Modern printed circuit boards with a large number of electric and technological constraints, high density mounting of components and a plurality of high-speed data bus signal, require the design of specific knowledge of noise immunity. At high frequencies, there are such effects that not necessarily reflect the topology of the design. Printed guides the design of modern cards are similar to a complex network of parasitic crosstalk, which occur not only at the length of the conductor, but in the metallized holes pads. To solve these problems, for example, you can choose a more expensive option — go for the more expensive connectors and materials, as well as less expensive options — schematics. Emphasis is placed on the recommendations to address and improve the quality of signal transmission. The article shows the main reasons for the signals that pass through the printed conductor distorted. Proposed several options for compensation schemes which demonstrate the approach to solving problems with the high-frequency distortion. As a result, concluded that the benefits of compensation schemes.
Keywords: high-frequency distortion, compensation circuit, via, printed wire, FR-4
Абсолютно все современные устройства имеют не только свою основную функцию, но и несколько второстепенных, если мы говорим о мобильном телефоне, то он должен не только записывать, но и воспроизводить видео, часто из интернета, а это сотни Мбит/с и даже больше. Требования к устройству обязывают увеличивать требуемую полосу пропускания и скорость работы схем памяти. С другой стороны, основа любой платы — проводящие дорожки — по-прежнему в большинстве случаев изготавливаются из меди, для которой частоты 1–3 ГГц являются предельными. Таким образом, совершенствованию устройств мешают не только технологический предел изготовления ИС, но и проблема их соединения. Современные печатные платы становятся непригодными для таких скоростей из-за большого уровня помех.
С распространением высокоскоростных приложений проблема сохранения целостности передаваемых сигналов усугубилась. Целостный цифровой сигнал — это сигнал с четкими и быстрыми переходами, стабильными и четкими логическими уровнями, точными соотношениями во времени. В нем не должно быть переходных процессов. На высоких частотах (ВЧ) проявляются те эффекты, о которых не задумывались раньше и которые существенно влияют на передаваемый сигнал [1].
Существует и проблема с отраженными сигналами, которые накладываются на исходный и искажают его форму. Чаще всего отражения происходят в местах поворота, разветвления и перехода печатного проводника через сквозные отверстия. Это происходит главным образом из-за изменения ширины пути прохождения тока, которое приводит к рассогласованию линии.
Стоит отметить, что значительную роль в развитие по комплексному применению методов конструирования высокоскоростной цифровой аппаратуры (в диапазоне частот от 20 МГц до 20 ГГц и выше) внёс Г. Джонсон [2]. В современной теории проектирования высокоскоростных цифровых устройств исследуется влияние пассивных элементов цепи на распространение сигналов (переходные процессы и отражения), взаимное влияние, оказываемое сигналами друг на друга (перекрестные помехи) и их взаимодействие с окружающей средой (электромагнитные излучения).
Рассмотрим основные причины, по которым сигнал искажается. По мере прохождения сигнала по линии на него накладываются отраженные сигналы, амплитуда уменьшается, изменяется наклон и четкость фронтов, появляются разрывы и неравномерности [3]. Зачастую между проводниками из соседних слоев возникает емкостная связь, и создаются перекрестные помехи, поэтому надо следить, чтобы проводники не были расположены строго друг под другом.
Основной целью статьи является краткий комплекс рекомендаций по устранению потерь в высокочастотных схемах и повышение качества передачи сигналов.
Основные проблемы при проектировании
Хочется сразу отметить, что идеальная линия передачи состоит из двух идеальных проводников. Они обладают нулевым сопротивлением, имеют одинаковое поперечное сечение по всей длине и бесконечную длину. Сигнал, поданный на вход идеальной линии передачи, распространяется в ней сколь угодно долго с постоянной скоростью, без искажений и ослабления. Идеальная линия передачи обладает следующими свойствами:
- Имеет неограниченную длину (имеет начало, но не имеет конца);
- Сигналы распространяются в линии без искажений;
- Сигналы распространяются в линии без потерь.
На качество распространения сигнала влияет все, начиная от материалов печатной платы и проводников и заканчивая топологией схемы [4]. Для передачи ВЧ-сигналов проводники следует выполнять в виде линии передачи, чтобы уменьшить искажения и снизить уровень электромагнитных излучений.
