Проверенные советы по разводке высокоскоростных печатных плат для надежных дизайнов

Большинство дизайнов печатных плат начинаются с правильной и верифицированной схемы в руках. Затем должна быть выполнена тяжелая работа по преобразованию схемотехнического дизайна в окончательную печатную плату. Довольно часто печатная плата не работает, даже если исходный дизайн схемы был выполнен с заботой. Даже если схема была верифицирована с помощью симуляции, то, что симуляция дизайна не учитывает, так это то, что специфика разводки печатной платы может внести непредвиденные источники ошибок в реализацию дизайна. Это особенно верно, когда речь идет об использовании более новых и высокоскоростных компонентов с их ассоциированными более высокими тактовыми частотами в дизайне. Кроме того, скорости передачи данных между устройствами также постоянно увеличиваются и подлежат тем же типам источников ошибок. Эти увеличения скоростей позволяют малым емкостным и индуктивным значениям, присущим разводке печатных плат, вызывать отказ реализации дизайна на печатной плате.

Помимо обеспечения функциональности печатной платы, дополнительные требования касательно толерантности вашего дизайна к излучаемому шуму и количества излучаемого им шума имеют великое значение для одобрения окончательного дизайна. Поэтому при разработке вашего следующего приложения печатной платы, включающего высокоскоростные сигналы, великая забота должна быть принята для смягчения проблем электромагнитных помех.

Примерами высокоскоростных сигналов являются тактовые сигналы и высокоскоростные коммуникационные порты. С помощью нескольких простых правил целостность сигналов и уровни электромагнитных помех вашего следующего дизайна могут быть улучшены — нет необходимости в сложных математических моделях или задействованных и дорогих инструментах симуляции. Эта статья представит ряд этих простых правил, которые можно следовать для обеспечения успеха вашего следующего дизайна с высокоскоростными сигналами.

Фон

В этом разделе мы обсудим некоторые источники ошибок разводки высокоскоростных сигналов и связанные концепции, а в следующем разделе предоставим общие правила для смягчения этих источников ошибок.

1. Электромагнитные помехи (EMI) и электромагнитная совместимость (EMC)

Электромагнитные помехи — это радиочастотный шум, мешающий работе устройства. С другой стороны, электромагнитная совместимость относится к ограничению уровней электромагнитных помех, которые устройство излучает. Все устройства излучают определенную степень электромагнитных помех и одновременно поглощают некоторое количество электромагнитных помех. Цель проектировщика печатных плат должна быть снижением обеих величин до разумных уровней. Также важно, что существуют установленные стандарты FCC и CISPR для уровня EMI, который устройствам разрешено излучать.

2. Тактовые сигналы

Тактовые сигналы, обычно используемые для управления микропроцессорами и коммуникационными портами, должны быть идеальной прямоугольной волной, но в реальности они таковыми не являются. Они в действительности комбинация сигналов на номинальной тактовой частоте и гармонических частотах выше тактовой частоты. Как таковые, EMI должны рассматриваться как на частоте тактового сигнала, используемого в дизайне, так и на гармониках тактовой частоты выше номинальной тактовой частоты.

3. Линии передачи

На более высоких частотах эффекты линий передачи начинают проявляться даже на уровне печатной платы. Всякий раз, когда частота сигнальной линии заставляет сигнал иметь длину волны на порядке соответствующей трассы печатной платы, характеристический импеданс трассы должен учитываться для предотвращения отражений из-за несоответствия импеданса. В самом общем смысле, проектировщик печатной платы должен уделить время для согласования импеданса трасс, ассоциированных с трансиверами, которые эти трассы соединяют. Использование микроленточной линии (трассы определенной ширины над плоскостью питания) или полосовой линии (трассы определенной ширины между двумя плоскостями питания) — распространенные способы контроля импеданса линии передачи уровня печатной платы.

Также часто встречается, что трансиверы имеют высокоимпедансные входы. В этом случае соединяющая трасса должна быть завершена способом, согласующим характеристический импеданс линии передачи, к которой она подключена. Существует несколько распространенных техник завершения, но их изучение останется за читателем, так как они выходят за рамки этой статьи.

4. Перекрестные помехи (Crosstalk)

Когда две трассы расположены рядом друг с другом, они индуктивно и емкостно связаны (обычно называемое перекрестными помехами) способом, который может позволить одной нарушить работу другой. Самый базовый способ устранения этого рода шума — разделение трасс на большее расстояние. Перекрестные помехи также могут быть смягчены использованием питающих плоскостей для подавления уровней перекрестных помех.

5. Дифференциальные сигналы

Другой способ борьбы с шумом в коммуникационном пути — использование дифференциальных сигналов. Дифференциальные сигналы равны и противоположны по потенциалю. Соответственно, две трассы отвечают за передачу сигнала между устройствами, и значение сигнала определяется разностью потенциалов на двух трассах, а не абсолютным потенциалом отдельных трасс. Это делает дифференциальные сигналы нечувствительными к перекрестным помехам и фактически иммунными к излучаемому шуму.

