Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов и электропитания

Высокоскоростные печатные платы

Сохранение целостности электрических сигналов и электропитания

Андрей Васильевич Трундов

© Андрей Васильевич Трундов, 2023

ISBN 978-5-0051-8944-8

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Аннотация автора

Еще в прошлом веке переход от аналогового представления сигналов к цифровому представлению по мнению инженеров и ученых должен был привести к «революции» в электронике. При таком переходе ожидалось значительное снижение требований к форме сигнала, следствием чего должна была стать отличная помехоустойчивость.

Ожидания ученых оправдались. Благодаря переходу к «цифре» появилась возможность повышения скорости обработки данных, развития высокоскоростных последовательных интерфейсов. Все это способствовало быстрому развитию цифровых систем обработки информации, телефонной, телевизионной, компьютерной техники.

Но был замечен и отрицательный эффект. Многие инженеры, разделив схемотехнику на «аналоговую» и «цифровую», ошибочно представляли в роли одиночного импульса идеальный импульс прямоугольной формы, забывая о том, что любой цифровой сигнал имеет аналоговую природу, не учитывая, что форма реального импульса напряжения, определяемая его временными, частотными, энергетическими характеристиками, может отличаться от идеальной формы.

С течением времени из-за повышения скорости передачи информации, возможного благодаря увеличению крутизны фронта и спада импульсов, расширение частотного спектра сигнала потребовало изменения подходов к анализу линий передачи данных.

Вместо рассмотрения систем с сосредоточенными параметрами для гарантии сохранения целостности или первоначальной формы сигналов появилась необходимость проектирования систем с распределенными параметрами, организованных внутри печатной платы.

Пренебрежение аналоговой природой цифровых сигналов далее стало недопустимым, круг замкнулся и в современной радиотехнике появилась новая ветвь – теория сохранения целостности электрических сигналов и электропитания.

Информация, представленная далее, посвящена разработке высокоскоростных печатных плат с учетом применения правил сохранения целостности электрических сигналов и электропитания и основана на понимании электрофизических основ. Технологические и производственные вопросы, связанные с проектированием и изготовлением печатных плат, в книге не рассматриваются.

Предполагается, что читатель может быть не знаком с основами курса физики и электроники. Раздел «Теоретические основы» поможет закрыть некоторые пробелы в этих областях знаний только в том объеме, в котором это необходимо для проектирования конструкции печатных плат и применения методов согласования сопротивлений в электрических схемах.

Для начинающих радиолюбителей, студентов, конструкторов книга может стать справочным пособием по проектированию высокоскоростных печатных плат с набором правил «хорошего тона».

Курсивом выделены фрагменты наиболее важные с точки зрения автора.

Благодарю руководство и сотрудников компаний Mentor (A Siemens Business) [11] и ООО «ПСБ СОФТ» – официального дистрибьютора фирмы «CADENCE Design Systems» в России [12] за помощь в создании книги и возможность познакомиться с программными продуктами HyperLynx SI, PI, Thermal и Sigrity для моделирования, проектирования и анализа печатных плат.

Благодарю сотрудников и выпускников кафедры «Радиотехника и Радиоэлектронные системы» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» и уважаемых коллег инженеров за важные замечания и рекомендации, часть из которых были учтены при создании книги.

Искреннюю признательность выражаю моему другу, учителю, инженеру Прокурову А. С., оказавшему большую поддержку во время написания и редактирования книги и

инженеру конструктору Ленину Д. А., вдохновившему меня на попытку создания книги для конструкторов печатных плат.

Благодарю интернет издательство «Ридеро» – ООО «Издательские решения» за возможность делиться с читателем моим опытом и идеями.

Предисловие

В марте 2015 г. в РФ был введен в действие межгосударственный стандарт ГОСТ IEC 61188-1-2-2013 «Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение». В документе внимание разработчиков радиоэлектронной аппаратуры обращено на серьезные требования, предъявляемые радиоэлектронной промышленностью к проектированию высокоскоростных печатных плат, предложен набор правил и рекомендаций для обеспечения выполнения требований сохранения целостности сигналов и питания.

