Хабрахабр

[Из песочницы] Разработка высокоскоростных печатных плат глазами инженера-схемотехника. Сохранение целостности электрических сигналов

В данной теме я хочу поделиться моим опытом разработки высокоскоростных схем.
Имея успешный практический опыт (более 15 лет) разработки схем устройств, печатных плат, со скоростью передачи данных до нескольких гигагерц (по меди), опыт взаимодействия с конструкторами, разводчиками печатных плат, изучив большой объем литературы по теме сохранения целостности сигналов, мне удалось выработать ряд простых для понимания и повторения практических решений, которые хочу предложить Вашему вниманию.

Я понял, что без знания основ схемотехники, радиотехники, электроники — инженеры — конструкторы печатных плат часто не осознают важности тех или иных правил разводки, не могут правильно расставить приоритеты и делают досадные ошибки, приводящие к необходимости повторной разводки плат.

— сложно понять, о чем идет речь в той или иной главе, когда пытаетесь самостоятельно освоить P-CAD, Altium или другой пакет проектирования по очень хорошим книгам замечательных авторов. Согласитесь, без понимания терминов стек, волновое сопротивление, опорный слой, дребезг земли, целостность сигналов и т.п. Ведь изначально авторы предполагают, что вы имеете достаточный запас знаний, для правильного понимания написанного.

Важно знать необходимые понятия, начиная от емкостей, индуктивностей, резонансов, и заканчивая правилами группирования сигналов в классы и рекомендациями по правильной трассировке цепей каждого из них, а также критериями расстановки приоритетов.

Это значит, что форма напряжения не должна измениться в линии передачи, какой бы длинной и сложной она ни была, по сравнению с формой сигнала, вышедшего из передатчика.
Главной задачей, которую решает разработчик линии передачи данных, является задача сохранить сигнал на входе приемника в целостности.

Линия передачи. Отличие от одиночного проводника печатной платы

В нашем случае — проводник печатной платы или провод кабеля. Линия передачи — линия, где распространяется сигнал. Это — условно два проводника, прямой и обратный. Но линия передачи — это не одиночный проводник. По обратному проводнику сигнал должен вернуться назад. По прямому сигнал распространяется от ножки микросхемы (передатчика) к другой ножке (приемнику). На высоких частотах энергия возвратного сигнала сосредотачивается под прямым проводником, и чем выше частота, тем более локально или плотно концентрируются возвратные токи.

Если путь протекания возвратного тока нигде не нарушен, на всем протяжении линии передачи опорный слой (именно в нем и протекает возвратный ток) будет непрерывен, сигнал уже гарантированно вернется назад по оптимальному и кратчайшему расстоянию.

Сигнал будет искать путь наименьшего сопротивления. Что будет, если на пути протекания возвратного тока в опорном слое сделать вырез? Это приведет к потере энергии и искажению формы передаваемого импульса. И обязательно вернется назад — но дорога его будет витиевата и длинна.Часть энергии сигнала неизбежно в месте разрыва опорного слоя будет излучаться на ближайшие точки конструкции с наименьшим потенциалом, на корпус, если он выполнен из металла.

Первое простое, но важное правило

При разводке печатной платы всегда отслеживайте путь прохождения возвратного тока. И лучше, если вы рядом с сигнальным слоем расположите опорный земляной слой — размером во всю печатную плату. Тогда правило выполнится само собой, и вы будете спокойны, что сигнал не излучится.

Изгибы приводят к появлению индуктивности в линии передачи. Чем опасны изгибы проводника, почему проводник должен быть прямым и коротким? Сопротивление или импеданс индуктивности растет с ростом частоты, потому любая индуктивность линии — враг быстрым изменениям сигнала, фронту и спаду импульса.

