Последний отзыв
Да, первый рассказ из сборника, что я успела прочитать, что надо! И написано хорошо, и содержание необычное, но жизненное. Очень понравилось, хотя там...
Далее
По всем вопросам обращайтесь на: info@litportal.ru
(©) 2003-2024.
✖
Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов и электропитания
Настройки чтения
Размер шрифта
Высота строк
Поля
Сохранение целостности сигналов в печатных платах. Практические рекомендации
Андрей Васильевич Трундов
Сохранение формы сигнала на входе приемника после его прохождения через среду распространения – одна из главных задач радиотехники.Правильная организация системы электропитания является необходимым условием надежной работы цифровых систем. В современных высокоскоростных устройствах линии передачи данных и система электропитания интегрируются в конструкции печатной платы. Именно здесь должны быть выполнены правила и рекомендации, предложенные вашему вниманию.
Сохранение целостности сигналов в печатных платах
Практические рекомендации
Андрей Васильевич Трундов
Светлой памяти моего дорогого и любимого папы посвящается.
© Андрей Васильевич Трундов, 2020
ISBN 978-5-0051-8944-8
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Аннотация автора
Информация, предложенная в этой книге, посвящена разработке качественных печатных плат высокоскоростных устройств.
Электрический сигнал после прохождения через среду распространения может потерять свою первоначальную целостность. Линия передачи печатной платы, как и кабельная линия передачи, как и отрезок линии в виде контакта соединителя являются частными случаями среды распространения. Каждый участок линии передачи может исказить энергетические, временные и амплитудные параметры сигнала. Кроме того, искажения импульса могут быть связаны с взаимовлиянием соседних линий (перекрестные наводки) и влиянием внешних помех.
Цель книги – познакомить читателя с авторским пониманием задачи сохранения целостности сигналов и питания в линиях передачи печатных плат и предложить методы ее решения, основанные на практическом опыте разработки и успешных испытаний высокоскоростных устройств, работающих в диапазоне от нуля до нескольких гигагерц.
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» за важные замечания и рекомендации, часть из которых были учтены при создании книги.
Благодарю интернет издательство «Ридеро» – ООО «Издательские решения» за возможность поделиться с читателем моим опытом и идеями.
Аннотация технического представителя компании Mentor (A Siemens Business)
В далеком 2014 году российское гик-сообщество всколыхнула публикация пользователя под ником @Biochemist на популярном среди инженеров и программистов ресурсе www.habr.com. Публикация называлась «Инженерная культура, которую мы потеряли» https://habr.com/ru/post/233851/ и представляла собой настоящий крик души работодателя, который решил нанять в штат молодого инженера-электронщика, вчерашнего выпускника технического вуза. Почтенный @Biochemist был до глубины души поражен тем фактом, что обладатели дипломов ведущих технических ВУЗов страны оказались не способны нарисовать диодный мост и ответить на вопрос, что такое триггер. Публикация вызвала бурное обсуждение, которое вышло далеко за пределы всемирной сети.
В курилках московских НИИ «бывалые» инженеры клеймили позором молодых и заслуженных коллег, предлагая тем аналогичные задачи. Если те допускали ошибки, следовали горькие рассуждения о том, насколько всё плохо в отечественной электронике и как же мы теперь будем жить. Сам @Biochemist пришёл в итоге к выводу, что современный российский студент технического ВУЗа к старшим курсам впадает в тяжёлую депрессию от непонимания, зачем ему нужен весь этот массив теоретических и неочевидно практических знаний. Обусловлено это, опять же, по мнению автора публикации, отсутствием спроса на инженеров-электронщиков со стороны реального сектора экономики. И единственный способ заполучить в штат толкового работника – это взять студента на 2—3 курсе с ещё горящими глазами и давать ему реальные задачи, то есть совместить его обучение непосредственно с реальной производственной практикой.
Возможно, скептически настроенный читатель подвергнет все вышеописанное критике. «Позвольте!» – заметит он. «Но ведь мы не знаем выборки, мы не знаем условий, которые предлагали молодым инженерам, мы не знаем, все ли ведущие ВУЗы были охвачены». Всё это, безусловно, так. Однако рассуждения уводят нас в сторону от основной мысли и, как следствие, от направленности данной книги. Вся проблематика состоит в том, что современный молодой специалист зачастую действительно дезориентирован. Для него совершенно не очевидны практические применения всего того массива знаний из области общей физики, электротехники, цифровой и аналоговой электроники, импульсной техники и ЗТТТ (зонной теории твёрдых тел).
Он совершенно искренне не связывает переходные отверстия и паразитную индуктивность, теорию четырехполюсников и S-параметры, витую пару и дифференциальные буферы микросхем. И, на мой взгляд, это большой недостаток современной системы обучения, который нам, российским инженерам, жизненно необходимо преодолеть в ближайшие годы.
Другой аспект дезориентации специалиста состоит в том, что он попадает, как говорится, «с корабля на бал». Он только что изучил, фигурально выражаясь, все свойства кирпича и бетона, имеет за плечами курсовую о влиянии геометрии арматуры на тепловое распределение панельных построек, и вдруг попадает на реальную стройку, где ему дают раствор, кирпич, мастерок и говорят: «Строй!». «Позвольте», – говорит молодой инженер. «Но как же… Нас этому не учили». На что седоусый прораб резко отвечает, что учить его некогда, что нужно работать, выполнять план, иначе сорвутся сроки. Всё это не может не вогнать нэофита в ещё большее уныние, и данная проблема является комплексной. Тут и отрыв Вузовской программы от реальных потребностей производства и экономики, и формальный подход к производственной практике, и перекос в количестве учебных часов в сторону теории. Что же остаётся молодому специалисту в этой ситуации?
Его спасает только самообразование. Долгие часы за книгами, многие сотни видео на Youtube (Логос, благослови цивилизацию, что такие возможности сейчас у нас есть!) Всё это вдобавок к основной работе, в которой тоже следует разбираться вдумчиво, не стесняясь учиться у старших товарищей по ремеслу, и методом проб и ошибок выстраивать свою дорогу. Вот тут мы приходим к третьей и очень важной проблеме российской электроники. Ни для кого не секрет, что сложность печатных плат и микросхем растёт год от года. Появляются новые интерфейсы, растут частоты, скорости передачи информации. Появляются новые подходы к трассировке, анализу и технологии изготовления печатных плат и кристаллов. А главное – сохраняется тенденция к миниатюризации, что в конечном итоге не может не привести к неизбежному взаимовлиянию высокоскоростных цепей друг на друга.
Так вот, проблема именно российского рынка электроники состоит в том, что литературы на русском языке по проблемам высокочастотного проектирования и целостности сигналов чрезвычайно мало. Все новые статьи и книги традиционно выходят на английском языке, что является для многих российских инженеров тяжелым психологическим барьером. В контексте всего вышесказанного книга А. В. Трундова является настоящей находкой для инженера-электронщика, желающего самостоятельно освоить благородное искусство «черной магии» – искусство анализа целостности сигналов на плате, но не знающих, как к этой страшной бездне подступиться. Не скрою, я получил истинное удовольствие от прочтения рукописи Андрея Васильевича, несмотря даже на свой обширный опыт проектирования и анализа печатных плат. И вот почему.
Автор замечательно комбинирует теоретические выкладки с их практическим применением, создавая именно те «ментальные мостики», которых так не хватает молодым специалистам. Уже с первых глав к читателю приходит понимание того, как именно физические основы из курса электромагнетизма влияют на аспекты трассировки печатных плат. Отдельно хочется отметить иллюстративный материал. Визуализация аспектов схемотехники и сопутствующей трассировки очень важна именно в комплексе, что блестяще реализовано в описываемой работе. Автор предоставляет пытливому читателю большое число таблиц, которые будут весьма полезны в повседневной практике. Например, зависимость частоты последовательного/параллельного резонансов в различных типах линий передач от длины линии.
Основная ценность книги – структурированный личный опыт. Пошаговые советы будут очень полезны как молодым инженерам, так и специалистам, чей опыт лежит в плоскости несколько отличной от трассировки и анализа PCB. Например, библиотекарям или схемотехникам. Под библиотекарями я подразумеваю не только инженеров, которые создают библиотечные элементы для печатных плат, но и специалистов по Spice, AMS, IBIS и Valydate моделированию.
Читателя не должно ни в коей мере смущать то, что автор приводит в пример скриншоты из старой версии HyperLynx 9.2. Текущая версия продукта называется HyperLynx SI, PI, Thermal VX2.6. Она, конечно, значительно отличается в лучшую сторону от своего «предка», однако приведённые в книге пути анализа никуда не исчезли. Изменилось только относительное месторасположение некоторых меню. Следовательно, разобраться в новой версии у пользователя не составит труда. Гораздо важнее то, что автор находится в негативной информационной среде, которую российские компании, к сожалению, унаследовали от СССР. И дело здесь не в том, что советская инженерная школа была в чем-то плоха. Она была великолепна. Проблема в том, что наследие устаревших подходов и ГОСТов никак не может адаптироваться к вызовам современного мира. В частности, читатель не найдет в данной работе руководства по анализу S-параметров, несмотря на то, что это острие, настоящий «мейнстрим» современной науки о целостности сигналов.
Надеюсь, этот недочёт сможет в ближайшее время восполнить Ваш покорный слуга. Поэтому, призываю Вас посещать веб-сайты:
https://www.mentor.com (https://www.mentor.com/),
http://www.xpads.ru/ (http://www.xpads.ru/),
,где в скором времени будут в большом количестве появляться мои вебинары по данной тематике.
С уважением,
Ведущий технический консультант, PCB, технический представитель компании Mentor (A Siemens Business) в России, Турции, Пакистане и на Ближнем Востоке
Никеев Кирилл Михайлович.
Предисловие
Еще в 80—90е годы прошлого века многие радиолюбители изготавливали свои устройства на макетных платах или навесным монтажом на куске картона или текстолита. В 90-е годы за рубежом, а затем и в нашей стране, радиолюбители и инженеры все чаще могли видеть в импортных радиоэлектронных устройствах многослойные печатные платы. Их появление было обосновано увеличением плотности монтажа, количества цепей и было связанно с общей тенденцией миниатюризации.
Немного позднее «привычные» параллельные и последовательные интерфейсы, «разведенные» в современных российских многослойных печатных платах, почему-то начинали «сбоить». Причины искали в действии внешних помех, некачественной экранировке. Взгляд на импортные платы видеокарт вызывал непонимание и вопросы, зачем в них реализованы дифференциальные интерфейсы с множеством изгибов? А появление новых СВЧ материалов печатных плат, дорогих, труднодоступных во многих инженерных кругах осталось незамеченным или непонятным явлением. Понятие целостности сигналов и питания даже у многих современных инженеров вызывает недоумение и неприятие.
В то же время в современных ПЛИС 7-го поколения ф. Xilinx (www.xilinx.com) например, Kintex-7, Virtex-7, реализована новая технология DCI (Digital Controlled Impedance – регулируемый выходной импеданс источников сигналов – перевод автора) и предложен целый ряд способов согласования драйверов различных стандартов с линией передачи. Дополнительно появляются технологии создания гибридных печатных плат с возможностью интеграции в их конструкцию согласующих резисторов [12], что доказывает растущую актуальность и необходимость применения методов сохранения целостности сигналов и питания в высокоскоростных устройствах.
В печатной плате может быть несколько сотен элементов и несколько тысяч различных цепей. При разработке высококачественных печатных плат с высокоскоростными сигналами вы должны детально разобраться с сигналами практически во всех цепях. Для удобства цепи с похожими характеристиками, стандартами сигналов объединяют в классы цепей.
Цифровые сигналы в различных высокоскоростных интерфейсах представляют случайные последовательности импульсов. Во временной области они могут быть представлены функцией изменения напряжения во времени, напоминающей прямоугольный импульс напряжения. В частотной области они могут быть представлены спектром или набором спектральных составляющих, расположенных на кратных частотах. Линия передачи должна обеспечить минимальную и достаточную полосу пропускания спектра сигнала, чтобы все его спектральные составляющие без искажений достигли приемника. В этом случае форма импульса на входе приемника будет напоминать форму импульса на выходе источника сигнала и можно будет сказать – что сигнал сохранил свою первоначальную целостность.
Кроме возможных искажений сигнала в линии передачи, обусловленной ее характеристиками, с которыми вы подробно познакомитесь в разделе «Линия передачи печатной платы», искажения формы импульса возможны из-за взаимовлияния соседних линий передачи (перекрестные наводки), влияния внешних шумов и помех. В высокоскоростных интерфейсах нельзя не учитывать и влияние джиттера, суммарное значение которого становится соизмеримо с длительностью одиночного импульса.