6. Ток возврата и площади петель

При рассмотрении высокочастотных разводок, путь возврата сигнала также должен рассматриваться. При работе с цепями постоянного тока путь возврата будет путем наименьшего сопротивления, но при рассмотрении переменных сигналов путь возврата будет путем наименьшего импеданса. Результат в том, что путь возврата высокочастотного сигнала будет непосредственно рядом с трассой этого сигнала. Обычно разница в пути возврата не является проблемой, когда сигнальная трасса трассируется над землей, но может быть проблемой, когда земля прерывается под сигнальной трассой. Результат — прерывание пути возврата сигнала будет петлей. Петли следует избегать, так как они намного более эффективные излучатели EMI и негативно влияют на ЭМС дизайна.

Практические советы по дизайну

Теперь, когда мы представили краткое обсуждение источников шума высокоскоростных сигналов, мы можем перейти к обсуждению более конкретных советов по разводке.

Прежде чем браться за ваш следующий высокоскоростной дизайн печатной платы, вы должны сначала взглянуть на общие требования дизайна. Хорошие вопросы для задавания: Какова самая высокая частота в системе? Будет ли вам нужно использовать микроленточную линию или полосовую линию для достижения уровня подавления шума, требуемого дизайном? Каковы чувствительные сигналы в вашем дизайне? Каковы минимальные толерантности, требуемые производителем печатных плат? Есть ли чувствительные межсоединения между функциональными группами дизайна? С этими ответами в руках, общий взгляд на стековую структуру платы и композицию может быть определен.

1. Стековая структура платы (Board Stackup)

Одним из самых базовых соображений для нового дизайна схемы является стековая структура печатной платы. Если нет чувствительных сигналов для защиты, вы можете быть в порядке, используя стандартную двухслойную печатную плату. Если вам требуется трассировать сигналы как полосовые линии, вам понадобится 6-слойная стековая структура. 4-слойная печатная плата также может быть хорошим промежуточным вариантом.

Другое соображение — если вы можете создать стековую структуру так, чтобы питающие плоскости были очень близки друг к другу, вы можете снизить потребность в малых по номиналу развязывающих конденсаторах в вашем дизайне. Наконец, если вы можете разместить источники и приемники ваших высокоскоростных сигналов близко друг к другу на печатной плате, вы сможете устранить большую часть EMI и ЭМС, связанных с этими сигналами.

2. Питание и земельные плоскости

Самым базовым требованием для высокоскоростного дизайна является реализация полной земельной плоскости. Также может быть большой пользой включить полную плоскость питания, но это требует, чтобы дизайн был основан на четырехслойной или более высокой стековой структуре. Также есть польза в размещении сигнальных трасс очень близко к питающим плоскостям, что также должно информировать стековую структуру, используемую в окончательном дизайне.

При разделении частей питающей плоскости важно помнить, что высокоскоростные сигналы имеют ток возврата, следующий путем наименьшего импеданса, а не сопротивления. Будьте внимательны, чтобы не прерывать путь возврата высокоскоростного сигнала между его источником и приемником. Если вы должны прервать землю, старайтесь не трассировать сигнальные трассы над этим прерывом. В случае, если вы это делаете, рассмотрите пересоединение земли вдоль сигнальной трассы с резистором 0 Ом. Более лаконично: используйте максимально единообразные и непрерывные заземляющие и питающие плоскости в вашем дизайне, насколько это возможно.

3. Дополнительные темы

Развязывающие конденсаторы важны для создания низкоимпедансных путей к земле и питанию для высокочастотных сигналов. В общем, вам понадобится использовать ряд разных номиналов конденсаторов для подавления высокочастотного шума по диапазону частот. При размещении конденсаторов разместите конденсатор с наименьшим номиналом ближе всего к устройству, которое вы защищаете, а затем продолжайте с все большими и большими номиналами. Также убедитесь, что конденсатор размещен между устройством и питающей плоскостью, которую конденсатор развязывает. Это гарантирует, что устройство фактически развязано конденсатором.

Другие общие советы включают:
• Заругление углов трасс может снизить уровень излучаемого EMI сигналом. Это потому, что резкие изменения в трассах ведут к более высоким уровням емкости и также вызывают отражения высокоскоростных сигналов.
• Для минимизации перекрестных помех между сигнальными трассами, включая те на разных плоскостях, убедитесь, что они пересекают друг друга под прямыми углами.
• Избегайте виа в сигнальных трассах. Виа меняют характеристический импеданс трассы и могут вызывать отражения. Также, если вам нужно использовать виа с дифференциальными сигнальными трассами, рассмотрите их размещение в обеих трассах, чтобы обеспечить равенство их влияния в обеих трассах.
• Рассмотрите заглушку (stub), создаваемую использованием виа. Рассмотрите использование слепых или зарытых виа вместо обычных виа.
• Учитывайте задержки при использовании распределенного тактового решения. Избегайте ветвлений и согласовывайте длины трасс от тактового генератора к подключенным устройствам. Часто рекомендуется использовать драйвер тактового сигнала.

Полезные ресурсы:
• Исследование высокоскоростного проектирования печатных плат во встроенных прикладных системах
• Дифференциальная изометрическая обработка и верификация симуляции высокоскоростного проектирования печатных плат
• Как проектировать образные плоскости для высокоскоростных печатных плат
• 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