Волновое сопротивление линии передачи

Волновое сопротивление линии зависит от ее геометрии — размеров проводника, толщины и свойств диэлектрика, расстояния между проводником и опорным слоем. Одной из наиболее важных характеристик линии передачи является волновое сопротивление. Тогда в линии нет неоднородностей, которые являются причиной отражений. Однородная линия передачи — некий идеальный случай — когда волновое сопротивление по всей ее длине не изменяется.

Иногда это критично, иногда — не очень. Любая неоднородность в линии приводит к появлению отраженной копии исходного сигнала, которая воздействует на исходный сигнал, искажает его форму, нарушает его первоначальный вид — целостность. Есть понятие электрической длины линии передачи, есть понятие коэффициент отражения. Иногда отражение сильное, иногда — слабое. Они позволяют оценить — насколько критична та, или иная неоднородность в линии.

Если есть неоднородность, есть пути ее согласования. Неоднородность может быть вызвана и переходными отверстиями, и разрывом опорного слоя, и изменением геометрических размеров линии, и многими другими причинами. В схемотехнике применяется ряд методов согласования линии как с передатчиком, так и с нагрузкой.

Амплитудно-частотная характеристика линии передачи

Линия имеет сопротивление постоянному току, импеданс, обусловленный наличием ее собственной индуктивности, емкости. Следующей важной характеристикой линии передачи является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Все эти реактивные или частотно-зависимые элементы способны образовывать как фильтры, так и резонансные контуры, которые приводят к искажению идеальной горизонтальной прямой АЧХ. В линии неизбежно присутствуют выходная емкость передатчика и входная емкость приемника.

Сигнал любой формы может быть представлен спектром гармоник. Чем опасны частотные искажения? Искажения любой из гармоник, к примеру, снижение амплитуды, вызванное неравномерностью АЧХ линии, приводят к искажению формы сигнала. Меандр может быть «собран» из синусоидальных сигналов с кратными частотами, каждый из которых может иметь свои фазовые и амплитудные коэффициенты.

Второе важное правило

Рассчитывайте частоту среза частотной характеристики, исходя из параметров линии, и добивайтесь, чтобы ширина полосы частот линии передачи превышала значение пятой гармоники основного сигнала (если он периодический). Следите за амплитудно-частотной характеристикой линии. Если сигнал представлен отдельными прямоугольными импульсами, ширина полосы частот линии передачи должна быть не уже значения 0,35/tr, где tr — скорость нарастания фронта.

Ограничить ток драйвера и скорость нарастания фронта можно установив в линию передачи последовательный согласующий резистор, который с паразитной емкостью линии образует ФНЧ и сгладит фронт импульса. Иногда специально требуется ограничить скорость нарастания фронта на выходе передатчика для снижения излучающей способности линии передачи. Дополнительно резистор, установленный в паразитный колебательный контур, образованный индуктивностью и емкостью линии, снизит его добротность и уменьшит его влияние на АЧХ линии передачи. Такое решение улучшает ЭМС и снижает перекрестные искажения.

Если линия длинная, ее емкость также увеличена, по сравнению с емкостью короткой линии, и фильтр нижних частот имеет более низкую частоту среза, ограничивает спектр сигнала.

Если линия длинная и изогнутая, в ней присутствует индуктивность, которая вместе с емкостью может образовывать и фильтры, и резонансные контуры. При установке в линию последовательного согласующего резистора образуется фильтр нижних частот, который будет иметь еще более низкую частоту среза и еще более ограничит полосу пропускания линии передачи. При установке в разрыв линии конденсатора, с целью гальванической развязки, вы ограничите полосу частот уже снизу, образовав фильтр верхних частот, и площадка низкочастотного импульса будет завалена.

Третье важное правило

Сигналы в разных линиях способны оказывать влияние на соседние линии. Перекрестные наводки, шумы, как внешние так и внутренние, изучаются в разделе электромагнитной совместимости. Для практического применения есть ряд простых правил по организации зазоров между соседними линиями (правило 3d), установке земляных полигонов.

