электронная
132
печатная A4
703
16+
Практические рекомендации по проектированию высокоскоростных печатных плат

Бесплатный фрагмент - Практические рекомендации по проектированию высокоскоростных печатных плат

Сохранение целостности электрических сигналов и электропитания

Объем:
134 стр.
Возрастное ограничение:
16+
ISBN:
978-5-0051-8944-8
электронная
от 132
печатная A4
от 703

Аннотация автора

Информация, предложенная в этой книге, посвящена разработке качественных печатных плат высокоскоростных устройств.

В марте 2015 г. в РФ был введен в действие межгосударственный стандарт ГОСТ IEC 61188-1-2-2013 «Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение», который по сути и содержанию очень напоминает международный стандарт IEC61188-1-2:199. В документе внимание разработчиков радиоэлектронной аппаратуры обращено на серьезные требования, предъявляемые радиоэлектронной промышленностью к проектированию высокоскоростных печатных плат. Предложен набор правил и рекомендаций для обеспечения выполнения требований сохранения целостности сигналов и питания.

Отечественная литература по данной тематике практически отсутствует. В различных ВУЗах нашей страны существуют методические пособия и общие материалы, преподаваемые в рамках курса «Радиотехника». Ряд статей, обычно переводных, можно найти в сети интернет. Некоторые работы зарубежных авторов по данной тематике перечислены в разделе «Список рекомендуемой литературы и указателей», представленном в конце книги.

В процессе практической работы инженером-схемотехником благодаря успешному завершению ряда проектов с высокоскоростными сигналами и тесному взаимодействию с инженерами-конструкторами печатных плат удалось применить и оценить достоинства и недостатки огромного количества правил трассировки проводников, предложенных в литературе, в сети интернет. В результате была сделана попытка понять электрофизические основы, сделать некоторые прогнозы и проверить результаты долгих исследований в реальных устройствах.

Огромную помощь в понимании электрофизических процессов и «проверке знаний» дала возможность применения систем моделирования, проектирования и анализа печатных плат HyperLynx SI/PI компании Mentor (A Siemens Business) и Sigrity фирмы «CADENCE Design Systems» как в предтопологическом режиме, так и в посттопологическом режиме после разработки конструкций плат до момента их изготовления. Познакомиться с программными продуктами вы сможете в разделе «Знакомство с пакетами моделирования и анализа целостности сигналов и питания».


В результате были опубликованы первые пробные книги которые, благодаря возможностям издательской системы «Ridero», смогли трансформироваться в данное издание.


При создании книги, при многочисленных переизданиях и переименованиях фактически одного и того же материала, накопленного в работе над проектами с максимальной полосой частот цифровых сигналов до нескольких гигагерц, отчетливо проявлялась методическая задача — как без сложных математических формул, отсутствия наглядных материалов продемонстрировать читателю, что понимание физических явлений в области одной из новых ветвей радиотехники «Сохранение целостности электрических сигналов и электропитания» не является сложным и может быть доступно даже начинающим радиолюбителям без специальной подготовки. В итоге книга была задумана как справочное пособие, что позволяет переходить к нужной главе независимо от порядка их следования. Для упрощения понимания материала в некоторые главы включены важные понятия из курса физики и электроники.


Книга поможет понять суть основных электрофизических процессов, причин появления и особенностей применения известных правил и методик разработки высокоскоростных печатных плат, что позволит почти интуитивно и в то же время точно применять их в зависимости от реальной проектной ситуации.


Для молодых начинающих радиолюбителей и конструкторов книга может стать справочным пособием по проектированию высокоскоростных печатных плат с набором правил «хорошего тона».


Курсивом в книге выделены фрагменты наиболее важные с точки зрения автора.

Благодарю руководство и сотрудников компаний Mentor (A Siemens Business) [11] и ООО «ПСБ СОФТ» — официального дистрибьютора фирмы «CADENCE Design Systems» в России [12] за помощь в создании книги и возможность познакомиться с программными продуктами HyperLynx SI, PI, Thermal и Sigrity для моделирования, проектирования и анализа печатных плат.


Благодарю сотрудников и выпускников кафедры «Радиотехника и Радиоэлектронные системы» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» и уважаемых коллег инженеров за важные замечания и рекомендации, часть из которых были учтены при создании книги.


Искреннюю признательность выражаю инженеру-конструктору Ленину Д. А., вдохновившему меня на попытку создания «настольного пособия для конструктора печатных плат» и моему другу, учителю, инженеру Прокурову А. С., оказавшему большую поддержку во время написания и редактирования книги.


Благодарю интернет издательство «Ридеро» — ООО «Издательские решения» за возможность делиться с читателем моим опытом и идеями.

