повышения электромагнитной совместимости. Для этого есть много книг, написанных другими авторами [1 — 6].

Благодаря успешному практическому опыту работы инженером-схемотехником, изучению литературы по теме сохранения целостности сигналов, мне удалось собрать в одном издании ряд простых для понимания и повторения практических рекомендаций, которые хочу предложить Вашему вниманию.

В процессе работы на одном из предприятий электронной промышленности я понял, что инженерам конструкторам печатных плат часто не хватает знания основ схемотехники, радиотехники, электроники. Это мешает правильной расстановке приоритетов при принятии конструкторских решений. Именно для конструкторов печатных плат предназначена первая вводная часть этой книги. Информация о конструкции печатных плат, способах организации стека будет полезна, в свою очередь, инженерам-схемотехникам.

Главной задачей, которую решает разработчик линии передачи данных, является сохранение целостности сигнала на входе приемника после прохождения среды передачи, где могут быть искажены его частотные, амплитудные или временные характеристики.

Это значит, что форма напряжения не должна исказиться в приемнике после прохождения линии передачи, какой бы длинной и сложной она ни была.

На рисунках ниже показано (жирная линия — сигнал на выходе передатчика, тонкая линия — сигнал на входе приемника) к каким искажениям формы импульса может привести использование односторонней и двусторонней печатных плат, в которых волновые сопротивления проводников сильно отличаются от требуемого значения 50 Ом, которое принято на стороне нагрузки. В результате того, что волновое сопротивление проводника шириной 0,2 мм в односторонней плате толщиной 1,5 мм со слоями металлизации 50 мкм может иметь значение от 300 до 500 Ом (вместо необходимых 50 Ом), появляется значительное рассогласование. Это приводит к отражению электромагнитной волны от появившейся неоднородности, что становится причиной искажения сигнала, появления резонансов, потери энергии сигнала на излучение, перекрестных помех и негативного взаимного влияния на сигналы других линий передачи. В двусторонней печатной плате с аналогичными размерами волновое сопротивление может изменяться в пределах 200—300 Ом, что также сильно отличается от требуемых 50 Ом. Данный пример напомнит многим радиолюбителям «девяностых» стандартные односторонние и двусторонние печатные платы, в которых при разводке мало кто задумывался о таких понятиях, как волновое сопротивление, стек, однородность линии передачи.

Рис. 1 Фронт импульса в проводнике односторонней печатной платы (волновое сопротивление 300—500 Ом)

Рис. 2 Фронт импульса в проводнике двусторонней печатной платы. Волновое сопротивление равно 200—300 Ом)

Рис. 3 Фронт импульса после согласования линии передачи с источником сигнала (волновое сопротивление близко к 50 Ом)

В следующей главе представлен порядок действий по разработке и анализу конструкции печатной платы, который показывает круг задач, с которым приходится сталкиваться разработчикам сложных высокоскоростных устройств на этапе проектирования.

Порядок разработки печатной платы. Ключевые моменты

Если при прочтении данного списка у Вас не возникает вопросов, вы можете прекратить чтение и использовать данный список, как алгоритм разработки печатной платы. Если же ряд пунктов вызвал ваш читательский или профессиональный интерес, добро пожаловать на страницы моих книг серии «Высокоскоростные печатные платы». Если при первом прочтении непонятных терминов будет слишком много, сделайте паузу. Вернитесь к прочтению данной главы после изучения материала, предложенного далее.

Шаг 1

Неправильная конструкция печатной платы с ошибочными размерами, вырезами, точками крепления и другими производственно-технологическими параметрами неминуемо приведет к необходимости корректировки, даже если сама разводка будет выполнена идеально в плане прохождения всех возможных сигналов. Поэтому на самом начальном этапе проектирование печатной платы должно начинаться с прорисовки контуров, зон, запрещенных для разводки, точек крепления., выполненных в соответствии с чертежом постоянных данных. Чертеж постоянных данных разрабатывает конструктор корпуса будущего изделия на основании требований технического задания. При разработке высокоскоростных устройств может быть применен и обратный порядок действий. Сначала разрабатывается печатная плата и лишь потом корпус с корректировкой полученных в начале постоянных данных. Решение принимается совместно между разработчиками схемы и конструкции будущего устройства.

Шаг 2

Далее должен быть осуществлен выбор материалов платы, толщин слоев металлизации, диэлектрика, поперечных размеров одиночных проводников, дифференциальных линий. Это будет возможно только после задания волновых сопротивлений либо на основании требований стандартов, либо на основании информации о сопротивлениях источника сигнала и нагрузки, с которыми линия передачи должна быть согласована в первую очередь. В этом случае может быть организован режим бегущей волны, при котором вся энергия сигнала поглощается нагрузкой, становятся невозможны отражения и резонансы.