Трех указанных разделов (или правил) достаточно для понимания физики прохождения электрических сигналов в линиях передачи.

Есть стандарты электрических сигналов, изучать и применять которые необходимо при решении конкретных задач. Отдельно есть еще ряд вопросов, связанных с целостностью питания и земли, необходимостью выравнивания линий в шинах, дифференциальными линиями. Учитывайте все элементы линии передачи — от точки передатчика до точки приемника (и проводники печатной платы, и провода кабелей, и контакты соединителей).

Что важно сделать перед началом любого проекта

Дело в том, что иначе вы не сможете расставлять приоритеты. Почему важно начинать работу над проектом, понимая представленные физические основы?! Даже если вы изучите массу литературы, узнаете сотни правил правильной разводки высокоскоростных плат, без знания основ вы не сможете принять грамотное решение в той или иной ситуации.

Важно — сделать правильный выбор! Иногда приходиться чем-то жертвовать. И каждый — делает это по своему. В книгах зарубежных авторов этому уделяется большое внимание и приводится пример, когда студенты одного ВУЗа разводят одну и ту же плату, имея одинаковый набор правил. Лучше получается у того — кто знает и применяет знания физики, а не просто наугад выбирает правила из ряда предложенных.

Большая часть этих вопросов, а также авторских правил и общеизвестных методик собраны в одном издании «Сохранение целостности электрических сигналов. В данной теме обзорно показаны лишь некоторые правила, касающиеся правильной разводки высокоскоростных печатных плат. Пособие схемотехникам и конструкторам печатных плат» (книга официально издана, найти книгу вы сможете в книжных интернет магазинах litres.ru и ridero.ru по указанному названию .

Кратко, именно для практического применения уже в Ваших разработках, повторю здесь ряд правил, выполнение которых поможет сэкономить время и не допустить обидных ошибок.

Алгоритм разводки печатной платы и анализ возможных искажений сигналов

  1. При заказе печатных плат требуйте выполнить контроль волнового сопротивления. Учитывайте, что соответствовать заданному оно будет только на прямых проводниках без переходных отверстий, ответвлений — на эталонных образцах. В реальных платах оно может немного отличаться от заданного. Это не беда, если в линию вы установите последовательный согласующий резистор, который «сгладит» неоднородность на стыке между передатчиком и линией, поглотит энергию отраженных волн, ограничит частотную характеристику (до того значения частоты среза, которую вы не забудете учесть), снизит добротность возможных паразитных контуров, уменьшит ток сигнала в линии и снизит ее излучение в случае недостаточного согласования. Это правило актуально и для относительно низкочастотных сигналов с крутыми фронтами
  2. Волновое сопротивление определяется геометрией линии. Правильно организуйте стек печатной платы. Пользуйтесь бесплатными программами для расчета волнового сопротивления, например:

    www.awr.com/software/options/tx-line

    Помните, что зеркало не должно иметь изъянов и трещин. Рядом с сигнальным слоем обязательно размещайте опорный земляной слой, в котором, как в зеркале, отразятся все возвратные токи. Не используйте слои питания в качестве опорных, поскольку в них могут размещаться полигоны нескольких цепей питания, разделенные нежелательными для опорного слоя разрывами. Наличие разрывов в опорном слое испортит Вам настроение в будущем, приведя к случайным ошибкам в передаваемых пакетах данных.