Методы и правила сохранения целостности электрических сигналов в стандарте представлены без объяснений принципов их работы. Для правильного их применения в соответствии с реальной ситуацией требуется углубленное изучение.

Отечественная литература по данной тематике практически отсутствует. В различных ВУЗах нашей страны существуют разрозненные методические пособия и материалы, преподаваемые в рамках курса «Радиотехника». Некоторые доступные работы зарубежных авторов по данной тематике перечислены в разделе «Список рекомендуемой литературы и указателей», представленном в конце книги.

Отсутствие систематизированной информации по теме сохранения целостности сигналов и питания и невнимательность к данной теме руководителей проектов приводит к пренебрежению в использовании достаточно простых, но важных правил перед началом эскизного и в процессе рабочего проектирования печатных плат.

В конечном итоге серьезные недостатки в области электромагнитной совместимости да и просто в работоспособности проявляются только в процессе испытаний электрических макетов, что приводит к значительному увеличению сроков разработки и стоимости изделий.

В книге сделана попытка объяснить и систематизировать известные правила проектирования печатных плат.

Огромную помощь в понимании электрофизических процессов и «проверке знаний» дала возможность применения систем моделирования, проектирования и анализа печатных плат HyperLynx SI/PI компании Mentor (A Siemens Business) и Sigrity фирмы «Cadence Design Systems» как в предтопологическом, так и в посттопологическом режиме после разработки конструкций плат до момента их изготовления.

Именно хорошая сходимость результатов моделирования с результатами реальных измерений, накопленных за время практической деятельности, позволили представить в книге правила и методики повышения качества печатных плат без строгого математического обоснования.

Прочитав книгу вы познакомитесь с понятиями:

– электромагнитное поле и электромагнитная волна,

– цифровой сигнал,

– пассивные элементы и типовые звенья на их основе,

– линия передачи,

– волновое сопротивление линии передачи,

– однородность линии передачи,

– виды и причины неоднородностей линии передачи,

– методы согласования сопротивлений,

– собственная частота резонанса линии передачи,

– скорость распространения электромагнитной волны

в различных средах и типах линий передачи,

– матрица конденсаторов для снижения уровня шумов, "дребезга земли" и "эффекта хлопающих крыльев" в системе электропитания печатной платы.

Вы узнаете почему «нельзя» и в каких случаях «можно»:

– использовать длинные проводники,

– трассировать соседние проводники близко друг к другу

– располагать сигнальные проводники близко

к проводникам или полигонам земли и питания,

– изменять ширину проводника по ходу трассы,

– допускать разрывы полигона земли (опорного слоя)

под сигнальными проводниками или линиями передачи,

– допускать изгибы проводников,

– допускать создание «контуров» и «петель»,

– допускать установку переходных отверстий,

– допускать ветвление проводников.

Вы научитесь:

– применять методы согласования сопротивлений,

– организовывать однородные линии передачи,

– организовывать стек печатной платы,

– организовывать классы цепей,

– разрабатывать правила для отдельных классов цепей,

– оптимально размещать элементы на плате,

– применять электрическое и магнитное экранирование,

– применять методы улучшения электромагнитной совместимости разрабатываемых устройств,

– оценивать необходимость выравнивания проводников в шинах и дифференциальных парах,

– устанавливать «матрицы конденсаторов»,

– снижать плотности токов в проводниках и полигонах питания,

– обеспечивать низкий и равномерный импеданс цепей питания в требуемом диапазоне частот.

Теоретические основы

При разработке высокоскоростных печатных плат в них вместо обычных проводников должны быть организованы линии передачи.

Линия передачи – это конструкция, состоящая из сигнального проводника, опорного слоя и диэлектрика между ними.

Данная конструкция напоминает обычный конденсатор, способный накапливать между своими обкладками электрическую энергию. Поэтому внутри линии передачи сосредоточено переменное электрическое поле. Вокруг нее создается магнитное поле, порождающее электрическое поле с последующим формированием электромагнитной волны.

