Эффективное подавление отражения сигналов в высокоскоростных топологиях печатных плат

С наступающим развитием электронной науки и техники электронная система, состоящая из кристалов ИС, быстро развивается в сторону крупного масштаба, миниатюризации и высокой скорости. Одновременно возникает проблема: уменьшение объема электронной системы приводит к увеличению плотности трассировки схемы, частота сигналов постоянно растет, а время переключения фронта сигнала становится короче. Когда задержка межсоединения сигналов превышает время переключения сигнала на 10%, сигнальные проводники на плате проявляют эффект линий передачи, делая ряд проблем — отражение сигналов и перекрестные наводки — всё более выдающимися. Появление проблем высокоскоростных схем создает большие вызовы для аппаратного проектирования: если некоторые проекты, считающиеся правильными с логической точки зрения, не обработаны надлежащим образом, всё проектирование пострадает от неудачи. Поэтому то, как решить проблемы высокоскоростных схем, стало одним из существенных элементов, определяющих успех системы.

Принципы отражения и его влияние

Принципы отражения

Прямая причина отражения — несовместимость импеданса линий передачи, приводящая к неполному поглощению энергии сигнала на конце. Проблема отражения отражает качество сигнала отдельной сети, связанную с физическими свойствами сигнального пути отдельной сети и пути возврата. Обычно физические свойства трассировки печатной платы сильно влияют на линии передачи, основные из которых: материал трассировки, ширина, толщина, расстояние до других трассировок, плоскостей и диэлектрическая проницаемость соседнего материала. Когда сигналы передаются вдоль отдельной сети, генерируется переходное изменение импеданса межсоединений. Если импеданс межсоединения, воспринимаемый сигналами, остается неизменным, неискаженность сохраняется. Если воспринимаемый импеданс меняется, возникает искажение с отражением в точке изменения. Отраженный сигнал передается обратно к излучающему концу сигналов и отражается снова, пока не упадет с уменьшением энергии. В конечном счете напряжение и ток сигналов стабилизируются.

Расчет отражения

Когда сигналы передаются вперед вдоль линий передачи, в любой момент ощущается переходный импеданс. Если импеданс, воспринимаемый сигналами, постоянный, передача идет нормально. Как только воспринимаемый импеданс меняется, отражение всегда возникает, независимо от причины. Важным индексом, измеряющим величину отражения, является коэффициент отражения, указывающий отношение между отраженным напряжением и напряжением исходного сигнала. Коэффициент отражения определяется по формуле .

В этой формуле Z₁ — импеданс после изменения, Z₀ — импеданс до изменения. Пусть волновой импеданс трассировки печатной платы равен 50 Ом. В процессе передачи встречается резистор 150 Ом, тогда коэффициент отражения = (150−50)/(150+50) = 1/2 (в данном случае влияние паразитной емкости и индуктивности не учитывается, резистор считается идеальным чистым резистором). Этот результат указывает на то, что половина энергии исходного сигнала передается обратно к источнику. Если напряжение передаваемых сигналов 5 В, отраженное напряжение составляет 2,5 В.

Влияние отражения

1. Искажение сигнала, вызванное отражением
   Если линия не завершена правильно, сигнальный импульс от ведущего конца отражается на принимающем конце. Когда отраженные сигналы достаточно сильны, наложенная форма волны может изменить логическое состояние, приводя к неожиданному эффекту и искажению контура сигнала. Когда искажение становится очевидным, может вызвать множество ошибок с неудачей проектирования. Одновременно сигналы с искажением более чувствительны к шуму, что также вызовет неудачу проектирования.
2. Перелет (overshooting) и пролет (undershooting), вызванные отражением
   Перелет означает, что первый пиковый или впадинный значение превышает напряжение. Для переднего фронта это значит, что первый пик превышает максимальное напряжение, для спада — первая впадина ниже минимального напряжения. Чрезмерный перелет может уничтожить защитные диоды, приводя к раннему отказу. Пролет означает, что следующая впадина или пик могут сгенерировать ложные тактовые сигналы, приводя к ошибочным операциям чтения и записи системы.
3. Колебания (Oscillation)
   Колебания — также симптом, вызванный отражением. С тем же свойством, что и перелет, повторяющиеся перелет и пролет называются колебаниями в пределах тактового цикла. Это результат того, что избыточная энергия, 생긴ная отражением, не поглощается вовремя в схеме.

Методы подавления отражения

Основные элементы, вызывающие отражение: геометрическая форма трассировки (ширина, длина, углы поворотов), переход одной и той же сети на другую плоскость трассировки, передача через разъем, разрыв между питанием и землей, неверная топологическая структура и несовместимость конца сети. Основные методы подавления представлены ниже.

Повышение системной частоты

Скорость перехода фронта сигнала снижается в возможных ситуациях, чтобы отражение линий передачи достигало стабильного состояния до соединения сигнала с линией передачи. С одной стороны, должны выполняться проектные правила; с другой — компоненты с низкой скоростью должны выбираться для избежания смеси разных типов сигналов.