Аннотация технического представителя компании Mentor (A Siemens Business)

В далеком 2014 году российское гик-сообщество всколыхнула публика­ция пользователя под ником @Biochemist на популярном среди инженеров и программистов ресурсе www.habr.com. Публикация называлась «Инже­нерная культура, которую мы потеряли» https://habr.com/ru/post/233851/ и представляла собой настоящий крик души работодателя, который решил нанять в штат молодого инженера-электронщика, вчерашнего выпускника технического вуза. Почтенный @Biochemist был до глубины души поражен тем фактом, что обладатели дипломов ведущих технических ВУЗов страны оказались не способны нарисовать диодный мост и ответить на вопрос, что такое триггер. Публи­кация вызвала бурное обсуждение, которое вышло далеко за пределы всемирной сети.


В курилках московских НИИ «бывалые» инженеры клеймили позором мо­лодых и заслуженных коллег, предлагая тем аналогичные задачи. Если те допускали ошибки, следовали горькие рассуждения о том, насколько всё плохо в отечественной электронике и как же мы теперь будем жить. Сам @Biochemist пришёл в итоге к выводу, что современный российский сту­дент технического ВУЗа к старшим курсам впадает в тяжёлую депрессию от непонимания, зачем ему нужен весь этот массив теоретических и неочевидно практических знаний. Обусловлено это, опять же, по мнению автора публикации, отсутствием спроса на инженеров-электронщиков со стороны реального сектора эконо­мики. И единственный способ заполучить в штат толкового работника — это взять студента на 2—3 курсе с ещё горящими глазами и давать ему ре­альные задачи, то есть совместить его обучение непосредственно с реаль­ной производственной практикой.


Возможно, скептически настроенный читатель подвергнет все вы­шеописанное критике. «Позвольте!» — заметит он. «Но ведь мы не зна­ем выборки, мы не знаем условий, которые предлагали молодым инжене­рам, мы не знаем, все ли ведущие ВУЗы были охвачены». Всё это, безусловно, так. Однако рассуждения уводят нас в сторону от основной мысли и, как следствие, от направленности данной книги. Вся проблематика состоит в том, что современный молодой специалист зача­стую действительно дезориентирован.


Для него совершенно не очевидны практические применения всего того массива знаний из области общей физики, электротехники, цифровой и аналоговой электроники, импульсной техники и ЗТТТ (зонной теории твёрдых тел).


Он совершенно искренне не связывает переходные отверстия и пара­зитную индуктивность, теорию четырехполюсников и S-параметры, витую пару и дифференциальные буферы микросхем. И, на мой взгляд, это боль­шой недостаток современной системы обучения, который нам, российским инженерам, жизненно необходимо преодолеть в ближайшие годы.


Другой аспект дезориентации специалиста состоит в том, что он попа­дает, как говорится, «с корабля на бал». Он только что изучил, фигурально выражаясь, все свойства кирпича и бетона, имеет за плечами курсовую о влиянии геометрии арматуры на тепловое распределение панельных по­строек, и вдруг попадает на реальную стройку, где ему дают раствор, кирпич, мастерок и говорят: «Строй!». «Позвольте», — говорит молодой инженер. «Но как же… Нас этому не учили». На что седоусый прораб резко отвечает, что учить его некогда, что нужно работать, выполнять план, иначе сорвут­ся сроки.


Всё это не может не вогнать нэофита в ещё большее уныние, и данная проблема является комплексной. Тут и отрыв вузовской про­граммы от реальных потребностей производства и экономики, и формаль­ный подход к производственной практике, и перекос в количестве учебных часов в сторону теории. Что же остаётся молодому специалисту в этой си­туации?


Его спасает только самообразование. Долгие часы за книгами, многие сотни видео на Youtube (Логос, благослови цивилизацию, что такие возмож­ности сейчас у нас есть!) Всё это вдобавок к основной работе, в которой тоже следует разбираться вдумчиво, не стесняясь учиться у старших товарищей по ремеслу, и методом проб и ошибок выстраивать свою дорогу.


Вот тут мы приходим к третьей и очень важной проблеме российской электроники. Ни для кого не секрет, что сложность печатных плат и микро­схем растёт год от года. Появляются новые интерфейсы, растут частоты, скорости передачи информации. Появляются новые подходы к трассиров­ке, анализу и технологии изготовления печатных плат и кристаллов. А глав­ное — сохраняется тенденция к миниатюризации, что в конечном итоге не может не привести к неизбежному взаимовлиянию высокоскоростных цепей друг на друга.


Так вот, проблема именно российского рынка электро­ники состоит в том, что литературы на русском языке по проблемам высо­кочастотного проектирования и целостности сигналов чрезвычайно мало. Все новые статьи и книги традиционно выходят на английском языке, что является для многих российских инженеров тяжелым психологическим ба­рьером.


В контексте всего вышесказанного книга А. В. Трундова является настоящей находкой для инженера-электронщика, желающего са­мостоятельно освоить благородное искусство «черной магии» — искусство анализа целостности сигналов на плате, но не знающих, как к этой страш­ной бездне подступиться. Не скрою, я получил истинное удовольствие от прочтения рукописи Ан­дрея Васильевича, несмотря даже на свой обширный опыт проектирования и анализа печатных плат. И вот почему.