  3. Применяйте правило 3d и в особо критичных случаях разделяйте проводники агрессора и жертвы земляными проводниками и полигонами для снижения перекрестных искажений.
  4. С той же целью применяйте дифференциальные стыки и экранированные кабели.
  5. Не старайтесь фанатично выровнять по длине все проводники шины данных, адреса. Делайте необходимые расчеты, и принимайте решение о степени выравнивания на их основе.
  6. Не заостряйте внимание на диэлектрической проницаемости материала, если верхняя граница спектра сигнала не превышает значения 1 ГГц. Для расчетов и моделирования используйте значение e=4 для диэлектрика FR4.
  7. Используйте программы моделирования Hyperlynx Mentor Graphics и/или Sigrity Cadence Orcad. Для практического применения они одинаково хороши в умелых руках, при условии, что вы четко представляете физические основы. Более того, пакеты моделирования помогут вам увидеть глазами то, что вы еще никогда не видели на экране осциллографа. Это и плотность тока, и распределение токов по печатной плате, и трехмерное изображение цепи или полигона питания в анализе падения напряжения. Вы увидите, как критична бывает нехватка переходных отверстий между соседними слоями питания, поскольку это приводит к значительному локальному увеличению сопротивления в отверстиях, а также увеличению плотности тока, возможному перегреву и даже «выгоранию» отверстия.

Требуйте их приобретения у своих работодателей. Пакеты проектирования очень дороги. Цена ошибки на каждом этапе вырастает многократно, и лучше сразу вложить средства в правильное проектирование, чем потом вкладывать бОльшие средства на поиск и устранение ошибок.

Пример. Применение правил к разводке дифференциальных стыков.

Ниже на примере дифференциальных стыков покажу, как применять показанные выше правила.

Дифференциальные линии применяются в известных стыках RS-422, RS-485, USB, LVDS, Ethernet и других. Кроме лини передачи с одиночным проводником и опорным слоем есть и другой вид — дифференциальная линия.

Приемник реагирует на разность напряжений между ними. В дифференциальной паре сигнал одинаковой формы и разной полярности передается одновременно по двум проводникам. линии. Благодаря тому, что поля вокруг проводников компенсируются, получается низкий уровень излучения диф. Приемникам уже не так важна полная форма импульса. Из-за того, что приемник измеряет только дифференциальное напряжение и не учитывает синфазное, получается высокая помехоустойчивость. Важно сохранить только монотонность фронта и спада и достаточную амплитуду на входе приемника, чтобы он был способен правильно распознать момент перехода сигнала через заданные стандартом пороговые уровни. Возможные искажения на площадках, связанные с помехами, пульсациями питания, дребезгом земли, не влияют на качество приема. Искажения фронта «ступенька» или «звон на фронте» могут привести к ложному срабатыванию.

Форма сигнала уже не должна быть строго прямоугольной. Отсюда можно сделать один важный практический вывод. Может ли приемник правильно принять пилообразный сигнал, если из-за снижения скорости нарастания амплитуда на входе будет достаточна для его правильного срабатывания? Требования к крутизне фронта определяются лишь возможностью правильно принять сигнал заданной частоты с заданной амплитудой. Потому, в некоторых случаях, например для еще большего снижения излучения в условиях жестких требований ЭМС, можно дополнительно ограничивать спектр сигнала применением фильтров (установка согласующего резистора вместе с дополнительной емкостью). Да, может. Речь идет только о цифровых сигналах, состоящих из последовательности импульсов.

Разводка печатных проводников на примере LVDS

линии должно быть равно 100 Ом. Волновое сопротивление диф. Падение напряжения на резисторе составляет 350 мВ. Линия, организованная токовой петлей с током 3,5 мА требует установки на стороне нагрузки терминирующего резистора, сопротивлением 100 Ом. Дифференциальное напряжение изменяется относительно постоянного синфазного напряжения, диапазон которого может изменяться от 300 мВ до 2,3 В. Размах сигнала на входе приемника не должен быть ниже 100 мВ. Уточнить значения напряжений вы сможете в стандарте TIA/EIA-644 (LVDS).