Во-первых, нежелательные эффекты могут возникать от неправильного заземления. Соединительные отверстия между слоем земли и земляными полигонами на других слоях необходимо располагать по всей плате, чтобы исключить появление резонансов и образование альтернативных путей распространения сигнала. Чем выше частота работы микросхемы, тем ближе следует располагать отверстия.
Во-вторых, особое внимание надо уделять проектированию сквозных отверстий в печатной плате. В многослойных печатных платах толщина самой платы становится сравнимой с длиной волны сигнала. В связи с этим важно соблюдать согласование слоев, приведя импеданс отверстия к 50 Ом. Тогда при переходе сигнала на другой слой не возникнет отражений. На частотах порядка сотен МГц уже начинают появляться индуктивные и емкостные свойства элементов, и их нельзя оставлять без внимания. Они могут создавать дополнительные пути распространения сигнала либо входить в резонанс с гармониками. Чем выше частота работы, тем сильнее затухает сигнал в силу диэлектрических свойств компонентов и материала платы.
Общие методы сохранения ВЧ сигнала в печатном проводнике
Большое количество условий влияет на целостность передаваемых сигналов. Стеклотекстолит, обычно используемый в печатных платах (марки FR-4), обладает пренебрежимо малыми потерями для цифрового сигнала на частотах ниже 1 ГГц, но на более высоких частотах, для избегания диэлектрических потерь, разработчики обычно выбирают керамические подложки, например, из оксида алюминия, обладающие в гигагерцовом диапазоне частот намного меньшим коэффициентом диэлектрических потерь.
Одним из методов борьбы является использование развязывающей емкостной нагрузки. Отмечу, что емкостная нагрузка может быть подключена как посреди линии передачи, так и равномерно распределена по всей длине.
На рисунке 1 изображена длинная линия, в центре которой включена одиночная емкостная нагрузка. Сигнал, распространяющийся слева направо, набегает на ёмкость и разделяется на два сигнала. Один сигнал отражается в обратном направлении, а второй продолжает распространяться в первоначальном направлении. Каверзность этого случая заключается в том, что коэффициент отражения зависит от частоты.
Рис. 1. Емкостная нагрузка, включенная посреди линии передачи
Необходимые условия: либо линия передачи была согласована на обоих концах, либо оба участка линии передачи (слева и справа от ёмкостной нагрузки, подключенной посреди линии передачи) имеют длину, превышающую длину фронта сигнала. В случае, если формирователь сигнала подключён слишком близко к ёмкостной нагрузке, эффективный импеданс линии в точке подключения ёмкостной нагрузки становится ниже. Это, в конечном итоге, приводит к снижению амплитуды отраженного сигнала и ослаблению искажения фронтов сигнала, прошедшего емкостную нагрузку.
Ситуация, когда емкостные нагрузки равномерно распределены вдоль линии передачи, представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Емкостные нагрузки равномерно распределены вдоль линии передачи
Данная ситуация часто возникает в больших шинных структурах, особенно на платах памяти, состоящих из больших массивов модулей памяти с односторонним расположением выводов. Нагрузки имеют одинаковую ёмкость и распределены равномерно. Если длина фронтов сигнала превышает шаг распределения нагрузок, это позволяет упростить качественный анализ режима работы цепи передачи. Это приближение даст возможность сделать следующие выводы:
- Эффективное волновое сопротивление линии снижается;
- Постоянная задержка линии передачи возрастает.
Обе эти особенности оказывают определяющее влияние на качество работы высокоскоростных сигнальных шин. Стоит отметить, что результирующий эффект не изменится, если уменьшить вдвое ёмкости нагрузок, расставив их вдвое чаще, или равномерно распределить суммарную ёмкость нагрузок по длине линии, учитывая её в виде дополнительной ёмкости для линии передачи.
Ещё одним методом борьбы может являться изгиб печатной дорожки. В месте изгиба под прямым углом (рисунок 3) эффективная ширина печатной дорожки возрастает. Участок увеличенной ширины вносит в линию передачи нежелательную паразитную ёмкость. Изгиб под прямым углом представляет собой емкостную нагрузку, включенную посреди линии передачи.
Рис. 3. Изгиб печатной дорожки линии передачи под прямым углом
Можно скруглить внешний угол изгиба, добившись неизменной ширины дорожки. Это обеспечит ослабление отражения и искажения фронтов сигналов при прохождении этого угла. Ещё проще срезать наискось угол дорожки, как показано на рисунке 4. На практике может оказаться проще срезать углы дорожек, чем скруглять их при производстве.
