электронная
252
печатная A4
662
12+
Высокоскоростные печатные платы. Теоретические основы

Бесплатный фрагмент - Высокоскоростные печатные платы. Теоретические основы


3.7
Объем:
142 стр.
Возрастное ограничение:
12+
ISBN:
978-5-0050-2354-4
электронная
от 252
печатная A4
от 662

Посвящается моим учителям

В конце прошлого века раздел целостности электрических сигналов или Signal Integrity за рубежом выделился в отдельную интересную и очень важную тему в Радиотехнике. Постепенно появилась и инженерная профессия — High Speed Engineer, редкая и хорошо оплачиваемая в данное время.

High Speed Engineer — общее понятие, которое можно перевести как специалист по высокоскоростным интерфейсам.

Более точное название профессии инженера, который занимается именно контролем целостности сигнала, звучит как SI Engineer (Signal Integrity Engineer).

Поскольку контроль качества сигнала должен осуществляться не только на уровне электрических схем, но и на всем протяжении линии передачи, стало востребовано направление разработки сверхскоростных печатных плат, работающих в поддиапазонах частот от 300 МГц до 3 ГГц, и от 3 ГГц до 30 ГГц.

Разработкой высокоскоростных печатных плат занимается инженер конструктор, или High Speed PCB Designer.

Еще пару десятилетий назад работа в данных диапазонах считалась экзотикой. Многослойность печатных плат свзывалась только с тенденцией миниатюризации. Появление нового направления в Радиотехнике стало закономерным, поскольку тенденция уменьшения массогабаритных показателей, повышения производительности, удешевления и замены дорогих параллельных интерфейсов последовательными диктовала требование к постоянному росту частоты электрических сигналов.

В кабелях, соединителях, печатных платах, стало невозможно пренебрегать потерями в диэлектрике, скин-слое, отражениями сигналов от неоднородностей, влиянием резонансов, прямыми электромагнитными излучениями отрезков линии передачи.

С течением времени накопилось много вопросов. Благодаря успехам в практической деятельности появлялись некоторые ответы. С приходом систем моделирования/анализа HyperLynx SI, PI, Thermal и Cadence Sigrity картина стала проясняться. Эти программы дали возможность быстрой проверки некоторых эмпирических правил и закономерностей. Литература, преимущественно иностранных авторов, также предложила свою порцию знаний, которые нельзя было назвать систематизированными. В результате и появилось желание создать свои книги, поделиться личным опытом понимания и применения тех правил и рекомендаций, которые я смог наработать за 16 лет работы ведущим инженером-схемотехником.


Мои знания я разместил в трех книгах, в той, которую вы читаете в данный момент, в книге «Разработка высокоскоростных печатных плат глазами инженера-схемотехника. Сохранение целостности электрических сигналов» и в книге «Высокоскоростные печатные платы. Практические рекомендации», в которой большое внимание уделено практической стороне вопроса и знакомству с современными системами моделирования/анализа целостности сигналов, питания, волновых, тепловых, электромагнитных и других процессов Sigrity Cadence и HyperLynx SI, PI, Thermal компании Mentor (A Siemens Business).

Аннотация 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» 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 неспособны нарисовать диодный мост и ответить на вопрос, что такое триггер. Публикация вызвала бурное обсуждение, которое вышло далеко за пределы мировой 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 именно 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, научно-скептически подкованный читатель подвергнет 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 неочевидны 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 тут 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 Андрея Васильевича 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. Баланс фаз, колебательный контур, объёмный резонатор — все эти эфемерные понятия моментально обретают плоть. 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. Другое семейство полезных таблиц представляет собой зависимость ряда важных характеристик различных линий передачи от критической длины линии. Например, минимальной длительности одиночного импульса или частоты первой гармоники.

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, будучи, безусловно, талантливейшим самоучкой, 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 остриё, настоящий мейнстрим современной науки о целостности сигналов. Надеюсь, этот недочёт сможет в ближайшее время восполнить Ваш покорный слуга.

Поэтому, я 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,

Никеев Кирилл Михайлович.

Технический представитель компании Mentor (A Siemens Business) в России, Турции, Пакистане и на Ближнем Востоке.

______________________________________________________________________

Текст оригинальный, предназначен только для книги «Высокоскоростные печатные платы…» и представлен в авторской редакции.

Предисловие

Если вам придется решать задачу сохранения целостности электрических сигналов или задачу передачи данных с минимальными искажениями через линию передачи — проводную, беспроводную, оптическую, всегда помните и думайте об энергии. Электрический сигнал, переносчик информации, обладает энергией, которую получает от источника напряжения или тока.

Задача разработчика при проектировании линий передачи, печатных плат, устройств — сделать все возможное, чтобы энергия сигнала полностью достигла приемника. В этом случае не будет потерь энергии на излучение и отражения. В этом случае целостность электрического сигнала сохранится.

Сохранение формы сигнала напрямую связано с сохранением первоначальных энергетических характеристик, спектра амплитуд, спектра мощности.

Если вы не инженер и не решаете сложные задачи, связанные с гарантированным доведением информации до потребителя, вы можете применять указанные правила и рекомендации в качестве правил хорошего тона. И тогда даже самые простые печатные платы будут работать качественно и надежно, как хорошие промышленные разработки.

Данная книга является продолжением моей первой книги «Разработка высокоскоростных печатных плат глазами инженера-схемотехника» [16]. Здесь представлены уточнения и дополнения к общим темам. Более пристальное внимание уделено физике прохождения сигналов в линиях передачи.

Большая часть примеров и иллюстраций получена в версии 9.2 продукта HyperLynx SI, PI, Thermal компании Mentor (Siemens Business). На текущий момент версия сильно устарела, но показывает хорошую сходимость результатов моделирования и теоретических расчетов. Использование пакета HyperLynx SI, PI, Thermal для демонстрации и иллюстрации теоретических понятий, электрических процессов, нисколько не говорит о достоинствах или недостатках данной среды относительно другой аналогичной программы Cadence Sigrity. Оба программных пакета позволяют успешно решать задачи, связанные с анализом и сохранением целостности сигналов как на этапе разработки электрической схемы, так и на этапе корректировки изготовленного образца печатной платы.


Большую благодарность за терпение и поддержку в процессе создания книги хочу выразить моим родителям, семье, учителям, начальникам. Хочу выразить признательность за помощь и внимание моим коллегам, а также представителям компаний Mentor (A Siemens Business) — Никееву К. М., Лобзову Д. А. и Cadence — Акулину А. И. и Супонину А. В.

Введение

В книге предложены описания теоретических понятий и методы повышения качества линий передачи, заимствованные за много лет из разных источников и опробованные на личном опыте автора. Представлены некоторые выводы и гипотезы, основанные на физических законах. Перед применением все они требуют осмысления и критического анализа.

Автор не несет ответственности за Ваши решения, основанные на информации, предложенной в данной книге. Автор не несет ответственности за случайные совпадения с мыслями других авторов.

В разделе «Введение» предложены краткие сведения о пассивных электрических элементах, колебательном контуре, резонансе. Иллюстрации к понятиям магнитное поле, электромагнитная волна, индукция и самоиндукция, известным из школьного курса физики, позволят лучше понять природу емкостных и индуктивных неоднородностей в линиях передачи и наводок между проводниками печатной платы.

В разделе «Линия передачи» рассмотрены эквивалентные схемы одиночной и связанной линий передачи, их основные характеристики: волновое сопротивление, амплитудно-частотная характеристика, помехозащищенность. Предложены методы устранения и согласования неоднородностей, снижения эффективности паразитных резонансов, потерь энергии электрических сигналов. Дополнительно представлена информация о разных типах линий передачи, оценке параметров по переходной характеристике, выравнивании длин линий в параллельных и последовательных шинах с учетом джиттера, методах защиты от помех, зависимости частот резонанса от длины линии передачи и многих других интересных с практической точки зрения параметрах.

Основные понятия

Накопление энергии в электрической емкости, электрической индуктивности, процесс преобразования электрической энергии в магнитную и наоборот, возникновение колебательных процессов, параллельного и последовательного резонанса, электромагнитных полей — могут происходить внутри и вокруг обычного, на первый взгляд, проводника.

На высоких частотах проводник становится линией передачи. С дальнейшим ростом частоты линию передачи можно рассматривать как объемный резонатор [13, 14].

На низких частотах проводник печатной платы не является линией передачи. Он пропускает через себя токи сигналов в направлении передачи от большего потенциала в сторону меньшего потенциала. Возвратные токи распространяются внутри полигонов и не концентрируются под сигнальным проводником, как это происходит на высоких частотах.

С дальнейшим ростом частоты собственные реактивные параметры проводника начинают оказывать прямое влияние на характеристики схемы. В линии начинают учитываться распределенные по всей длине емкости и индуктивности.

В разделе «Линия передачи» вы увидите эквивалентные схемы линий передачи для удобства последующего анализа. Ток прямого сигнала сосредотачивается в объеме сигнального проводника. Возвратный ток сосредотачивается в опорном слое под сигнальным проводником. Между сигнальным проводником и опорным слоем в толще диэлектрика концентрируется энергия электромагнитной волны. Такая структура уже отличается от обычного проводника и называется линией передачи, основным свойством которой является однородность. Ее можно сравнить с водопроводной трубой и если труба имеет одинаковое сечение по всей длине, электрический сигнал беспрепятственно распространяется в ней на значительные расстояния. Если труба имеет сужения, ответвления, резкие изгибы — аналоги емкостных и индуктивных неоднородностей, скорость потока воды в ней изменяется и наш сигнал — искажается.

Вспомнив в следующих главах понятия емкость, индуктивность, резонанс, емкостная и индуктивная наводка, вы поймете, из чего состоит и как работает линия передачи, что и как влияет на распространение электрических сигналов внутри нее и на распространение электромагнитных волн вокруг нее. Вы узнаете, как устранить влияние резонанса в линии передачи и снизить влияние перекрестных наводок между соседними проводниками.

Большую помощь в понимании электрофизических процессов дает принцип преемственности или принцип масштабируемости [7, 8]. Поняв, как работает система в области низких частот, какие действуют физические и электрические процессы, несложным оказывается переход к пониманию работы более высокочастотных систем.

Например, линия передачи в сантиметровом и миллиметровом диапазонах работает аналогично коробке резонатора камертона в области звуковых частот. И в том, и в другом случае звуковая или электромагнитная волна, отраженная от стенки ящика резонатора или от неоднородности в линии передачи, накладывается на бегущую волну и при совпадении фазы формируются стоячие волны. Неоднородность «поворачивает» фазу сигнала, приводя к выполнению основного условия резонанса — балансу фаз. Анализ работы обоих резонаторов можно провести с использованием телеграфных уравнений. Резонанс наступает из-за отражений сигнала от неоднородностей при кратности длины ящика или длины микрополоскового отрезка значению четверти или половины длины волны. И вся разница оказывается только в скорости распространения электромагнитной или звуковой волны в среде распространения.

Пассивные радиоэлементы

Думаю, еще со школы вы знакомы с такими простыми радиоэлементами, как резистор, катушка индуктивности, конденсатор. Их называют пассивными, поскольку они не содержат источников энергии.

Характеристики резистора, основной из которых является электрическое сопротивление, не зависят от частоты. Потому резистор называют безынерционным элементом. В соответствие с законом Ома, сопротивление резистора позволяет лишь изменять электрический ток в цепи, изменять амплитуду или размах сигнала на участке цепи при построении определенных схем. В резистивной цепи сигнал может «изменяться» только в сторону уменьшения. Форма сигнала при этом остается «неизменной».

Характеристики конденсатора и катушки индуктивности являются реактивными. Часто индуктивность и емкость называют реактивностями. Так происходит, поскольку значения их сопротивлений (импедансы) зависят от частоты.