При волновом сопротивлении диф. Терминирующий резистор выполняет роль и согласующего резистора на стороне нагрузки. Вся энергия сигнала поглощается нагрузкой и практически не излучается. линии 100 Ом равном сопротивлению нагрузки 100 Ом получается почти идеальное согласование и режим бегущей волны. Это также приводит к серьезному снижению уровней излучения. Дополнительным плюсом по сравнению с одиночными или синфазными линиями передачи является низкий размах напряжения 400 мВ, что почти в 10 раз ниже уровня КМОП 3,3В. Информация, представленная выше, не несет ничего нового тем, кто работал с сигналами LVDS.

Какие вопросы, касающиеся сохранения целостности сигнала тут могут быть?

волнового сопротивления использовать разные геометрические размеры проводников, расстояния между ними. 1. Вы знаете, что можно для получения диф. Вариантов бесчисленное множество. К примеру, можно выбрать проводники шириной 500 мкм и разнести их на расстояние 500 мкм, а можно выбрать проводники шириной 200 мкм и сблизить их уже на расстояние 100 мкм.

Линия получилась экзотическая. К примеру, мне пришлось выполнить дифференциальную линию из двух коаксиальных кабелей. линией. С одной стороны она была дифференциальная, поскольку использовался драйвер LVDS, а с другой стороны два коаксиальных кабеля практически не связанных по полям, что уже не является диф. Этот пример также показывает, что решения задачи есть и не в области стандартных решений. Линия прекрасно работала на 2,5 ГГц и имела длину 5 метров.

и его соавтор Мартин. На печатной плате, как предлагает Говард Дж. Начальный курс черной магии», при обходе препятствий при «разнесении линий» рекомендуется увеличивать их ширину для снижения волнового сопротивления каждой из них (синфазное волновое сопротивление). Гр в своей знаменитой книге «Конструирование высокоскоростных цифровых устройств. сопротивление при этом уменьшается, и для его увеличения требуется увеличить синфазное волн. При сближении двух линий наоборот рекомендуется уменьшать ширину проводников, поскольку связь получается более сильной, суммарное или диф. сопротивление каждого из проводников.

линия однородная, а для LVDS она изначально предлагается как точка-точка и не должна содержать ответвлений, как в M-LVDS, длина ее определяется фактически только емкостной компонентой печатных проводников или кабеля. 2. Если диф. По коаксиальному кабелю, как я уже писал выше — можно получить и гигагерцы. Именно поэтому для длины провода 1-2 метра по обычной витой паре вряд ли получится передать сигналы частотой выше 800 МГц.

Защита от неоднородностей линии передачи

Поэтому первым и прямым способом устранения неоднородности является согласование сопротивлений. Основной причиной появления неоднородности в линии передачи является локальное рассогласование волновых сопротивлений.

Не все линии нужно согласовывать. Если линия передачи в печатной плате выполнена проводником, геометрические размеры которого не изменяются на всем его протяжении, и опорный слой под ним нигде не разрывается, ее уже можно считать однородной и согласование может потребоваться лишь на стороне нагрузки (применяется редко), либо на стороне источника сигнала (применяется чаще)). Согласование обязательно в «электрически длинных линиях». Нужно выбирать критичные линии, исходя из длины волны и скорости нарастания фронта.

Если они вызваны переходными отверстиями из-за отсутствия (точнее разрыва) опорного слоя, рядом нужно на минимальном расстоянии расположить земляные отверстия. Возможные неоднородности можно скомпенсировать и другими способами. Это если проводник из верхнего слоя платы проходит через переходное отверстие в о внутренний слой платы, а оставшийся «кусочек» переходной втулки является ненагруженным ответвлением, от которого происходит отражений сигнала и искажение импульса. В СВЧ диапазоне есть тонкости, связанные с ненагруженным ответвлением (stub).

линии и пр. Могут быть и другие неоднородности, вызванные изгибами диф. При параллельном соединении уже двух резисторов сопротивление будет равно 50 Ом, амплитуда сигнала из-за этого уменьшится, но согласование не допустит серьезных искажений сигнала даже при непредсказуемых неоднородностях в линии. Если есть желание защититься от любых возможных неоднородностей, терминирующий резистор 100 Ом располагают не только на стороне нагрузки, но и на стороне источника сигнала (двустороннее согласование).