Если линия передачи однородна и геометрия сечения в любой ее точке не меняется на всем протяжении, частотные и энергетические характеристики исходного сигнала при прохождении через линию остаются неизменны. Энергия сигнала почти полностью переходит из источника в приемник. Из-за потерь в диэлектрике возможно лишь некоторое снижение амплитуды сигнала, зависимое от длины линии. При этом сигнал не теряет первоначальных и не приобретает новых характеристик, что и является идеальной картиной сохранения его целостности.

Если линия передачи неоднородна, часть энергии сигнала, отраженная от неоднородности, может наложиться на падающую (от источника) волну, что приведет к формированию колебательного процесса с частотой собственного резонанса, определяемой длиной сегмента, расположенного между двумя соседними неоднородностями. В результате возникнут потери на излучение, поскольку порция энергии будет излучаться участком линии передачи как антенной.

Кроме потерь в диэлектрике и скин слое сигнального проводника, потерь на излучение в сегментах линии передачи, причиной искажения его формы и нарушения его целостности могут быть воздействия внешних помех, наводок от соседних линий и неправильная организация системы электропитания, которая может стать причиной повышенных шумов и увеличения суммарного джиттера.

Электрическое поле

Вокруг неподвижного электрического заряда создается неподвижное электрическое или электростатическое поле. Если попытаться изобразить электрическое поле заряженного шара, будет нечто, похожее на колючего морского ежа. Острия стрелок будут направлены от шара, что будет показывать, что в шаре сосредоточен электрический заряд и его потенциал выше потенциала окружающего пространства. Если заряд отрицательный, то стрелки из окружающего пространства условно можно изобразить остриями, входящими внутрь изображенного шара. Электрическое поле, как и электрический ток, всегда распространяется в сторону наименьшего потенциала или в сторону меньшей напряженности поля.

Рис. 1 Электрическое поле вокруг заряженного шара, проводника с током и между обкладками заряженного конденсатора

Емкостная связь, показанная на рисунке, является одной из важнейших иллюстраций взаимодействия между соседними линиями передачи через электрическое поле.

Энергию электрического поля характеризуют векторы напряженности E. Их число или «плотность» на единицу площади или объема определяют амплитуду напряженности, а направление показывает «рельеф» электрического поля.

Магнитное поле

Вокруг проводника с электрическим током возникает магнитное поле, которое можно представить в виде окружностей силовых линий. Направление «вращения» силовых линий магнитного поля определяется по правилу «правой руки».

Если изобразить руку, которая обхватила провод, и представить, что большой палец показывает направление тока, другие пальцы покажут направление «закручивания» силовых линий.

Рис. 2 Правило правой руки для определения направления силовых линий магнитного поля

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B, направленный по касательной к силовым линиям магнитного поля или вектор напряженности магнитного поля H, направление которого в вакууме совпадает с направлением вектора B.

Набор одинаково направленных векторов магнитной индукции, распределенный по некоторой области пространства, называется магнитным потоком Ф. Магнитные потоки различных полей могут взаимодействовать между собой в соответствии с их направлением.

Индуктивная связь является второй из важнейших иллюстраций взаимодействия между соседними линиями передачи через магнитное поле.

Как и линии напряженности электрического поля, линии напряженности магнитного поля, их число на единицу объема, показывают величину и рельеф магнитного поля.

Если нарисовать векторы магнитной индукции по касательной к силовым линиям магнитного поля в центре витка с током, все они будут совпадать по направлению и суммарная величина магнитного потока, созданного такими векторами, будет равна сумме величин всех векторов в данной точке пространства. То есть, концентрация векторов и магнитный поток в центре витка с током будет иметь максимальное значение.

Рис. 3 Увеличение магнитного потока в центре витка с током

В месте изгиба проводника концентрация векторов магнитной индукции увеличивается по сравнению с их количеством на единицу прямого участка линии. Увеличение концентрации векторов в таких зонах говорит о локальном увеличении индуктивности и повышении энергии магнитного поля.

Именно из-за наличия изгибов и контуров большой крутизны и площади резко возрастает вероятность и уровень наводки между соседними линиями передачи.

