Советы по быстрой компоновке

Большинство проектов печатных плат начинаются с правильной и проверенной схемы. Затем необходимо выполнить тяжелую работу по преобразованию схемы в окончательную печатную плату. Довольно часто печатная плата не работает, даже если первоначальная схема была тщательно разработана. Даже если схема была проверена с помощью симуляции, симуляция проекта не учитывает то, что особенности компоновки печатной платы могут привести к непредвиденным источникам ошибок в реализации проекта. Это особенно верно, когда речь идет об использовании в конструкции более новых и высокоскоростных компонентов с соответствующими более высокими тактовыми частотами. Кроме того, скорость передачи данных между устройствами также постоянно увеличивается и подвержена одним и тем же типам источников ошибок. Это увеличение скорости позволяет использовать небольшие значения емкости и индуктивности, присущие топологии печатных плат, что может привести к сбою реализации проекта на печатной плате.

Наряду с обеспечением работоспособности печатной платы большое значение для утверждения окончательного проекта имеют дополнительные требования, касающиеся устойчивости ваших конструкций к излучаемому шуму и количеству излучаемого шума, который он вносит. Таким образом, при разработке вашего следующего приложения для печатных плат, включающего высокоскоростные сигналы, необходимо уделить особое внимание уменьшению проблем с электромагнитными помехами.

Примеры высокоскоростных сигналов включают тактовые сигналы и высокоскоростные порты связи. С помощью нескольких простых правил можно улучшить целостность сигнала вашей следующей конструкции и уровень электромагнитных помех — нет необходимости в сложных математических моделях или дорогостоящих инструментах моделирования. В этой статье представлен ряд этих простых правил, которым можно следовать, чтобы обеспечить успех вашего следующего проекта с высокоскоростными сигналами.

Фон

В этом разделе мы обсудим некоторые источники ошибок высокоскоростного макета и связанные с ними концепции, а в следующем разделе приводятся общие правила для устранения этих источников ошибок.

1. Электромагнитные помехи и электромагнитная совместимость

Электромагнитные помехи — это радиочастотный шум, который мешает работе устройства. С другой стороны, электромагнитная совместимость означает ограничение уровней электромагнитных помех, излучаемых устройством. Все устройства в той или иной степени излучают электромагнитные помехи и в то же время поглощают некоторое количество электромагнитных помех. Целью проектировщика печатных плат должно быть снижение обоих величин до разумных уровней. Следует также отметить, что существуют установленные стандарты FCC и CISPR для уровня электромагнитных помех, которые разрешено излучать устройствам.

2. Сигналы часов

Тактовые сигналы, обычно используемые для управления микропроцессорами и коммуникационными портами, должны быть идеально прямоугольными, но на самом деле это не так. Фактически они представляют собой комбинацию сигналов номинальной тактовой частоты и частот гармоник выше тактовой частоты. Таким образом, электромагнитные помехи должны учитываться как на тактовой частоте, используемой в проекте, так и на гармониках тактовой частоты выше номинальной тактовой частоты.

3. Линии передачи

На более высоких частотах эффекты линии передачи начинают проявляться даже на уровне печатной платы. Всякий раз, когда частота сигнальной линии приводит к тому, что указанный сигнал имеет длину волны порядка соответствующей дорожки печатной платы, следует учитывать характеристический импеданс дорожки, чтобы предотвратить отражения из-за несоответствия импеданса. В самом общем смысле разработчик печатной платы должен уделить время согласованию импеданса дорожек, связанных с приемопередатчиками, к которым эти дорожки подключаются. Использование микрополоски (дорожка определенной ширины по плоскости питания) или полосковой линии (дорожка определенной ширины между двумя плоскостями питания) является распространенным способом управления импедансом линии передачи на уровне печатной платы.

Трансиверы также часто имеют входы с высоким импедансом. В этом случае соединительная дорожка должна быть завершена таким образом, чтобы соответствовать характеристическому импедансу линии передачи, к которой она подключена. Существует несколько распространенных методов завершения, но их изучение остается на усмотрение читателя, так как они выходят за рамки этой статьи.

4. Перекрёстные помехи

Когда две дорожки расположены рядом друг с другом, они индуктивно и емкостно связаны (обычно называемые перекрестными помехами) таким образом, что одна из них может поставить под угрозу работу другой. Самый простой способ устранить этот вид шума — разделить трассы на большее расстояние. Перекрестные помехи также можно смягчить, используя силовые плоскости для подавления перекрестных помех.

5. Дифференциальные сигналы

Еще один способ борьбы с шумом в канале связи — использование дифференциальных сигналов. Дифференциальные сигналы равны и противоположны по потенциалу. Соответственно, две дорожки отвечают за передачу сигнала между устройствами, и значение сигнала определяется разностью потенциалов на двух дорожках, а не абсолютным потенциалом отдельных дорожек. Это оставляет дифференциальные сигналы невосприимчивыми к перекрестным помехам и эффективно невосприимчивым к излучаемому шуму.

6. Возврат текущих и циклических областей

При рассмотрении высокочастотных схем необходимо также учитывать обратный путь сигнала. При работе с цепями постоянного тока обратный путь будет путем с наименьшим сопротивлением, но при рассмотрении сигналов переменного тока обратный путь будет путем с наименьшим сопротивлением. В результате обратный путь высокочастотного сигнала будет находиться непосредственно рядом с дорожкой упомянутого сигнала. Обычно разница в обратных путях не является проблемой, когда сигнальная дорожка проложена по заземляющей пластине, но может быть проблемой, когда заземляющая пластина прерывается под сигнальной дорожкой. В результате обрыва обратного пути сигнала будет петля. Следует избегать петель, так как они являются гораздо более эффективными излучателями электромагнитных помех и отрицательно влияют на ЭМС конструкции.