Кстати, серьезные неоднородности могут быть вызваны неправильным или осознанно неправильным применением кабеля с другим волновым сопротивлением, отличным от рекомендованного стандартом, а также и применением разъема, также с другим волновым сопротивлением.

Самое простое, но очень эффективное средство — экранирование диф. 3. Следуя методике, предложенной в начале темы, осталось разобраться и с возможными помехами. На печатной плате между соседними диф. линии передачи. пары. парами, например, в Ethernet стыке, можно расположить земляные полигоны, на расстоянии не менее 5d от края каждой диф. Применяют уже не коаксиальный. d — ширина проводника. пары, каждая с волновым сопротивлением 100 Ом, расположены внутри одного экрана. а специальный твинаксиальный или квадраксиальный кабель, где одна или две диф. Разница между ними в том, что в CAT-5e внутри расположена обычная витая пара, по которой, как писал выше, нельзя передать сигналы частотой выше 800 МГц. Чтобы понять, чем твинаксиальный кабель отличается от обычного CAT-5E, нужно разобраться с конструкцией. Если очень пристально посмотреть, разница в материале и толщине диэлектрика. А вот внутри твинаксиального кабеля расположены внутри общего экрана два коаксиальных кабеля. Потому наверно и разница в цене так высока.

Твинаксиальный кабель позволяет передавать сигналы с частотами в единицы и даже десятки ГГц и является альтернативной оптическим линиям передачи, где стоимость кабелей также высока, в сравнении с витой парой.

Велосипедом, к примеру в LVDS, может стать попытка установки в линию дополнительных последовательных согласующих резисторов с целью снижения излучения, либо установка разделительных конденсаторов для гальванической развязки. Если не изобретать велосипед, в общем то и все.

Обычно это делается простым резистивным делителем из трех резисторов. При установке конденсаторов в линию LVDS требуется на входе приемника восстанавливать постоянную составляющую 1,2В. Дифференциальные сигналы очень чувствительны к джиттеру, да и не только они. Вот здесь могут быть «неприятные моменты». Вот нестабильность питания при установке резистивного делителя и может сыграть злую шутку, приведя к значительному увеличению джиттера. Причиной джиттера могут быть внешние воздействия (шумы), внутренние (нестабильность тактирующего источника и нестабильность питания).

В USB из-за высоких требований опять же к стабильности положения фронтов при работе в режиме Hi-Speed рекомендуется установка RC ФНЧ с низкоомными резисторами, которые также выполняют роль согласующих — сглаживают фронты и поглощают возможные отражения. Какие еще особенности дифференциальных стыков.

В этом есть еще один плюс — защита передатчика от возможного короткого замыкания проводников линии передачи. Такие же последовательные резисторы я рекомендую устанавливать и в стыки RS422, RS485. При замыкании передатчик будет нагружен на сумму двух сопротивлений и не выйдет из строя.

Выравнивание проводников в дифференциальной линии передачи

Если, как уже писал ранее, в параллельной шине иногда можно позволить себе не выравнивать проводники с точностью до миллиметра, то в дифференциальной линии ситуация другая. 1. . Геометрически вычитая из формы одного сигнала форму другого, вы получите почти такой же идеальный прямоугольный импульс, разностный сигнал, который и обрабатывает приемник. Нарисуйте на одной строчке прямоугольный импульс, а строчкой ниже нарисуйте в том же месте инвертированную копию. И произведите то же геометрическое вычитание. А теперь сделайте то же самое, но нижнюю инвертированную копию сдвиньте на немного по оси времени. Потому для диф. Вы увидите, что форма результирующего сигнала будет не похожа на прямоугольник. Это важно. сигнала выравнивание обязательно.