Автор замечательно комбинирует теоретические выкладки с их практическим применением, создавая имен­но те «ментальные мостики», которых так не хватает молодым специали­стам. Уже с первых глав к читателю приходит понимание того, как именно физические основы из курса электромагнетизма влияют на аспекты трассировки печатных плат. Отдельно хочется отметить иллюстративный материал. Визуали­зация аспектов схемотехники и сопутствующей трассировки очень важна именно в комплексе, что блестяще реализовано в описываемой работе. Автор предоставляет пытливому читателю большое число таблиц, кото­рые будут весьма полезны в повседневной практике. Например, зависи­мость частоты последовательного/параллельного резонансов в различных типах линий передач от длины линии.


Основная ценность книги — структурированный личный опыт. Пошаго­вые советы будут очень полезны как молодым инженерам, так и специали­стам, чей опыт лежит в плоскости несколько отличной от трассировки и анализа PCB. Например, библиотекарям или схемотехникам. Под библио­текарями я подразумеваю не только инженеров, которые создают библио­течные элементы для печатных плат, но и специалистов по Spice, AMS, IBIS и Valydate моделированию.


Читателя не должно ни в коей мере смущать то, что автор приводит в пример скриншоты из старой версии HyperLynx 9.2. Текущая версия про­дукта называется HyperLynx SI, PI, Thermal VX2.6. Она, конечно, значитель­но отличается в лучшую сторону от своего «предка», однако приведённые в книге пути анализа никуда не исчезли. Изменилось только относитель­ное месторасположение некоторых меню. Следовательно, разобраться в новой версии у пользователя не составит труда.


Гораздо важнее то, что автор находится в негативной информационной среде, которую рос­сийские компании, к сожалению, унаследовали от СССР. И дело здесь не в том, что советская инженерная школа была в чем-то плоха. Она была великолепна. Проблема в том, что наследие устаревших подходов и ГОСТов никак не может адаптироваться к вызовам современ­ного мира. В частности, читатель не найдет в данной работе руководства по анализу S-параметров, несмотря на то, что это острие, настоящий «мейнстрим» современной науки о целостности сигналов. Надеюсь, этот недочёт сможет в ближайшее время восполнить Ваш покорный слуга.


Поэтому, призываю Вас посещать веб-сайты:


https://www.mentor.com


http://www.xpads.ru/


,где в скором времени будут в большом количестве появляться мои ве­бинары по данной тематике.


С уважением, ведущий технический консультант, PCB, технический представитель компании Mentor (A Siemens Business) в России, Турции, Пакистане и на Ближнем Востоке

Никеев Кирилл Михайлович.

Предисловие

Еще в 80—90е годы прошлого века многие радиолюбители изготавливали свои устройства на макетных платах или навесным монтажом на куске картона или стеклотекстолита. В 90-е годы за рубежом, а затем и в нашей стране, радиолюбители и инженеры все чаще могли видеть сложные многослойные печатные платы в телевизорах, принтерах, компьютерах, магнитофонах. Их появление было обосновано увеличением плотности монтажа, количества цепей и было связанно с общей тенденцией миниатюризации.

Современные печатные платы уже нельзя рассматривать только как «набор проводников и компонентов». Их следует проектировать и анализировать как подсистемы, интегрированные в сложные системы приборов, изделий. Правила обеспечения целостности сигналов и питания, раскрытые в данной книге, требуют организации в печатной плате однородных линий передачи и эффективной системы электропитания для гарантированной передачи сигнала в форме электромагнитной волны из источников в приемники, которыми являются контакты микросхем.

Сохранение целостности электрических сигналов для разных стандартов

Можно заметить, что из современных стандартов сигналов в микросхемах микропроцессоров, микроконтроллеров, ПЛИС наиболее часто используется КМОП стандарт с типовым временем нарастания фронта импульса равным 1 нс. Сигналы ТТЛ и синфазные сигналы других стандартов применяются реже. Даже при относительно низкой скорости передачи данных в несколько мегабит в секунду из-за высокой скорости нарастания фронта импульса расчетное значение верхней частоты полосы пропускания линии передачи для КМОП импульсов составляет от 350 МГц до 450 МГц. Для более высокоскоростных стандартов время нарастания/спада фронта импульса может составлять сотни пикосекунд и менее, что заставляет рассматривать характеристики линии передачи уже в полосе частот до нескольких гигагерц.


Таким образом, несмотря на относительно низкую скорость передачи данных в «низкоскоростных» интерфейсах, верхняя граница полосы пропускания линии передачи может составлять сотни мегагерц и даже единицы гигагерц. Длина волны при этом становится соизмерима с длиной проводника, что требует рассматривать его как линию передачи с распределенными параметрами, внутри которой распространяется не электрический ток, а электромагнитная волна. Изучить основные характеристики линии передачи вы сможете в разделе «Линия передачи печатной платы».