При рассмотрении шины адреса или данных, либо синхронного интерфейса, состоящих из группы проводников или линий передачи, необходимо не допустить разбега фронтов сигналов на входах приемников в момент фиксации состояния сигналов или «защелкивания» импульсов. В этом случае речь будет идти уже о возможной потере работоспособности интерфейса или стыка, которую вы также не должны допустить при разработке высокоскоростных устройств.
Дополнительно из этой книги вы узнаете о правилах согласования линий передачи, особенностях организации системы электропитания, способах экранирования, достоинствах дифференциальных линий передачи. Все эти знания помогут получить превосходные электромагнитные характеристики высокоскоростных устройств.
Если возникнут затруднения в понимании некоторых базовых электрофизических терминов, вы сможете уточнить и вспомнить необходимую информацию в главе «Основные понятия из курса физики» и другой специальной литературы [7—9]. Дополнительно вы сможете познакомиться с современными программными продуктами для анализа и моделирования печатных плат как до, так и после процесса их изготовления. В книге представлены иллюстрации и примеры, наглядно показывающие оценку необходимости выравнивания проводников в шине данных, оценку перекрестных искажений для параллельных синфазных и дифференциальных проводников, расположенных на разных расстояниях друг от друга для пояснения работы правила «3d"и другие интересные анализы и характеристики линий передачи и системы питания печатных плат.
Сохранение целостности электрических сигналов для разных стандартов
Можно заметить, что среди современных стандартов наиболее часто используется КМОП стандарт с типовым временем нарастания фронта импульса равным 1 нс. Сигналы ТТЛ и синфазные сигналы других стандартов применяются реже. Рабочие скорости передачи для множества сигналов определяются минимальными значениями от нескольких килобит в секунду до нескольких сотен мегабит в секунду. При этом расчетное значение верхней частоты полосы пропускания линии передачи для КМОП импульсов составляет от 350 МГц до 450 МГц. Таким образом, несмотря на относительно низкую скорость передачи данных в стандартах с КМОП структурой, верхняя граница полосы пропускания линии передачи может составлять от сотен мегагерц до единиц гигагерц, что требует учитывать такие параметры линий передачи для анализа целостности электрических сигналов, которые в более низкочастотном диапазоне частот обычно не учитываются.
В области нижних частот рассматривают распространение электрических сигналов от источника к нагрузке по простому проводнику, геометрия которого практически не имеет значения. Важен лишь факт наличия проводника.
В области верхних частот рассматривают уже распространение не токов и напряжений, а электромагнитной волны. Главным условием неискаженного распространения волны является однородность линии передачи, которая обусловлена постоянством ее геометрических характеристик на всем протяжении. Различные неоднородности емкостного и индуктивного характера приводят к возможности отражения волны, что становится причиной искажений формы импульсов, возникновения резонансов, излучения энергии от участка линии передачи между неоднородностями как от антенны, возникновения наводок из-за емкостного и индуктивного взаимодействия участков линий передачи между собой. Чем выше частота сигнала и электромагнитной волны, тем большее влияние на его целостность начинают оказывать неоднородности в диэлектрике, вызывающие как потери, так и отражения, и резонансы.
Практически для всех интерфейсов с низкой скоростью передачи данных (RS-232, RS-422, RS-485, SPI, JTAG, USB2.0 FS) действуют одинаковые правила сохранения целостности сигналов. Поэтому при проектировании печатной платы практически не имеет значения, с каким именно стандартом приходиться работать.
При переходе в диапазон СВЧ сохраняется тот же набор правил, но дополнительно появляется необходимость учитывать некоторые новые, приобретающие важное значение характеристики линий передачи. Например, неоднородности диэлектрика, сигнального проводника, потери в диэлектрике и скин-слое проводников, коэффициенты отражения, выраженные через них коэффициенты бегущей и стоячей волны, отражения и излучения от ненагруженных ответвлений, контрольных точек, свободных контактов соединителей.