В отличие от резистора, конденсатор способен накапливать электрическую энергию, заряд. Катушка индуктивности способна накапливать магнитную энергию. Накопление энергии не может происходить мгновенно из-за наличия в источниках токов или напряжений конечного выходного сопротивления, из-за которого ток заряда конденсатора, например, ограничивается. Появляется постоянная времени заряда.

Поскольку в реактивных элементах возможно накопление энергии, возможно и ее рассеяние. Возможен и обмен энергиями.

Схемы, содержащие только резисторы, называют безынерционными звеньями.

Схемы, содержащие реактивности только одного типа, называют апериодическими звеньями первого порядка (одна реактивность — порядок равен одному), что указывает на отсутствие возможности в них колебательных процессов.

Схемы, содержащие реактивности двух разных типов, называют колебательными звеньями второго порядка (две реактивности — порядок равен двум).

При изучении электрических свойств и процессов, происходящих в печатных платах, пассивные элементы будут интересны нам по той причине, что в линии передачи кроме них вы не встретите других элементов.


Резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы в различных сочетаниях образуют простейшие электрические схемы со своими специфическими свойствами. Из них могут быть построены как фильтры, ограничивающие распространение сигналов в том или ином диапазоне частот, так и резонансные контуры, выделяющие полосу частот.

Резонансные контуры формируются из элементов с разным типом реактивности, индуктивности и емкости. В результате в них становится возможен обмен энергиями электрического и магнитного типа. Частота процесса обмена, частота резонанса колебательного контура, зависит только от свойств реактивных элементов и не зависит от параметров сигналов, проходящих через такие контуры. В этом польза резонансных контуров, которые используются в трактах формирования тактовых или гармонических сигналов. В этом и вред распространению сигнала, поскольку контур вносит искажение, в первую очередь, в энергетические характеристики сигнала, полностью искажая его форму и нарушая его целостность. Можно сказать что в контуре сигнал танцует «под его дудку», теряет свои уникальные свойства.

Напомню, что формирование новых гармоник с частотами, не кратными основной частоте исходного сигнала, возможно в диодах, p-n переходах транзисторов и других нелинейных элементах. Перечисленные ранее пассивные элементы не приводят к формированию комбинационных частот и могут лишь ослаблять или увеличивать амплитуды гармоник, присутствующих в спектре сигнала. Резонансные контуры способны изменять амплитуды отдельных гармонических составляющих в узких диапазонах частот. Изменение спектра сигнала ведет к изменению его формы [16]. Поэтому подобные изменения должны быть под контролем разработчика схемы и печатной платы.

Далее мы кратко повторим основные характеристики пассивных элементов, резонансных контуров, видов емкостной и индуктивной взаимосвязи между участками линий передач, проводниками. И перейдем к рассмотрению важной, интересной и простой для понимания структуры, которая и называется — линия передачи. Вы узнаете все то, что необходимо для полного понимания физических процессов, протекающих в печатных платах. И тогда процесс разработки плат станет для вас творческим. Надеюсь на это.

Электрическая емкость

Конденсатор, состоящий из двух токопроводящих обкладок и диэлектрика между ними, способен накапливать электрический заряд (U — напряжение или разность потенциалов между обкладками конденсатора емкостью C).

Конденсатор способен накапливать электрическую энергию. Чем больше электрическая емкость и разность потенциалов между обкладками конденсатора, тем большее количество электрической энергии он способен накопить.

Электрическая емкость определяется по формуле.

,где ɛ (эпсилон) — диэлектрическая проницаемость,

ɛ0 = 8,85х10—12 Ф/м — электрическая постоянная,

S — площадь перекрытия обкладок,

d — расстояние между обкладками.


Импеданс (сопротивление) конденсатора снижается с ростом частоты.

Бесплатный фрагмент закончился.
Купите книгу, чтобы продолжить чтение.
электронная
от 252
печатная A4
от 662