Если вам интересны рекомендации по параметру Max Intra-Pair Skew посмотрите документ

Здесь четко указано, сколько вешать в граммах для всех высокоскоростных стандартов цифровых сигналов.

Целесообразность опорного слоя в диф. линии

Есть же RS422 который работает по диф. Нужен ли опорный слой в дифференциальной линии передачи?
Многие ответят сразу — нет, не нужен. и земля там ни к чему, разве для повышения помехоустойчивости. паре. Но, есть рекомендации по применению опорного слоя в стандарте USB. Соглашусь, это правильный ответ. LVDS также может работать без опорного слоя, в шлейфах лишь иногда встречаются земляные проводники, опять же для повышения помехоустойчивости.

стыка такова, что опорный слой там не нужен. Физика работы диф. Иногда, опорный слой нужен именно для правильной работы драйвера. Но тут нужно также смотреть и на схемотехнику, и на стандарт сигналов в драйвере линии. 3 (Ethernet) вы не увидите прямой рекомендации по установке опорного слоя. Возможно, из-за этого в стандарте USB есть упоминание об опорном слое, а в стандарте 802.

Это точно не ухудшит работу диф. Моя рекомендация — делайте опорный слой всегда. стыка, но повысит его помехоустойчивость.

Помехозащищенность линии передачи данных

Перекрестные искажения, наводки от внешних устройств, помехи по питанию, дребезг земли — все эти факторы могут приводить к искажению формы сигнала.

Правильное заземление — на стороне источника сигнала, с двух сторон, через емкость и т.п. Защита от внешних наводок обычно выполняется применением экранировки разрабатываемых приборов, кабелей. — является целой наукой и хорошо описано в книгах.

Такая непрерывная экранировка еще ни разу не подводила. Из моего практического опыта могу отметить, что хорошо работает заземление кабелей между двумя устройствами с двух сторон. При большой длине кабеля и сложной помеховой обстановке возможна ситуация, когда между двум приборами, соединенными таким образом, создается разность потенциалов (статический заряд на одном корпусе и его отсутствие на втором, к примеру). Единственным опасным моментом может быть одновременное заземление внутренних экранов с двух сторон, и внешней экранирующей оболочки, также с двух сторон. часто выполняют из тонкой фольги, которая при больших токах может расплавиться). В этом случае по закону Ома ток, протекающий по внутреннему или внешнему экрану, может привести к его физическому разрушению (внутренние экраны в кабеле CAT5E и др.

Но повреждение одного из двух оконечных устройств из-за разности потенциалов двух земель наблюдали многие. В лабораторных условиях разрыв экранов можно назвать экзотикой. Внешняя экранирующая оболочка соединяется с корпусами устройств напрямую. Для защиты от разрушения экрана применяется установка резистора сопротивлением 100 Ом-1 кОм между внутренним (сигнальным) экраном и внешним экраном (оплеткой кабеля).

В печатной плате экранировка проводников может быть выполнена как расположением между ними земляного проводника, так и установкой проводников внутри пирога, ограниченного земляными слоями (полосковая симметричная и несимметричная линии, дифференциальная полосковая линия).

Опыт моделирования в HyperLynx Mentor Graphics позволил получить простое эмпирическое правило оценки расстоянии между двумя соседними проводниками, при котором линия агрессор будет наводить на линию жертву минимальную энергию сигнала.

К примеру, между двумя линиями, расположенными параллельно друг относительно друга на расстоянии 1d, где d — ширина проводника, уровень наведенного сигнала составил примерно 350 мВ (размах) при распространении в линии агрессоре сигнала амплитудой 3,3В (уровни КМОП).

При расстоянии 5 d — уровень наводки был менее 30 мВ. При расположении тех же проводников на расстоянии 3d друг от друга, уровень наводки сократился до 100-150 мВ. Даже расстояние 1 d обеспечивает уровень наводки, приемлемый с точки зрения уровня логического нуля (менее 0,7-0,8 В). Это подтверждает известное правило 3d — рекомендуемое разработчиками пакетов моделирования Mentor Graphics, Cadence OrCad и другими источниками. Но в данном эксперименте не учитывается, что линий агрессоров может быть несколько, и энергия сигналов может суммироваться.