Оптимизация обработки сигналов

Из-за строгих требований по временным последовательностям компоненты и узлы, которые могут вызвать высокоскоростные проблемы, должны определяться заранее. Все виды требований к размещению компонентов и трассировке должны корректироваться, и проектный индекс целостности сигнала будет в конечном счете контролироваться. Основные методы обработки включают:

1. Применение относительно тонких печатных плат для уменьшения паразитных параметров переходных отверстий.
2. Число слоев должно быть распределено подходяще. Внутренние слои должны быть полностью использованы для установки экрана, чтобы лучше реализовать смежное заземление, что эффективно снизит паразитную индуктивность, сократит длину передачи сигналов и значительно увеличит перекрестные наводки между сигналами.
3. Геометрическая форма сигнальных линий на печатной плате должна контролироваться с уменьшением поворотов и минимизацией точек разрыва импеданса трассировки. Особенно для трассировки в высокочастотных схемах должны применяться полностью прямые линии. Когда повороты необходимы, можно применять ломаные линии или дуги 45°, что уменьшит внешнее излучение высокочастотных сигналов и связанность между ними.
4. Трассировка важных сигнальных линий должна располагаться в одной плоскости для уменьшения ненужных переходных отверстий.
5. Целостность плоскости должна быть обеспечена для предоставления пути возврата с низким импедансом для сигнальных линий. Это направлено на снижение связанности общего режима импеданса и коммутационного шума общего режима для уменьшения или устранения проблем целостности сигнала, касающихся системы питания.
6. Применение правильной топологической структуры трассировки.

Топологическая структура трассировки относится к последовательности и структуре трассировки сигнальной линии. В практических схемах всегда бывает ситуация, когда один источник питания управляет несколькими нагрузками, и источник питания и нагрузки соответствуют топологии структуры. Разные топологические структуры имеют очевидно разное влияние на сигналы. Обычно в трассировке печатных плат применяются два типа базовых топологических структур: цепочечная (daisy chain) и звездообразная (star-shape), как показано на рисунке 1.

Цепочечная (Daisy chain)

Трассировка начинается от ведущего конца и последовательно прибывает к каждому принимающему концу. Если применяется последовательный резистор для изменения свойств сигнала, позиция последовательного резистора должна быть максимально близка к ведущему концу. В плане контроля высокогармонических помех цепочечная структура обладает лучшим эффектом трассировки. Однако этот тип трассировки имеет наименьшую трассируемость, менее 100%. В практике проектирования длина ветви в цепочечной структуре должна быть максимально короткой. Пространство трассировки этой топологической структуры мало, и один резистор может использоваться для согласования с завершением. Кроме того, этот тип структуры трассировки приводит к асинхронности приема сигналов на разных принимающих концах.

Звездообразная топология (Star-shape topology)

Этот тип трассировки способен эффективно избегать несинхронизации тактовых сигналов, но имеет недостаток: каждый филиал требует завершающего резистора. Значение сопротивления завершающего резистора должно быть совместимо с волновым импедансом линии. Для систем, чьи разные сигналы имеют одновременные требования на принимающем конце, звездообразная топология наиболее подходит.

Методы завершения (Termination)

Волновой импеданс на пути передачи сигналов должен поддерживаться постоянным, то есть коэффициент отражения равен 0, что означает отсутствие отражения на пути передачи. Это состояние называется согласованием импеданса. В этот момент сигналы идеально передаются от земли к концу. Обычно длина линии передачи должна соответствовать условию .

В этом неравенстве L — длина линии передачи; tᵣ — время фронта сигналов на источнике; tₚ𝒹₁ — задержка передачи нагрузки на единицу длины на линиях передачи. Когда интегральный переход уровня происходит до прибытия отражения к дальнему концу, требуется применить технологию завершения на конце. Принципы завершения концов линий передачи включают: если либо коэффициент отражения нагрузки, либо коэффициент отражения источника равен нулю, отражение будет устранено. Обычно применяются две стратегии: импеданс источника делается совместимым с импедансом линии передачи — завершение источника (source termination); импеданс нагрузки делается совместимым с импедансом линии передачи — завершение на конце (end termination).

1. Завершение источника (Source termination)
   Завершение источника — это в основном метод последовательного завершения, реализуемый путем включения последовательного резистора в линии передачи на позициях, смежных с ближним к источнику концом. Сумма значения сопротивления последовательного резистора и ведущего конца должна равняться значению сопротивления линий передачи. Принцип последовательного завершения — устранение отраженного напряжения от конца нагрузки для остановки второго отражения линий передачи, как показано на рисунке 2.

2. Завершение на конце (End termination)
   Основной принцип завершения на конце — добавление подтягивающего или стягивающего резистора на позициях, смежных с концом нагрузки, для реализации согласования импеданса. Завершение на конце обычно делится на параллельное завершение одним резистором, RC-завершение, Тевененовское завершение и завершение шоттки-диодом, как показано на рисунке 3.

Сопротивление в параллельном завершении одним резистором равно импедансу линий передачи. Значения двух резисторов в Тевененовском завершении должны следовать формуле: Z₀ = R₁R₂/(R₁+R₂). Значение емкости в RC-завершении следует формуле: C = 3T/Z₀, где T — время фронта сигналов, Z₀ — импеданс линий передачи.

С точки зрения системного проектирования параллельное завершение должно выбираться в первую очередь, потому что оно наиболее способно снижать шум, EMI и RFI по сравнению с другими тремя методами завершения. Согласно практическим обстоятельствам, выбирается подходящий метод завершения, и при необходимости должна проводиться имитационная проектировка.

Заключение

В высокоскоростном проектировании печатных плат успешные предварительные условия включают разумное размещение и трассировку, избегание ненужных поворотов и переходных виа, непрерывность импеданса, целостные опорные плоскости сигналов и отличное заземление. Для оптимизации проектирования и целостности сигнала и получения более высокой электромагнитной совместимости должна проводиться верификация имитационного проектирования. Она помогает проектировщикам устранять дефекты проектирования вовремя и компенсировать недостатки в проектировании печатных плат.

Полезные ресурсы
• Советы по высокоскоростной трассировке
• Вызовы высокоскоростного проектирования печатных плат по целостности сигнала и их решения
• Анализ целостности сигнала и проектирование печатных плат на высокоскоростных цифро-аналоговых смешанных схемах
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множество ценных опций
• Продвинутый сервис сборки печатных плат от PCBCart — от 1 штуки