Главным условием передачи всей энергии сигнала из источника в нагрузку (приемник) в соответствие с теоремой передачи полной мощности является условие равенства их сопротивлений. Главным условием неискаженного распространения волны является однородность линии передачи. Как вы узнаете далее, единственным условием, определяющим однородность линии передачи, является постоянство по всей длине значения ее волнового сопротивления. Между участками линии передачи с разными значениями волнового сопротивления возникают неоднородности емкостного и индуктивного характера, которые приводят к возможности отражения волны, что становится причиной искажений формы импульсов, возникновения резонансов, излучения энергии. Понять причины возникновения неоднородностей и научиться находить их в любой линии передачи вы сможете после изучения главы «Неоднородности линии передачи».

Практически для всех интерфейсов с относительно низкой скоростью передачи данных (RS-232, RS-422, RS-485, SPI, JTAG, USB2.0 FS) действуют одинаковые правила сохранения целостности сигналов и питания, определяемые скоростью нарастания/спада прямоугольных импульсов. Поэтому при проектировании печатной платы почти не имеет значения, с каким именно стандартом приходиться работать. При переходе в диапазон СВЧ появляется необходимость дополнительно учитывать неоднородности диэлектрика, потери в диэлектрике и проводнике, коэффициенты отражения и выраженные через них коэффициенты бегущей и стоячей волны, резонансы несогласованных участков линий передачи, излучения электромагнитных волн, а также перекрестные наводки емкостного и индуктивного характера. Влияние случайного и детерминированного джиттера на положение импульсов на временной оси, составляющих десятки и сотни пикосекунд, для различных линий интерфейсов и шин становится существенным и почти непреодолимым препятствием при длительностях импульсов в сотни пикосекунд и менее (частота сигналов от 1 ГГц и выше). Джиттер не оказывает влияния на форму отдельного импульса, но фактически определяет работоспособность интерфейса передачи информации, которую можно оценить по «глазковой диаграмме».


Нельзя не учитывать и разную скорость распространения сигналов в разных типах линий передачи, особенно при проектировании последовательных или параллельных интерфейсов. Правила выравнивания проводников в шинах, правила снижения перекрестных наводок, правила обеспечения целостности электрических сигналов и организации электропитания объединены в разделе «Практические рекомендации».

Некоторые важные и «проверенные временем» рекомендации по разработке конструкций печатных плат представлены в разделе «Порядок разработки печатных плат».

В разделе «Знакомство с пакетами моделирования и анализа целостности сигналов и питания» вы сможете получить информацию о программных пакетах двух «конкурирующих» производителей программ мирового уровня, представленных отечественными дистрибьюторами, профессионалами, к которым вы сможете обратиться за дополнительной информацией при решении конструкторских задач [11, 12].

Линия передачи печатной платы

Линия передачи — это ограниченная (проводная, волноводная) среда распространения сигнала. Линия передачи — это конструкция или система, обеспечивающая направленное движение электромагнитной волны от источника сигнала к его приемнику. Оптическая линия передачи ограничивает распространение волны границей разделения сред и не будет рассматриваться в данной книге, поскольку больше имеет отношение к кабелям, чем к платам. Сигнальные трассы печатных плат относятся к проводным линиям передачи.

Рис. 1 Линия передачи печатной платы

Чем же отличается линия передачи от обычного электрического проводника? В проводниках рассматривают протекание электрических токов под действием электрических напряжений. Распространение сигнала в линии передачи можно представить как распространение электромагнитной волны.

Чтобы понять, как конструктивно организована линия передачи и от чего зависят ее параметры, нужно подробнее рассмотреть понятие электромагнитная волна. Затем мы рассмотрим эквивалентные электрические схемы линии передачи, различные типы конструкции и их основные характеристики, влияющие на распространение электромагнитной волны. Важно обратить внимание и на цифровой сигнал, импульс прямоугольной формы и понять взаимосвязь между формой сигнала на экране осциллографа и его энергетическими, частотными и временными характеристиками.

Электромагнитная волна

Электромагнитная волна создается вокруг проводника с переменным электрическим током. Сначала формируется магнитное поле, которое порождает электрическое поле, и процесс повторяется. В результате электромагнитная волна распространяется в свободном пространстве. Если рассматривать не проводник, а линию передачи, которая образована проводником и опорным слоем печатной платы или экранирующей оплеткой кабеля, электромагнитная волна может распространяться в слое диэлектрика, при этом электрическая составляющая поля будет распространяться между сигнальным проводником и земляным слоем (или оплеткой кабеля), а магнитная составляющая поля будет распространяться вокруг данной конструкции. В дифференциальной линии передачи электрическая составляющая поля распространяется между двумя проводами с сигналами разной полярности.

Электрическое поле

Вокруг неподвижного электрического заряда создается неподвижное электрическое или электростатическое поле. Если попытаться изобразить электрическое по­ле заряженного шара, будет нечто, похожее на колючего морского ежа. Острия стрелок будут направлены от шара, что бу­дет показывать, что в шаре сосредоточен электрический заряд и его потен­циал выше потенциала окружающего пространства. Электрическое поле, как и электрический ток, всегда распространяется в сторону наименьшего потенциала или в сторону меньшей напряженности поля. Изобразить электрическое поле в разных случаях можно, как показано на рисунке ниже.