Рис. 4 Повышение концентрации векторов B в центре изгиба проводника

Энергия магнитного поля определяется из выражения

Если сила тока и его скорость в проводнике меняются (например, в местах прохождения фронта или спада прямоугольного сигнала), вокруг проводника возникает переменное магнитное поле, которое создает (порождает вокруг себя) переменное электрическое поле. Такое взаимодействие приводит к появлению электромагнитного поля.

Рис. 5 Формирование электромагнитной волны

В вакууме направление и величина напряженности магнитного поля H и вектора магнитной индукции B совпадают. В общем случае справедливо выражение.

,где µ0 = 4π*10—7 Гн/м – магнитная постоянная, µ – магнитная проницаемость среды, π = 3,14 – постоянный коэффициент.

Вектор напряженности электрического поля перпендикулярен вектору напряженности магнитного поля. Вектор Умова-Пойнтинга П, равный векторному произведению векторов электрической напряженности E и магнитной напряженности H, показывает количество энергии и направление распространения электромагнитного поля.

На рисунке выше векторы показаны только в одной точке пространства. Если изобразить распространение волны для фронта прямоугольного импульса, волна будет излучаться от проводника в окружающую среду и будет перемещаться по ходу движения фронта сигнала вдоль проводника с током.

Рис. 6 Электромагнитное поле, сформированное фронтом импульса в проводнике

Электромагнитные волны способны накладываться друг на друга, например, при отражении от неоднородностей. Такое явление называется интерференцией.

Электромагнитные волны способны огибать препятствия, если размеры препятствий соизмеримы с длиной волны или меньше длины волны. Такое явление называется дифракцией.

Электромагнитные волны способны наводиться на проводники, формируя в них вихревые токи.

Электромагнитные волны способны поглощаться в электрических материалах и диэлектриках с потерей энергии.

Если проводник или проводящая поверхность не заземлены, они могут стать источником вторичного излучения. В этом случае волна будет переизлучаться или отражаться. При соединении данной проводящей поверхности с землей, энергия излучения будет снижена до минимального значения. На этом принципе основано электрическое экранирование.

Величины электрического поля и магнитного поля убывают с увеличением расстояния от источника сигнала. Различают распространение электромагнитной волны в ближнем поле и дальнем поле. Граница lгр между полями определяется выражением

,где 𝜆 – длина волны.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал является носителем информации. Основная задача системы передачи информации – обеспечить неискаженную передачу цифровых сигналов из источника в приемник. Приемник должен правильно «распознать» логические нули и единицы (в двоичной системе счисления) для восстановления сигнала, претерпевшего искажения в линии передачи. Важно знать основные характеристики прямоугольного импульса напряжения, причины, приводящие к искажению импульсов и построить систему передачи так, чтобы либо предотвратить или уменьшить эти искажения, либо восстановить сигнал по некоторым критериям.

Единичным или базовым элементом цифрового сигнала в книге определен одиночный прямоугольный импульс напряжения [7].

Во временной области сигнал может быть представлен как зависимость изменения напряжения от времени.

В частотной области сигнал может быть представлен спектром – набором гармонических колебаний с разными значениями амплитуд, распределенным на частотной оси.

С точки зрения распространения энергии о сигнале можно говорить как об электромагнитной волне.

Представление сигнала во временной области мы можем наблюдать на экране осциллографа. При включении режима быстрого преобразования Фурье на экране осциллографа можно наблюдать спектр сигнала в режиме реального времени. Прибор, позволяющий увидеть распространение электромагнитной волны в пространстве, пока является только мечтой многих радиолюбителей, ученых и инженеров.

Основными параметрами идеального прямоугольного импульса являются длительность и амплитуда. В многопроводных интерфейсах может быть добавлена третья характеристика – положение импульса на временной оси, а также отклонение фронта и спада импульса от «ожидаемых» значений, называемое джиттером.

В характеристиках интерфейсов также встречается параметр «skew» (разбег фронтов сигналов в разных линиях одной шины либо дифференциальной пары).