Шаг 3

Выбор и контроль волнового сопротивления должны обеспечить однородность линии передачи. В однородной линии передачи волновое сопротивление постоянно по всей ее длине, включая соединители, кабели, трассы печатной платы. Наиболее часто значение волнового сопротивления для одиночных линий передачи выбирается равным 50 или 75 Ом. Для дифференциальных линий передачи оно равно 90 или 100 Ом. Могут встречаться и другие значения волновых сопротивлений линий передачи в зависимости от сопротивления источника сигнала или сопротивления нагрузки (приемник сигнала, антенна и т.п.). Более того, вы можете выбрать нужное вам значение для решения конкретной задачи. Например, для согласования линии передачи с низкоомным выходом источника сигнала без установки согласующего резистора вы можете снизить волновое сопротивление линии передачи до близкого значения в 10 — 20 Ом. И чтобы ширина проводника при этом не увеличилась резко в несколько раз, по сравнению с шириной для линии с волновым сопротивлением 50 Ом, вы можете гибко изменить параметры стека, например, толщину слоя диэлектрика.

Шаг 4

На следующем этапе определяется стек печатной платы. В стеке задается порядок расположения слоев платы, значения толщин слоев металлизации и диэлектрика. Выбрав материал платы с известным значением диэлектрической проницаемости, зная требуемые значения волновых сопротивлений, с помощью специальных программ можно определить точные поперечные размеры линий передачи для каждого из классов сигналов. Для организации однородных линий передачи с постоянным по всей длине волновым сопротивлением требуется под каждым сигнальным слоем делать непрерывный опорный слой и не допускать появления неоднородностей в линии передачи. Слои питания также рекомендуется располагать рядом с опорным слоем с минимальным расстоянием между ними для увеличения образуемой их плоскостями емкости фильтрующего конденсатора. Стандартный стек печатной платы предполагает размещение сплошного опорного слоя рядом с сигнальным слоем (для формирования однородной линии передачи) и размещение слоя питания по соседству с опорным слоем (для формирования конденсатора, обкладками которого и являются слои питания и земли).

Шаг 5

Следующий важный момент, который должен быть выполнен до начала трассировки проводников — разделение всех цепей на классы.

Разделение цепей на классы может быть выполнено либо по скорости распространения сигнала, либо по волновому сопротивлению линий передачи, либо по длине проводников, либо по назначению проводников (например, класс шины данных).

Когда важно получить неискаженную форму сигнала, основным признаком разделения на классы является скорость изменения фронта сигнала или максимальная частота сигнала, которые определяют ширину полосы частот линии передачи. Зная эти параметры, можно оценить критическую длину линии передачи и для каждой группы цепей задать правило по максимальной длине, которая должна быть меньше критической. В этом случае эквивалентную схему линии передачи можно представить апериодическим звеном первого порядка, в котором невозможны колебания и резонансы.

Критическая длина линии передачи определяется как одна десятая от значения длины волны для верхней частоты полосы частот линии передачи.

Шаг 6

Зная длины проводников и скорость распространения электромагнитной волны в линиях передачи, можно оценить их собственные частоты резонансов. И далее сделать анализ на предмет расположения спектра сигнала относительно возможных частот резонансов. Это позволит вовремя принять решение о применении различных методов согласования для устранения влияния резонансов на форму сигналов.

Шаг 7

В сложной печатной плате даже при наличии большого количества слоев, призванных упростить разводку цепей, в линиях передачи невозможно избежать появления неоднородностей в виде ненагруженных ответвлений, Т-образных соединений, переходных отверстий, изгибов проводников. Можно постараться избежать неоднородностей, вызванных изменением ширины и толщины проводника, слоя металлизации, диэлектрика, разрывами опорного слоя. Это значительно проще, чем для первого ряда указанных выше неоднородностей.

Важно понимать, что неоднородности, в зоне которых волновые сопротивления до них и после них могут различаться более чем на 20% (коэффициент отражения Г по модулю больше 0,2), являются причиной отражений сигналов и искажений исходного сигнала. Кроме того, неоднородности делят линию передачи на отрезки с собственными частотами резонансов.

Если в линии заведомо присутствуют неоднородности, нужно приложить усилия, чтобы избежать их влияния на сигнал. Сделать это можно применением тех или иных способов согласования.

Наиболее часто применяется последовательное согласование, путем установки согласующего резистора на стороне источника сигнала. Но иногда параллельное согласование на стороне нагрузки более предпочтительно, поскольку не приводит к ограничению полосы частот линии передачи (последовательный резистор образует с емкостью линии передачи фильтр нижних частот, частота среза которого уменьшается при увеличении значения сопротивления или емкости).

Если неоднородностей много или они не прогнозируемы, лучшим способом устранить их влияние является двустороннее согласование линии передачи. Учитывайте, что в линию передачи входят соединители, кабели и другие конструктивные элементы.

Шаг 8

После выполнения представленных выше рекомендаций, проработки чертежа контура платы, на основании чертежа постоянных данных, организации стека платы, выполнения группировки сигналов по классам, можно переходить к размещению элементов.