Рис. 2 Электрическое поле вокруг заряженного шара, проводника с током и между обкладками заряженного конденсатора

Энергию электрического поля на рисунке характеризуют векторы напря­женности E. Их число или «плотность размещения» на единицу площади или объема определяют амплитуду напряженности, а направле­ние показывает «рельеф» электрического поля.

Магнитное поле

Вокруг проводника с электрическим током возникает магнитное поле, которое можно представить в виде окружностей силовых линий, расположенных вокруг пути протекания тока. Направление «вращения» силовых линий магнитного поля определяется по правилу «правой руки». Если изобразить руку, которая обхватила провод, и большой палец будет показывать направление тока, другие пальцы покажут направление «закручивания» силовых линий.

Рис. 3 Правило правой руки для определения направления силовых линий магнитного поля

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B, направленный по касательной к силовым линиям магнитного поля или вектор напряженности магнитного поля H, направление которого в вакууме совпадает с направлением вектора B. Если векторы магнитной индукции в точках некоторой области или объема имеют одинаковое направление, поле называется однородным.


Набор одинаково направленных векторов магнитной индукции, распределенный по некоторой области пространства, называется магнитным потоком Ф. Магнитные потоки различных полей могут взаимодействовать между собой в соответствии с их направлением.


Если рядом расположить два проводника и пропустить через них электрический ток в одном или разных направлениях, проводники будут отталкиваться или притягиваться друг к другу. Их взаимодействие будет осуществляться через созданные током магнитные поля. Возникнет сцепление двух потоков, сформированных сонаправленными векторами магнитной индукции, что может являться иллюстрацией перекрестной наводки между соседними линиями передачи, обусловленной только наличием магнитной связи.

Как и линии напряженности электрического поля, линии напряженности магнитного поля, их число на единицу объема, показывают величину и рельеф магнитного поля. Если нарисовать векторы магнитной индукции по касательной к силовым линиям магнитного поля в центре витка с током, все они будут совпадать по направлению и суммарная величина магнитного потока, созданного такими векторами, будет равна сумме величин всех векторов в данной точке пространства. То есть, концентрация векторов и магнитный поток в центре витка с током будет иметь максимальное значение.

Рис. 4 К определению магнитного потока

Энергия магнитного поля определяется из выражения

На рисунке вы можете видеть, чем отличается магнитное поле вокруг прямого проводника с током от магнитного поля вокруг изогнутого проводника с током.

Рис. 5 Повышение концентрации векторов B в центре изгиба проводника

Магнитный поток, созданный в месте изгиба проводника с током, имеет большее значение, чем магнитный поток, созданный рядом с прямым проводником благодаря «повышенной концентрации векторов магнитной индукции». Это хорошо иллюстрирует само понятие индуктивности, способной накапливать магнитную энергию. Также это хорошо объясняет понятие индуктивной неоднородности в месте изгиба проводника.


Можно запомнить, что


Электромагнитная волна характеризуется векторами напряженности электрического поля Е и векторами напряженности магнитного поля H, которые расположены по касательной к силовым линиям магнитного поля.

Электромагнитное поле

Если сила тока и его скорость в проводнике меняются (например, в местах прохождения фронта или спада прямоугольного сигнала), вокруг проводника возникает переменное магнитное поле, которое создает (порождает вокруг себя) переменное электрическое поле. Такое взаимодействие приводит к появлению электромагнитного поля.

Рис. 6 Формирование электромагнитной волны

В вакууме направление и величина напряженности магнитного поля H и вектора магнитной индукции B совпадают. В общем случае справедливо выражение.

,где µ0 = 4π*10—7 Гн/м — магнитная постоянная, µ — магнитная проницаемость среды.


Вектор напряженности электрического поля перпендикулярен вектору напряженности магнитного поля. Вектор Умова-Пойнтинга П, равный векторному произведению векторов электрической напряженности E и магнитной напряженности H, показывает количество энергии и направление распространения электромагнитного поля. На рисунке выше векторы показаны только в одной точке пространства.

Если изобразить распространение волны для фронта прямоугольного импульса, волна будет излучаться от проводника в окружающую среду и будет перемещаться по ходу движения фронта сигнала по проводнику с током.

Рис. 7 Электромагнитное поле, сформированное фронтом импульса в проводнике

Электромагнитные волны способны накладываться друг на друга. Такое явление называется интерференцией. Электромагнитные волны способны огибать препятствия, если размеры препятствий соизмеримы с длиной волны или меньше длины волны. Такое явление называется дифракцией. Электромагнитные волны способны наводиться на проводники, формируя в них вихревые токи. Такое явление называют поглощением. Если проводник или проводящая поверхность не заземлены, они могут стать источником вторичного излучения. В этом случае волна будет переизлучаться или отражаться.

Электромагнитная волна в ближнем и дальнем поле

Величины электрического поля и магнитного поля убывают с увеличе­нием расстояния от источника сигнала. Различают распространение электромагнитной волны в ближнем по­ле и дальнем поле. Граница lгр между полями определяется выражением

Энергия переменного электрического или магнитного поля в ближней зоне убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника до точки наблюдения. Импеданс поля в ближней зоне определяется отношением электрической и магнит­ной составляющих источника этого поля.