Диэлектриком может быть как воздух (для микрополосковой линии), так и слой диэлектрика печатной платы (для полосковой линии передачи.) Налицо емкостная связь между параллельными линиями — действительно, каждая из них является «обкладкой конденсатора».

линий уровень наводки получается сравнимым с уровнем для одиночных синфазных проводников, расположенных на расстоянии 5d. Интересен и результат моделирования перекрестных искажений между двумя дифференциальными линиями — где уже на расстоянии 1d для диф. Этим примером наглядно показывается преимущество использования дифференциальных линий по сравнению с одиночными линиями передачи в условиях сложной помеховой обстановки.

Многое определяется и скоростью нарастания фронта (чем круче фронт, тем шире спектр, тем больше уровень емкостной наводки, поскольку импеданс емкости снижается с ростом частоты), и длиной линии передачи (особенно в дальней зоне, где проводники являются одновременно и передающей и приемной антеннами). Необходимо отметить, что правило 3d работает в ближней зоне.

И большее значение на помеховую обстановку оказывает наличие магнитных полей (при установке дросселей, трансформаторов, реле и т.п.). В области низких частот электрические поля не могут наводиться столь значительно (емкостная наводка малоэффективна из-за большого значения импеданса того же конденсатора в области НЧ).

К примеру, одна цепь представляет собой сильно изогнутую линию (чем больше изгибов, тем выше индуктивность), и вторая цепь топологически похожа на первую. Особо сложно оценивать резонансные наводки, когда две цепи выполнены геометрически аналогично. В результате формируется параллельный резонансный контур, и уже между контурами связь формируется не емкостная, а резонансная. Если они при этом выполнены в одном слое, между двумя драйверами-приемниками одной и той же микросхемы, суммарные емкости каждой из линий также имеют одинаковые значения.

Очень опасное явление. Частота резонанса может быть расположена много выше спектра передаваемого сигнала и верхней граничной частоты линии передачи, но благодаря высокой добротности контуров, связанных с минимальным активным сопротивлением, эффективность передачи верхних гармоник сигнала в линии агрессора достаточно высока. Не напоминает ли это линии в параллельно шине данных?!

Если линия жертва не нагружена (а обычно КМОП вход приемника предполагает наличие только емкостной нагрузки для драйвера), благодаря удвоению напряжения за счет влияния отраженного сигнала от нагрузки в режиме холостого хода, уровень наводки возрастает в квадрате, поскольку уровень энергии пропорционален квадрату напряжения. Еще одно важное замечание.

Именно поэтому, я рекомендую, выполнять согласование линии передачи хотя бы на стороне источника.

Пособие схемотехникам и конструкторам печатных плат (https://ridero.ru), есть еще один пример, с применением согласующего резистора для улучшения ЭМС и снижения перекрестных искажений и наводок. В книге Сохранение целостности электрических сигналов. Если Вам интересно, насколько эффективно применение согласования во всех перечисленных случаях, вы знаете, где найти ответ.

В данном издании представлен практический опыт работы инженера с большим практическим стажем, который вы сможете применить и для решения Ваших задач. Там же Вы сможете найти ответ и на вопрос, как защититься от дребезга земли, как обеспечить целостность питания, и другие практические правила и рекомендации, способствующие правильной разработке высокоскоростных печатных плат и устройств.

1 Дополнительно вы можете обратиться в раздел 5.

ru.wikipedia.org/wiki/Целостность_сигналов

где в более сжатом виде представлена информация по данной теме.

Успехов в Ваших разработках, друзья!

Буду признателен за Ваши отзывы и комментарии.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть