Управление импедансом при проектировании печатной платы высокоскоростной цифровой схемы

Технологии управления импедансом очень важны при проектировании высокоскоростных цифровых схем, в которых должны быть приняты эффективные методы для обеспечения превосходных характеристик высокоскоростных печатных плат.

Расчет импеданса и контроль импеданса высокоскоростных линий передачи на печатной плате

• Эквивалентная модель на линиях электропередачи

На рисунке 1 показано эквивалентное воздействие линий передачи на печатные платы, представляющие собой структуру, включающую тандемные и множественные конденсаторы, резисторы и катушки индуктивности (модель RLGC).

Типичное значение тандемного сопротивления находится в диапазоне от 0,25 до 0,55 Ом/фут, а значение сопротивления нескольких резисторов обычно остается довольно высоким. С добавлением паразитного сопротивления, емкости и индуктивности в линии передачи печатных плат общий импеданс на линиях передачи называется характеристическим сопротивлением (Z₀ ). Значение характеристического сопротивления относительно невелико при условии, что диаметр линии большой, линия близка к питанию/земле или высокая диэлектрическая проницаемость. На рис. 3 показана эквивалентная модель линии передачи длиной dz, на основании которой волновое сопротивление линии передачи можно вывести по формуле:. В этой формуле L относится к индуктивности каждой единицы длины линии передачи, а C относится к емкости каждой единицы длины линии передачи.

• Формула расчета импеданса и задержки линий передачи на печатной плате

Линии передачи на печатной плате	Формула расчета импеданса и задержки

В приведенных выше формулах Z₀ относится к импедансу (Ом), W относится к ширине линий (дюйм), T относится к толщине линий (дюйм), H относится к расстоянию до земли (дюйм), относится к относительной диэлектрической проницаемости подложки, и т_PD относится ко времени задержки (пс/дюйм).

• Правила схемы управления импедансом линий передачи

Основываясь на приведенном выше анализе, единичная задержка импеданса и сигнала не зависит от частоты сигналов, но связана со структурой платы, относительной диэлектрической проницаемостью материала платы и физическими свойствами трассировки. Этот вывод чрезвычайно важен для понимания высокоскоростных печатных плат и проектирования высокоскоростных печатных плат. Более того, скорость передачи линии передачи сигнала во внешнем слое намного выше, чем во внутреннем слое, поэтому эти элементы необходимо учитывать при компоновке расположения ключевых линий.

Управление импедансом является важной предпосылкой для реализации передачи сигнала. Однако, согласно структуре платы и формуле расчета импеданса линий передачи, импеданс зависит только от материала печатной платы и структуры слоев печатной платы, при этом ширина линии и характеристики трассировки неизменны для одной и той же линии. Следовательно, импеданс линии не будет меняться на разных слоях печатной платы, что не допускается при проектировании высокоскоростных схем.

Для этой статьи разработана высокоскоростная печатная плата с высокой плотностью, и большинство сигналов на плате имеют требования к импедансу. Например, сигнальная линия CPCI должна иметь импеданс 65 Ом, дифференциальный сигнал — 100 Ом, а остальные сигналы — все 50 Ом каждый. В соответствии с пространством маршрутизации печатной платы необходимо использовать по крайней мере 10-уровневую трассировку и определить план проектирования 16-уровневой печатной платы.

Поскольку общая толщина доски не может превышать 2 мм, возникают некоторые трудности с точки зрения штабелирования с учетом некоторых проблем:

1). К каждому сигнальному слою примыкают плоскости изображения для защиты импеданса и качества сигнала.

2). Каждая плоскость питания имеет рядом с собой полный заземляющий слой, так что производительность питания может быть гарантирована.

3). Укладка доски требует баланса, чтобы избежать коробления доски.

Диэлектрическая проницаемость среды принимается равной 4,3. Основываясь на приведенной выше конструкции стека, ширина линии и расстояние между линиями должны быть установлены в соответствии с результатом расчета, чтобы обеспечить требование импеданса сигнала. Ширина линии получается следующим образом:

1). Ширина сигнальной линии на поверхностном слое составляет 5 мил при сопротивлении 58,7 Ом.

2). Ширина сигнальной линии CPCI на поверхностном слое составляет 4,5 мила при сопротивлении 61,7 Ом.

3). Ширина сигнальной линии во внутреннем слое составляет 4,5 мила при сопротивлении 50,2 Ом.

4). Ширина линий в области BGA во внутреннем и поверхностном слоях составляет 4 мила при импедансе поверхностного слоя 64,6 Ом и импедансе внутреннего слоя 52,7 Ом.

5). Ширина микрополосковой дифференциальной линии во внутреннем слое составляет 5 мил с расстоянием между линиями 6 мил и сопротивлением 100,54 Ом.

6). Ширина полосковой дифференциальной линии во внутреннем слое составляет 4,5 мила при расстоянии между линиями 10 мил и импедансе 96,6 Ом.

Расстояние между линиями задается следующим образом:

1). Расстояние между сигнальными линиями (5 мил) на поверхностном слое составляет 5,0 мил.