Характеристическое сопротивление свободной среды (в дальней зоне) составляет 377 Ом. Поскольку электромагнитная волна распространяется в сторону поля с меньшей напряженностью, если в зоне распространения она встретит проводящую поверхность, значительная часть ее энергии будет поглощаться, рассеиваться в виде тепла и переизлучаться этой поверхностью. При соединении данной проводящей поверхности с землей, энергия излучения будет снижена до минимального значения. На этом принципе основано электрическое экранирование.

Понятие линии передачи

Вернемся к определению линии передачи печатной платы. Линия передачи организована сигнальным проводником, опорным земляным слоем и диэлектриком между ними. Линии напряженности электрического поля сконцентрированы между сигнальным проводником и опорным слоем, аналогично их расположению в обычном конденсаторе. Но в конденсаторе происходит накопление энергии электрического поля, в то время как в линии передачи происходит распространение порции энергии электрического поля от источника сигнала в приемник с каждым фронтом цифрового импульса. Одновременно происходит распространение энергии магнитного поля, изобразить которое можно силовыми линиями магнитного поля в виде окружностей, закрученных вокруг сигнального проводника по правилу правой руки. В свою очередь магнитное поле способно порождать электрическое и вокруг проводника в свободное пространство может происходить распространение электромагнитной волны.


Запомните, что:


1. Линия передачи в отличие от простого проводника — это структура, организованная сигнальным проводни­ком, опорным слоем (экраном кабеля и т.п.) и диэлектриком между ними, внутри которого и распространяется электромагнитная волна.

2. Фронт импульса можно представить мгновенным снимком «порции энергии», выраженной через векторы напряженности электрического Е и силовые линии (или линии напряженности H) магнитного поля.

3. Порция энергии источника цифрового сигнала, выраженная в местах его фронта и спада через «мгновенный снимок» напряженностей электрического и магнитного поля, должна без искажений дойти до приемника и быть правильно «распознана» для точного восстановления передаваемой информации.

4. Искажения могут произойти как в самой линии передачи из-за наличия потерь в проводнике и диэлектрике, неоднородностей, отражений, резонансов, излучений, так и из-за влияния внешних помех, перекрестных наводок соседних линий передачи.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал является носителем информации. Основная задача системы передачи информации — обеспечить неискаженную передачу цифровых сигналов из источника в приемник. Приемник должен правильно «распознать» логические нули и единицы (в двоичной системе счисления) для восстановления сигнала, претерпевшего искажения в линии передачи. Важно знать основные характеристики прямоугольного импульса напряжения, причины, приводящие к искажению импульсов и построить систему передачи так, чтобы либо предотвратить или уменьшить эти искажения, либо восстановить сигнал по некоторым критериям.


В книге под цифровым сигналом определен одиночный прямоугольный импульс напряжения или последовательность прямоугольных импульсов [7]. Основными параметрами идеального прямоугольного импульса являются длительность и амплитуда. В многопроводных интерфейсах может быть добавлена третья характеристика — положение импульса на временной оси, а также отклонение фронта и спада импульса от «ожидаемых» значений, называемое джиттером.

Изменение напряжения из состояния логического нуля в состояние логической единицы (фронт) и наоборот (спад) в идеальном импульсе происходит за временной интервал с нулевым значением, в результате чего скорость изменения фронта/спада импульса стремится к бесконечности.

Рис. 8 Идеальный прямоугольный импульс напряжения

Данная математическая модель в реальности не достижима из-за наличия конечного выходного сопротивления источника сигнала R, суммарной емкости С передатчика, приемника и линии передачи и ограниченной мощности источника. Заряд емкости C через сопротивление R происходит за время 2,2RC. То есть, на экране осциллографа при достаточной временной развертке мы увидим некоторое затягивание во времени фронта и спада импульса. И вместо прямоугольного импульса получится трапецеидальный импульс напряжения.

Рис. 9 Трапецеидальный импульс напряжения

Форму фронта, спада и площадки импульса на выходе источника определяет схемотехника выходного каскада и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) передатчика.

С учетом характеристик линии передачи и входных цепей приемника форма импульса может быть искажена как в области фронта/спада, так и в области площадки. При прохождении через линию передачи импульс задерживается на некоторое время, что приводит к его сдвигу на временной оси.

Пологий фронт говорит о спаде АЧХ тракта передачи в области верхних частот. Искажения на фронте (нелинейность или немонотонность фронта, выбросы) свидетельствуют об отражении сигнала от неоднородности и возможных резонансах в области верхних частот. По периоду резонансного колебания в любой части импульса можно определить частоту резонанса на частотной характеристике линии передачи.

Рис. 10 Искажения формы импульса из-за резонанса на АЧХ линии передачи

Импульс прямоугольной (трапецеидальной) формы, его математическое описание или функция изменения напряжения от времени при помощи ряда Фурье может быть представлен геометрической суммой (рядом) синусоидальных сигналов с разными коэффициентами, которые называют гармониками или спектральными составляющими основного сигнала. Проще говоря, прямоугольный импульс или любой импульс сложной формы можно представить суммой гармоник или спектром гармоник.