Рис. 4. Обрезка угла на изгибе печатной дорожки с целью уменьшения ёмкостной неоднородности
Ещё одним способом является использование зигзагообразной конфигурации линии передачи (рисунок 5). Крайне эффективна в качестве линии задержки сигнала. Это помогает преодолеть проблемы, связанные с соблюдением времени удержания сигнала на входах очень быстродействующих триггеров, а также другие проблемы синхронизации цифровых схем. Печатные линии задержки стоят очень дёшево в сравнении с внешними элементами задержки, однако, возможны варианты, когда критичны габариты печатной платы.
Рис. 5. Печатная линия задержки зигзагообразной конфигурации
Для линии задержки с более тонкими подложками из диэлектрика марки FR-4, уменьшают ширину печатной дорожки пропорционально уменьшению толщины подложки. Это обеспечит сохранение неизменным волнового сопротивления линии. В диапазоне температур от 0°С до 70°С диэлектрическая проницаемость изменяется в пределах почти 20 %.
Теперь рассмотрим металлизированные отверстия в печатной плате. Если металлизированные отверстия межслойных перемычек слишком широкие, то меньше места остаётся для прокладки сигнальных дорожек. При конструировании малогабаритных изделий, размеры перемычек будут меньше, уменьшатся и паразитные ёмкости. Это означает, что на высоких частотах они работают лучше, однако обходятся такие перемычки дороже. Межслойные перемычки подчиняются трём правилам:
- Чем тоньше перемычки, тем меньше места они занимают;
- Чем тоньше перемычки, тем меньшей ёмкостью они обладают;
- Чем тоньше перемычки, тем дороже они обходятся при производстве.
Вокруг каждой межслойной перемычки на поверхности печатной платы должно быть предусмотрено пространство для контактной площадки и зазора вокруг неё. Контактная площадка обеспечивает электрическое соединение внутренней металлизации перемычки с печатными дорожками платы.
Любая межслойная перемычка обладает паразитной ёмкостью по отношению к шине земли. Ёмкость, вносимая контактными площадками, значительно возрастает в случае узкого зазора. Паразитная ёмкость межслойной перемычки вызывает в основном удлинение фронтов цифровых сигналов.
Основным эффектом, создаваемым собственной последовательной индуктивностью межслойных перемычек, является снижение эффективности блокировочных конденсаторов в цепях питания. Назначение блокировочных конденсаторов состоит в том, чтобы закоротить между собой по высокой частоте два опорных слоя — питание и землю (рисунок 6).
Рис. 6. Монтаж блокировочного конденсатора на плате
Представим, что интегральная схема, выводы которой соединены со слоями питания и земли в точке А, защищена идеальным блокировочным конденсатором поверхностного монтажа, включенным между опорными слоями в точке В. В этом случае в точке подключения микросхемы сопротивление между слоями земли и питания по высокой частоте должно быть равно нулю. Однако это вовсе не так. Ненулевая индуктивность сквозных межслойных перемычек, создаёт небольшое влияние.
Ослабить этот эффект можно, устанавливая блокировочные конденсаторы на той стороне платы, к которой ближе расположены слои питания и земли. И печатные дорожки, проложенные между контактными площадками блокировочного конденсатора и межслойными перемычками, должны быть шире, чем обычно.
Заключение
В заключении я бы хотел отметить, что методов по проектированию большое количество. В зависимости от ситуации и задачи применяются комбинации методик, основанные на опыте проектирования. Компенсационные схемы имеют большой диапазон ослабления, однако, не стоит забывать, что немалая доля лежит и на внутренней топологии платы и расположениях шин земли и питания. Однако, одним из самых действенных методов при передаче ВЧ сигнала будет уменьшение длины печатного проводника при проектировании.
Литература:
- К. И. Билибин, А. И. Власов, Л. В. Журавлева и др. Конструкторско-технологическое проектирование электронных средств /под общ. редакцией В. А. Шахнова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. 568 с. (серия: Информатика в техническом университете, второе издание).
- Г. Джонсон, М. Грэхем Конструирование высокоскоростных цифровых устройств. Пер. с англ. — М.: Изд. Дом “Вильямс”, 2006. — 624 с.
- Eric Sweetman. Maximize high-speed signal integrity with the right choice of cables, layout, and equalizer ICs.
- Е. Самкова “ИД Электроника” http://www.russianelectronics.ru/developer-r/review/2191/doc/47230/ (дата обращения: 21.11.2016).