2). Расстояние между сигнальными линиями CPCI (4,5 мил) на поверхностном слое составляет 9,0 мил.

3).. Расстояние между сигнальными линиями (4,5 мил) на внутреннем слое составляет 7,0 мил.

4). Расстояние между линиями на поверхностном слое и внутреннем слое составляет 4,0 мил.

5). Расстояние между дифференциальными сигнальными линиями на внутреннем слое и между ними и другими сигнальными линиями должно быть не менее 25 мил.

6). Расстояние между дифференциальными сигнальными линиями на поверхностном слое и между ними и другими сигнальными линиями должно быть не менее 20 мил.

После печати печатной платы импеданс тестовой платы проверяется с помощью тестера импеданса POLAR-Cits500. Результаты приведены в следующей таблице. Данные показывают, что импеданс должен контролироваться в диапазоне 50 Ом - %, 60 Ом - % и 100 Ом - % в процессе проектирования и изготовления высокоскоростной печатной платы.

Предустановленное сопротивление (Ом)	Практический импеданс (Ом)
50	47,52–52,33
60	57,65–61,35
100	93,65–106,35

LVDS и контроль импеданса на печатных платах

• LVDS

LVDS — это тип уровня высокоскоростной последовательной передачи сигнала с преимуществами высокой скорости передачи, низкого энергопотребления, сильной защиты от помех, большого расстояния передачи и возможного согласования. Области применения LVDS включают компьютер, связь и потребление.

• Расчет импеданса LVDS

LVDS имеет размах напряжения всего 350 МВ при самом большом расстоянии передачи более 10 метров. Чтобы гарантировать, что сигналы не будут подвержены влиянию отраженного сигнала в процессе передачи сигнала в линиях передачи, полное сопротивление линий передачи должно контролироваться с сопротивлением одиночной линии 50 Ом и дифференциальным сопротивлением 100 Ом. В практическом применении импеданс можно контролировать, устанавливая разумную толщину наложения и параметры среды, регулируя ширину линии и расстояние между линиями и вычисляя импеданс одиночных линий и дифференциальных линий с помощью некоторых высокоскоростных инструментов анализа моделирования.

Однако в большинстве случаев относительно сложно выполнить требования однолинейного импеданса и дифференциального импеданса. С одной стороны, диапазон регулировки ширины линии W и расстояния между линиями S определяется физическим пространством конструкции. Например, на разводку и ширину линии в краевых соединителях с BGA или DIP влияет размер контактной площадки и расстояние. С другой стороны, изменение W и S повлияет на результат однолинейного и дифференциального импеданса. До сих пор было легко и удобно вычислять взаимосвязь между предустановленной шириной линии и расстоянием между ними.

• Правила маршрутизации LVDS

Вообще говоря, дифференциальная маршрутизация сигналов реализуется в соответствии с правилами расчета импеданса, что обеспечивает качество LVDS. При практической маршрутизации LVDS должен соответствовать следующим правилам:

1). Дифференциальные пары должны быть максимально короткими, линии должны быть прямыми, а количество сквозных отверстий уменьшено. Расстояние между сигнальными линиями в дифференциальных парах должно быть одинаковым. Все эти правила способствуют избежанию длинной маршрутизации и многочисленных отключений. Что касается поворотов, то вместо поворота на 90 градусов следует использовать поворот на 45 градусов.

2). Расстояние между дифференциальными парами должно поддерживаться более чем в 10 раз, чтобы уменьшить перекрестные помехи между линиями. При необходимости для изоляции между дифференциальными парами можно разместить сквозные отверстия заземления.

3). LVDS нельзя разделить по поверхности. Хотя два дифференциальных сигнала являются взаимными обратными путями, обратный путь сигнала не может быть сокращен в результате поверхностного разделения. Тем не менее, линии передачи могут привести к разрыву импеданса из-за отсутствия плоскостей изображения.

4). Избегайте дифференциального сигнала между слоями. При изготовлении печатных плат точность совмещения слоев между слоями намного ниже, чем точность травления в том же слое плюс потери в среде при укладке, что приводит к изменению дифференциального сопротивления между дифференциальными парами.

5). В импедансном расчете следует использовать метод связи.

6). Должна быть установлена ​​подходящая структура стека печатных плат, чтобы обеспечить изоляцию между сигналами уровня напряжения и LVDS. Когда это возможно, такие сигналы, как высокоскоростные TTL/CMOS, могут быть установлены на разных уровнях, изолированных от маршрутизации LVDS уровнями заземления и питания.

7). Пары дифференциальных сигналов должны быть совместимы с длиной маршрутизации.

Полезные ресурсы
• Элементы, влияющие на волновое сопротивление печатной платы, и соответствующие решения
• Рекомендации по проектированию импеданса гибко-жесткой печатной платы
• Как анализировать и запрещать импеданс высокоскоростного питания печатной платы
• Контроль импеданса переходных отверстий и его влияние на целостность сигнала при проектировании печатных плат
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart — несколько дополнительных опций
• Усовершенствованная услуга по сборке печатных плат от PCBCart — начиная с 1 шт.