Преобразование Фурье позволяет перенести информацию о параметрах импульса из временной области (форма сигнала) в частотную область (спектр сигнала). Обратное преобразование обеспечивает «перенос информации» о параметрах импульса из частотной области во временную область.


Так, зная об изменении амплитуды одной или нескольких гармоник вследствие частотных искажений в линии передачи, можно сделать однозначный вывод об изменении формы импульса при рассмотрении его на временной оси.

Рис. 11 Форма импульса при сложении первых пяти гармоник

Частота каждой последующей гармоники отличается от частоты первой гармоники в целое число раз. Энергия прямоугольного импульса распределена по нечетным гармоникам. Для других сигналов спектр будет иметь другой вид. Важно понять, что спектр, в данном случае, бесконечен, но основной вклад в форму и энергию сигнала вносят первые несколько гармоник. Обычно учитывают первые пять гармоник.


Одна гармоника — это синусоидальный сигнал. При сложении первых пяти гармоник получится сигнал с формой, близкой к прямоугольной. Именно поэтому ширина полосы частот линии передачи также должна быть минимум в пять раз шире частоты периодической последовательности импульсов.


Для определения ширины полосы частот линии передачи, необходимой для неискаженной передачи одиночного импульса с заданным временем нарастания фронта t нар, можно использовать соотношение

f в = 0,35/t нар

,где fв — верхняя или граничная частота полосы пропускания.


Если уровень сигнала на входе приемника превышает порог логической единицы, приемник распознает его как «единицу». Если уровень сигнала на входе приемника ниже уровня логической единицы, приемник распознает его как «нуль».

Рис. 12 Пороги срабатывания приемника

Для стандарта КМОП уровень логической единицы соответствует значению 70% от уровня максимального напряжения на выходе источника сигнала (2,2—2,4 В и выше при напряжении питания 3,3 В). Уровень логического нуля соответствует значению 30% от уровня максимального напряжения (0—1,0 В).

Если сигнал на входе приемника имеет немонотонный (нелинейный) фронт или спад, он может несколько раз пересекать пороги срабатывания приемника, что приведет к появлению ложных сигналов на его выходе. Именно поэтому монотонность или линейность фронта/спада импульса является одной из важнейших характеристик.

Рис. 13 Ложное срабатывание приемника

Типы линий передачи

Скорость распространения электромагнитной волны в линии передачи определяется типом диэлектрика и его электрической проницаемостью. Через воздушную среду с электрической проницаемостью близкой к единице при отсутствии магнитных полей волна проходит практически без преломления, как луч света через прозрачное стекло. В воздухе скорость распространения электромагнитной волны близка к скорости света. В коаксиальной линии передачи с воздушной средой в качестве диэлектрика волна распространялась бы со скоростью света, если бы данный тип линии был физически реализован.


Линии передачи разделяются на типы по конструкции.

Рис. 14 Типы линий передачи
(затемненные области — токопроводящие материалы линий передачи, светлые области — диэлектрик)

Практически во всех представленных линиях передачи энергия сигнала сосредоточена между сигнальным проводником и опорной экранирующей оболочкой.


В коаксиальном кабеле есть центральный сигнальный проводник, вокруг которого расположен слой диэлектрика и внешняя экранирующая оболочка.


Твин- и квадраксиальные кабели состоят из набора двух и четырех коаксиальных линий соответственно, причем нормированным в них является не синфазное, а дифференциальное волновое сопротивление.

В микрополосковой линии передачи сигнальный проводник расположен в одном из внешних слоев платы, а опорный слой расположен в ближайшем соседнем внутреннем слое.

В полосковой линии передачи сигнальный проводник находится в одном из внутренних слоев печатной платы и со всех сторон окружен материалом ее диэлектрика. Если толщина слоя диэлектрика с обеих сторон одинакова, такая линия называется симметричной. Если толщина диэлектрика с одной стороны сигнального проводника меньше, чем с другой, линия называется полосковой асимметричной линией передачи.

В дифференциальных линиях передачи энергия электромагнитной волны сосредоточена между проводниками сигналов положительной и отрицательной полярности и наличие экранирующей оболочки не всегда является обязательным требованием.


Важно отметить, что скорость распространения волны в дифференциальной линии передачи в большей степени определяется электрической проницаемостью среды, расположенной между ее проводниками. Это справедливо для двухпроводной, твинаксиальной и полосковой дифференциальной линии передачи.

В микрополосковой дифференциальной линии передачи с одной стороны от проводников расположен слой диэлектрика печатной платы, в то время как с другой стороны находится воздушная среда. Коэффициенты электрической проницаемости воздуха и диэлектрика платы различаются и большая часть энергии сигнала распространяется с «воздушной» стороны из-за меньших потерь в диэлектрике.

Таким образом, скорость распространения волны для микрополосковой дифференциальной линии передачи оказывается выше, чем для полосковой линии передачи, поскольку последняя со всех сторон окружена диэлектриком печатной платы, имеющим больший коэффициент электрической проницаемости, а значит и большие потери.