Положение сигнала на временной оси, сдвиг относительно ожидаемого значения по времени, разбег задержек не относятся к форме сигнала и не могут быть применимы при разговоре о его целостности, но являются важными параметрами различных интерфейсов и должны приниматься во внимание в том числе и инженерами конструкторами печатных плат.

Изменение напряжения из состояния логического нуля в состояние логической единицы (фронт) и наоборот (спад) в идеальном импульсе происходит за временной интервал с нулевым значением, в результате чего скорость изменения фронта/спада импульса стремится к бесконечности.

Рис. 7 Идеальный прямоугольный импульс напряжения

Данная математическая модель в реальности не достижима из-за наличия конечного выходного сопротивления источника сигнала R, суммарной емкости С передатчика, приемника и линии передачи.

Последовательно установленный в линию передачи резистор R и параллельно установленный конденсатор C вместе образуют фильтр нижних частот, подавляющий высокочастотные гармоники в спектре сигнала, что приводит к затягиванию фронта и спада импульса.

Заряд емкости C через сопротивление R происходит за время

tНАР = 2,2RC

То есть, на экране осциллографа при некоторой временной развертке мы увидим затягивание во времени фронта и спада импульса. И вместо прямоугольного импульса получится трапецеидальный импульс напряжения.

Рис. 8 Трапецеидальный импульс напряжения

Для увеличения «крутизны» или скорости нарастания фронта импульса в полосу пропускания линии передачи должно «войти» большее количество гармоник спектра сигнала.

Первоначальную форму импульса определяет схемотехника выходного каскада источника сигнала. С учетом характеристик линии передачи и входного каскада приемника форма импульса может быть искажена как в области фронта/спада, так и в области площадки. При прохождении через линию передачи импульс задерживается на некоторое время, что приводит к его сдвигу на временной оси.

Рис. 9 Искажения формы импульса из-за резонанса на АЧХ линии передачи

Пологий фронт говорит о спаде АЧХ тракта передачи в области верхних частот. Искажения на фронте или спаде импульса (нелинейность, выброс, колебательный процесс) свидетельствуют об отражении сигнала от неоднородности и возможных резонансах в области верхних частот. По периоду резонансного колебания T (расстояние между двумя соседними «горбами» или точками с одинаковой фазой) можно определить частоту резонанса

f = 1/T

Если уровень сигнала на входе приемника превышает порог логической единицы, приемник распознает его как «единицу».

Если уровень сигнала на входе приемника ниже уровня логической единицы, приемник распознает его как «нуль».

Рис. 10 Пороги срабатывания приемника

Для стандарта КМОП уровень логической единицы соответствует значению 70% от уровня максимального напряжения на выходе источника сигнала (2,2—2,4 В и выше при напряжении питания 3,3 В). Уровень логического нуля соответствует значению 30% от уровня максимального напряжения (0—1,0 В).

Если сигнал на входе приемника имеет немонотонный (нелинейный) фронт или спад, он может несколько раз пересекать пороги срабатывания приемника, что приведет к появлению ложных сигналов на его выходе. Именно поэтому монотонность фронта/спада импульса является одной из важнейших характеристик.

Рис. 11 Ложное срабатывание приемника из-за нелинейного фронта импульса

В частотной области сигнал представляется спектром амплитуд или спектром мощности – распределением его энергии по оси частот.

Для однозначного представления сигнала в частотной области импульс прямоугольной (трапецеидальной) формы при помощи ряда Фурье может быть представлен геометрической суммой (рядом) синусоидальных сигналов с разными коэффициентами. Такие синусоидальные сигналы называют гармониками или спектральными составляющими сигнала.

Преобразование Фурье позволяет перенести информацию о параметрах импульса из временной области (форма сигнала) в частотную область (спектр сигнала).

Обратное преобразование обеспечивает «перенос информации» о параметрах импульса из частотной области во временную область.

Рис. 12 Форма импульса при сложении первых пяти гармоник

Проще говоря, энергия прямоугольного импульса может быть представлена спектром гармоник, распределенных по кратным частотам. Нарушение количества энергии гармонических составляющих на разных частотах приведет к искажению первоначальной формы сигнала на временной оси.