Топ-3 техники трассировки печатных плат для целостности высокоскоростных сигналов

Проектирование печатных плат (PCB) необходимо для работы электроинженеров, и создание идеальной платы — задача неочевидная. Идеальная плата получается не только благодаря рациональному выбору и распределению компонентов, но и их высокой сигнальной проводимости. В этой статье представлены знания о техниках трассировки при проектировании высокоскоростных сигнальных цепей печатных плат для помощи в вашей инженерной работе.

Трассировка печатных плат на основе многослойных плат

При проектировании печатных плат большинство инженеров предпочитает выполнять трассировку высокоскоростных сигналов с использованием многослойных плат. Помимо роли ядра печатной платы, этот тип многослойной платы также способен уменьшать цепевые помехи — основной метод для инженеров, сталкивающихся с такой проблемой. При проектировании высокоскоростной сигнальной цепи на печатной плате на основе использования многослойной платы инженерам нужно уменьшить размер платы, рационально определяя количество слоев, максимально использовать средние слои для настройки экранирования для реализации близкого заземления, что эффективно уменьшает паразитную индуктивность, сокращает длину передачи сигналов, снижает перекрестные помехи между сигналами и так далее. Все эти методы весьма полезны для надежности высокоскоростной сигнальной цепи.

Помимо вышеуказанных методов повышения надежности передачи сигналов печатной платы с помощью многослойной платы, авторитетные данные показывают, что при использовании одного и того же материала шум, генерируемый четырехслойной платой, на 20 дБ ниже, чем двухслойной. Что касается изгибов проводников, чем меньше изгибов, тем лучше. Лучше использовать прямую линию, а когда изгиб необходим, можно использовать линию под 45 градусов или дугу, чтобы уменьшить излучение наружу от высокоскоростного сигнала и взаимную связь, а также снизить и излучение, и отражение.

Делаем выводной контакт между компонентами в высокоскоростной цепи максимально коротким

В процессе проектирования и трассировки высокоскоростной сигнальной цепи печатной платы инженерам нужно делать выводной контакт между компонентами в высокоскоростной цепи максимально коротким. Чем длиннее вывод, тем больше как распределенная индуктивность, так и распределенная емкость, что приведет к отражению и генерации в высокоскоростной цепи.

Помимо сокращения выводного контакта между компонентами в высокоскоростной цепи, межслойное чередование выводов компонентов на каждой высокоскоростной цепи должно быть сокращено в процессе трассировки печатной платы, что означает, что переходные отверстия в процессе соединения компонентов должны быть минимальными. Обычно одно переходное отверстие приносит около 0,5 пФ распределенной емкости, что явно приводит к увеличению задержки цепи. В то же время в процессе трассировки высокоскоростной цепи перекрестные помехи, индуцированные параллельной трассировкой сигнальных линий на коротком расстоянии, должны учитываться полностью. Если параллельное распределение нельзя избежать, большую площадь земли можно установить на обратной стороне параллельных сигнальных линий для снижения помех. В соседних двух слоях направление трассировки должно быть перпендикулярным.

Окружение земли по особенно важным сигнальным линиям или локальным участкам

В процессе проектирования трассировки печатной платы инженерам предлагается использовать окружение земли по особенно важным сигнальным линиям или локальным участкам. Трассировка выполняется для менее восприимчивых к помехам сигналов, таких как тактовый сигнал и высокоскоростной аналоговый сигнал, при добавлении заземляющего провода для защиты к периферии, с защищаемыми сигнальными линиями в середине. Это потому, что все типы трассировки сигналов не могут формировать петли, как и заземляющий провод. Однако, если образуется петля трассировки, в системе возникнет серьезная помеха. Преимущество трассировки с окружающим заземляющим проводом — эффективное избегание петель в процессе трассировки. Предлагается устанавливать один или несколько высокочастотных развязывающих конденсаторов рядом с каждым блоком интегральной схемы. При соединении аналогового или цифрового заземляющего провода с общей землей следует использовать высокочастотный дроссель. Некоторые высокоскоростные сигнальные линии требуют специальной обработки. Например, дифференциальный сигнал требуется на одном слое и должен быть максимально близок к параллельной трассировке. Никакой сигнал не может быть вставлен между дифференциальными сигнальными линиями, и каждая должна иметь одинаковую длину.

Помимо вышеупомянутых методов, при проектировании сигнальной трассировки печатной платы инженерам следует стараться избегать ветвления высокоскоростной сигнальной проводки или образования заглушек (stub). Поскольку при размещении высокочастотных сигнальных проводов на внешнем слое может генерироваться относительно большое электромагнитное излучение, высокочастотные сигнальные провода следует размещать между питанием и землей, чтобы генерируемое излучение снижалось на высоком уровне благодаря электромагнитному поглощению от питания и нижнего слоя.

Конечно, в практическом проекте теория никогда не ставится перед практикой. Хочу поделиться некоторым своим опытом в проектировании трассировки печатных плат. Во-первых, если вы не единственный дизайнер трассировки платы, выделите достаточно времени для проверки дизайна трассировщиков. Малая предосторожность намного лучше большого исправления. Глупо ожидать, что трассировщики поймут, что вы думаете. Ваши советы и инструкции наиболее важны на начальном этапе проектирования трассировки. Чем больше информации вы можете предоставить и чем больше вовлечены в дизайн, тем лучшие платы вы получите. Хороший метод: можно установить условную точку завершения для инженера по проектированию трассировки, чтобы процедура трассировки строго начиналась согласно вашим шагам. Этот метод похож на замкнутый контур: трассировка не сходит с рельсов, поэтому возможность переработки минимизируется.

Тогда инструкции, которые вы должны предоставить своим инженерам по трассировке, включают: краткое описание функции схемы; эскиз печатной платы с метками мест ввода и вывода; информация о слоях печатной платы, такая как толщина, количество слоев, подробная информация о каждом сигнальном слое и земляной пластине; тип сигнала, который требует каждый слой; требования к месту важных компонентов; конкретные места обходных компонентов; значимость печатных линий; значимость цепей, требующих печатных линий с контролем импеданса; цепи, требующие сопоставления длины; размеры компонентов; печатные линии, цепи или компоненты, требующие расстояния или близости; тип компонентов, устанавливаемых на верхней или нижней стороне.

Полезные ресурсы:
• Советы по разводке высокоскоростных плат
• Техники трассировки высокоскоростных печатных плат для снижения влияния EMI
• Исследование высокоскоростного проектирования печатных плат во встроенных прикладных системах
• Проблемы высокоскоростного проектирования печатных плат на целостности сигналов и их решения
• Метод подавления отражения сигналов в разводке высокоскоростных печатных плат
• Анализ целостности сигналов и проектирование печатных плат на высокоскоростных цифро-аналоговых смешанных схемах
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множественные ценности
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart — от 1 штуки