Из этого можно сделать важный вывод.


Если часть линий, например, параллельной шины данных, развести в печатной плате с использованием полосковых линий передачи, а другую часть линий выполнить с использованием микрополосковых линий передачи, моменты времени, в которые сигналы в разных линиях достигнут приемника, могут значительно отличаться даже при строгом выравнивании физических длин линий в печатной плате и кабелях до единиц и долей миллиметра.

Примеры распределения напряженности электрического и магнитного поля в линиях передачи

На рисунках ниже показаны линии напряженности электрического поля (выходящие из сигнального проводника) и силовые линии магнитного поля (расположенные вокруг сигнального проводника). С помощью рисунков вы можете увидеть мгновенный снимок той порции энергии, которая в данный момент в данном месте линии передачи печатной платы распространяется от источника в сторону приемника.


Представьте, что это и есть фронт импульса высокоскоростного интерфейса и многие, казавшиеся до сих пор сложными вопросы, возможно значительно упростятся.


Линия передачи здесь выглядит как туннель, внутри которого распространяется электрическая энергия, вокруг которого одновременно с фронтом волны или фронтом сигнала в виде окружностей движутся силовые линии магнитного поля, и далее, выйдя из ближней зоны, во все стороны пространства «расходится» электромагнитная волна. И если линия передачи однородна, выход электрической энергии за границы сечения линии передачи незначителен, основная часть энергии переходит из источника сигнала в приемник во всей полосе частот, что гарантирует минимальные искажения амплитуд гармоник, из которых и образуется форма сигнала, которую мы можем видеть на экране осциллографа.


Если соседние линии передачи расположены на расстоянии 3d (d — ширина проводника), внутри которого сосредоточена большая часть линий напряженности электрического поля, перекрестные наводки в них будут минимальны, поскольку линии напряженности соседних линий передачи практически не будут взаимодействовать между собой.

Рис. 15 Микрополосковая линия передачи
Рис. 16 Несимметричная полосковая линия
Рис. 17 Дифференциальная микрополосковая линия переда­чи

Достоинства дифференциальных линий передачи

Энергия электрического поля электромагнитной волны в дифференциальных линиях передачи сосредоточена между ее проводниками. Вокруг них формируются силовые линии магнитного поля с разным направлением вращения, что приводит к взаимной компенсации векторов напряженности магнитного поля и значительному снижению уровня собственных излучений, поскольку при компенсации магнитных составляющих будут ослаблены и порождаемые ими электрические составляющие электромагнитного поля.


Дифференциальный приемник срабатывает на разницу напряжений в проводах положительной и отрицательной полярности и имеет значительный коэффициент ослабления синфазных составляющих (КОСС) помех, которые в каждом отдельном проводнике дифференциальной пары близки по амплитуде и имеют одинаковую полярность (значение при вычитании помех в приемнике близко к нулю).


Дополнительно можно отметить, что в интерфейсах с дифференциальными стандартами сигналов уровни напряжений часто оказываются ниже, чем уровни напряжений в интерфейсах с синфазными сигналами. Например, в интерфейсе UART с сигналами КМОП уровень логической единицы может достигать напряжения питания +3,3В, в то время как в интерфейсах с сигналами LVDS размах напряжения в дифференциальной линии составляет всего 0,4В, что почти на порядок ниже уровня сигнала КМОП. Энергия излучения, в свою очередь, пропорциональна квадрату напряжения. Благодаря низкой излучающей способности и высокой помехоустойчивости дифференциальных линий передачи даже при более близком их расположении по отношению друг к другу, по сравнению с одиночными линиями передачи, уровень перекрестных наводок будет значительно снижен. Подробный анализ представлен в главе «Пример оценки влияния перекрестных наводок».


Ниже перечислены достоинства дифференциальной линии передачи по сравнению с одиночной линией.


1. Низкий уровень собственных излучений, благодаря взаимной ком­пенсации равных по значению и обратных по направлению векторов магнитной индукции.

2. Высокая устойчивость к воздействию внешних помех, шумов в цепях электропитания, дребезгу земли.

3. Возможность выполнения линии без опорного потенциала в изолиро­ванных интерфейсах.

4. Возможность передачи сигналов с меньшим значением амплитуд (благодаря повышенной помехоустойчивости), что приводит к снижению паразитных излучений, перекрестных помех и улучшению электромагнитной совместимости.

5. Простое согласование линии передачи с нагрузкой (нужен один тер­минирующий резистор, который одновременно может являться согласующим сопротивлением, например, в стандарте LVDS).

6. Снижение требований к форме импульса. Приемник срабатывает на разность напряжений и основным требованием является требование к монотонности (линейности) фронта/спада импульса. Допустимо передавать сиг­нал с ограниченным спектром. Это еще больше снизит уро­вень собственных излучений.

Бесплатный фрагмент закончился.
Купите книгу, чтобы продолжить чтение.
электронная
от 132
печатная A4
от 703