Практические советы по дизайну

Теперь, когда мы представили краткое обсуждение источников шума высокоскоростного сигнала, мы можем перейти к обсуждению более конкретных советов по компоновке.

Прежде чем приступить к проектированию следующей высокоскоростной печатной платы, вы должны сначала взглянуть на общие требования к проекту. Хорошие вопросы, которые можно задать:Какова самая высокая частота в системе? Потребуется ли вам использовать микрополоску или полосковую линию для достижения уровня шумоподавления, требуемого конструкцией? Каковы чувствительные сигналы в вашем дизайне? Каковы минимальные допуски, требуемые производителем печатных плат? Существуют ли чувствительные взаимосвязи между функциональными группами конструкции? Имея эти ответы, можно определить общий вид стека и состава платы.

1. Стек платы

Одним из самых основных соображений при разработке новой схемы является стек печатной платы. Если нет чувствительных сигналов для защиты, вы можете использовать стандартную двухслойную печатную плату. Если вам необходимо маршрутизировать сигналы в виде полосковых линий, вам нужно будет использовать 6-слойный стек. 4-слойная печатная плата также может быть хорошим промежуточным вариантом.

Еще одно соображение заключается в том, что если вы можете создать стек таким образом, чтобы плоскости питания были очень близко друг к другу, вы можете уменьшить потребность в развязывающих конденсаторах малой емкости, которые будут использоваться в вашей конструкции. Наконец, если вы сможете расположить источники и приемники высокоскоростного сигнала близко друг к другу на печатной плате, вы сможете устранить большую часть электромагнитных помех и электромагнитных помех, связанных с этими сигналами.

2. Плоскости питания и заземления

Самым основным требованием к высокоскоростному дизайну является реализация полного заземляющего слоя. Также может быть очень полезно включить полную плоскость питания, но для этого требуется, чтобы конструкция была основана на четырехуровневом или более высоком стеке. Также полезно располагать трассы сигнала очень близко к силовым слоям, что также должно учитываться в стеке, используемом в окончательном проекте.

При разделении частей силовой плоскости также важно помнить, что высокоскоростные сигналы имеют обратный ток, который следует по пути наименьшего импеданса, а не сопротивления. Будьте внимательны, чтобы не разбить обратный путь высокоскоростного сигнала между его источником и приемником. Если вам необходимо разорвать заземляющий слой, постарайтесь не прокладывать сигнальные дорожки через этот разрыв. Если вы это сделаете, рассмотрите возможность повторного подключения заземления вместе с сигнальной дорожкой с помощью резистора 0 Ом. Говоря более кратко, используйте как можно более однородные и непрерывные плоскости земли и мощности в вашем дизайне.

3. Дополнительные темы

Развязывающие конденсаторы важны для создания путей с низким импедансом к земле и питанию для высокочастотных сигналов. В общем, вам нужно будет использовать конденсаторы с разными номиналами для подавления высокочастотного шума в диапазоне частот. При размещении конденсаторов поместите конденсатор с наименьшим номиналом ближе всего к защищаемому устройству, а затем переходите к конденсаторам все большего и большего номинала. Кроме того, убедитесь, что конденсатор находится между устройством и плоскостью питания, которую он развязывает. Это гарантирует, что устройство действительно развязано конденсатором.

Другие общие советы включают:
• Скругление углов дорожки может снизить уровень электромагнитных помех, излучаемых сигналом. Это связано с тем, что резкие изменения в дорожках приводят к более высоким уровням емкости, а также вызывают высокоскоростные отражения сигнала.
• Чтобы свести к минимуму перекрестные помехи между дорожками сигнала, в том числе в разных плоскостях, убедитесь, что они пересекаются справа. углами.
• Избегайте переходных отверстий в сигнальных трассах. Переходные отверстия изменяют волновое сопротивление дорожки и могут вызывать отражения. Кроме того, если вам нужно использовать переходные отверстия с дорожками дифференциального сигнала, подумайте о том, чтобы разместить их в обеих дорожках, чтобы убедиться, что их эффект одинаков в обеих дорожках.
• Рассмотрите заглушку, созданную при использовании переходных отверстий. Рассмотрите возможность использования глухих или зауженных переходных отверстий вместо обычных переходных отверстий.
• Учитывайте задержки при использовании решения с распределенным тактовым генератором. Избегайте ветвлений и сопоставляйте длины трасс от часов до подключенных устройств. Часто рекомендуется использовать драйвер часов.

Полезные ресурсы
• Исследование проектирования высокоскоростных печатных плат во встраиваемых прикладных системах
• Дифференциальная изометрическая обработка и проверка моделирования высокоскоростных печатных плат
• Как проектировать плоскости изображения для высокоскоростных печатных плат
• Проблемы целостности сигнала при проектировании высокоскоростных печатных плат и пути их решения
• Метод подавления отражения сигнала при разводке высокоскоростных печатных плат
• Анализ целостности сигнала и проектирование печатных плат на высокоскоростных цифровых устройствах. Аналоговая смешанная схема
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart — множество дополнительных опций
• Усовершенствованная услуга по сборке печатных плат от PCBCart — от 1 штуки