Стандартное размещение предполагает установку вычислителей (микропроцессоров, микроконтроллеров, ПЛИС) в центре платы. Микросхемы памяти, связанные с вычислителями шинами, должны быть размещены на оптимальном расстоянии от вычислителей с учетом необходимости выравнивания проводников в шинах, их согласования, возможного разветвления. Тактовые генераторы также должны размещаться вблизи вычислителей для уменьшения длины трассы синхросигнала. Если генератор тактирует несколько устройств, его следует размещать на равном расстоянии между ними. При этом не рекомендуется делать ответвления от высокочастотной трассы. Правильнее применить различные буферы, разветвители. Интерфейсные приемопередатчики, цепи для подключения исполнительных устройств, элементов управления, индикации лучше размещать на периферии платы. Исключение составляют высокоскоростные интерфейсы, для которых длины линий рекомендуется делать максимально короткими.

Шаг 9

Если в процессе размещения элементов вы обнаружите, что реальные длины проводников, например, в шине данных, превышают критическую длину, либо увидите, что вместо ожидаемого одиночного переходного отверстия вы вынуждены сделать несколько отверстий, воспользуйтесь установкой согласующих резисторов и цепочек. Чтобы не делать это для всех линий, трассировку начинайте с самых критичных проводников, предварительно организовав классы по приоритетам.

Проще говоря, разводку платы начинайте с самых высокоскоростных трасс. В этом случае они получатся у вас самыми короткими, однородными, согласованными и гарантированно работающими.

Шаг 10

Разбейте все линии на одиночные и дифференциальные и используйте для них одинаковую ширину и зазоры в каждом отдельном слое. Это значительно упростит визуальный контроль выполненной разводки. Вы сможете быстро определить, все ли трассы одинаковы по ширине, что подтвердит, что все они имеют заданное волновое сопротивление.

Шаг 11

Кроме требований к форме сигналов существуют временные требования к максимально допустимому разбегу фронтов сигналов в шинах данных. После разводки критичных трасс переходите к размещению проводников шин данных, адреса, синхросигналов. Все проводники шин старайтесь разводить в одинаковых условиях. Они должны проходить через одинаковые слои в одинаковом порядке с использованием одинакового количества переходных отверстий. Выравнивание длин проводников в шинах с точностью до миллиметров не всегда является обязательным. Напротив, в СВЧ диапазоне созданные для выравнивания «змейки» в виде «меандров», «тромбонов» могут вносить серьезные неоднородности и стать причиной появления колебательных контуров, резонансов. При этом спектр сигнала может ограничиваться значением всего в несколько сотен мегагерц, а более высокочастотные резонансы станут причиной увеличения амплитуд верхних гармоник и искажения формы сигнала (выбросы, немонотонности фронта и спада импульса).

Шаг 12

Простое правило для оценки необходимой степени выравнивания проводников в шине заключается в том, что временной разбег «skew» фронтов сигналов в двух самых различающихся по длине линиях шины не должен превышать одной десятой от длительности самого короткого одиночного импульса.

,где ДОИ — длительность одиночного импульса

Также вы можете воспользоваться требованиями стандарта для выбранной шины или интерфейса. При этом учитывайте разную скорость распространения сигналов в разных типах линий передачи в зависимости от материала диэлектрика. Например, для микрополосковой линии передачи типовая задержка сигнала в одном сантиметре линии может составлять 60 пс. Если длительность импульса равна 1 нс (период для периодического сигнала равен 2 нс и частота равна 500 МГц), временной разбег не должен превышать 100 пс или 1,7 см. Для длительности импульса 5 нс (частота периодического сигнала равна 100 МГц) допустимый разбег длин проводников в шине может составлять уже 8,3 см.

Шаг 13

На примере шины данных можно показать актуальность определения критической длины линии передачи. Критическая длина линии передачи равна одной десятой от длины волны сигнала максимальной частоты спектра сигнала, распространяющегося в линии.

Длина волны определяется из выражения

,где V распр. — скорость распространения волны в среде, f сп. сигн. — верхняя частота спектра сигнала.

Скорость распространения сигнала V расп. для полосковых линий передачи может быть принята равной 1,5*108 м/с (для FR-4 с диэлектрической проницаемостью равной 4) и для микрополосковых линий может быть принята равной 1,7*10м/c. Подставив в формулу частоту спектра сигнала f сп. сигн., вы сможете определить значение длины волны и критическую длину линии передачи. Чтобы не попасть в ловушку, не путайте частоту сигнала в шине, выберем для примера 80 МГц и частоту спектра сигнала, которая определяется либо как частота пятой гармоники

,либо, исходя из времени нарастания фронта импульса

Бесплатный фрагмент закончился.
Купите книгу, чтобы продолжить чтение.
электронная
от 234
печатная A4
от 577