Андрей Васильевич Трундов
Сохранение формы сигнала на входе приемника после его прохождения через среду распространения – одна из главных задач радиотехники.Правильная организация системы электропитания является необходимым условием надежной работы цифровых систем. В современных высокоскоростных устройствах линии передачи данных и система электропитания интегрируются в конструкции печатной платы. Именно здесь должны быть выполнены правила и рекомендации, предложенные вашему вниманию.
Сохранение целостности сигналов в печатных платах
Практические рекомендации
Андрей Васильевич Трундов
Светлой памяти моего дорогого и любимого папы посвящается.
© Андрей Васильевич Трундов, 2020
ISBN 978-5-0051-8944-8
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Аннотация автора
Информация, предложенная в этой книге, посвящена разработке качественных печатных плат высокоскоростных устройств.
Электрический сигнал после прохождения через среду распространения может потерять свою первоначальную целостность. Линия передачи печатной платы, как и кабельная линия передачи, как и отрезок линии в виде контакта соединителя являются частными случаями среды распространения. Каждый участок линии передачи может исказить энергетические, временные и амплитудные параметры сигнала. Кроме того, искажения импульса могут быть связаны с взаимовлиянием соседних линий (перекрестные наводки) и влиянием внешних помех.
Цель книги – познакомить читателя с авторским пониманием задачи сохранения целостности сигналов и питания в линиях передачи печатных плат и предложить методы ее решения, основанные на практическом опыте разработки и успешных испытаний высокоскоростных устройств, работающих в диапазоне от нуля до нескольких гигагерц.
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» за важные замечания и рекомендации, часть из которых были учтены при создании книги.
Благодарю интернет издательство «Ридеро» – ООО «Издательские решения» за возможность поделиться с читателем моим опытом и идеями.
Аннотация технического представителя компании Mentor (A Siemens Business)
В далеком 2014 году российское гик-сообщество всколыхнула публикация пользователя под ником @Biochemist на популярном среди инженеров и программистов ресурсе www.habr.com. Публикация называлась «Инженерная культура, которую мы потеряли» https://habr.com/ru/post/233851/ и представляла собой настоящий крик души работодателя, который решил нанять в штат молодого инженера-электронщика, вчерашнего выпускника технического вуза. Почтенный @Biochemist был до глубины души поражен тем фактом, что обладатели дипломов ведущих технических ВУЗов страны оказались не способны нарисовать диодный мост и ответить на вопрос, что такое триггер. Публикация вызвала бурное обсуждение, которое вышло далеко за пределы всемирной сети.
В курилках московских НИИ «бывалые» инженеры клеймили позором молодых и заслуженных коллег, предлагая тем аналогичные задачи. Если те допускали ошибки, следовали горькие рассуждения о том, насколько всё плохо в отечественной электронике и как же мы теперь будем жить. Сам @Biochemist пришёл в итоге к выводу, что современный российский студент технического ВУЗа к старшим курсам впадает в тяжёлую депрессию от непонимания, зачем ему нужен весь этот массив теоретических и неочевидно практических знаний. Обусловлено это, опять же, по мнению автора публикации, отсутствием спроса на инженеров-электронщиков со стороны реального сектора экономики. И единственный способ заполучить в штат толкового работника – это взять студента на 2—3 курсе с ещё горящими глазами и давать ему реальные задачи, то есть совместить его обучение непосредственно с реальной производственной практикой.
Возможно, скептически настроенный читатель подвергнет все вышеописанное критике. «Позвольте!» – заметит он. «Но ведь мы не знаем выборки, мы не знаем условий, которые предлагали молодым инженерам, мы не знаем, все ли ведущие ВУЗы были охвачены». Всё это, безусловно, так. Однако рассуждения уводят нас в сторону от основной мысли и, как следствие, от направленности данной книги. Вся проблематика состоит в том, что современный молодой специалист зачастую действительно дезориентирован. Для него совершенно не очевидны практические применения всего того массива знаний из области общей физики, электротехники, цифровой и аналоговой электроники, импульсной техники и ЗТТТ (зонной теории твёрдых тел).
Он совершенно искренне не связывает переходные отверстия и паразитную индуктивность, теорию четырехполюсников и S-параметры, витую пару и дифференциальные буферы микросхем. И, на мой взгляд, это большой недостаток современной системы обучения, который нам, российским инженерам, жизненно необходимо преодолеть в ближайшие годы.
Другой аспект дезориентации специалиста состоит в том, что он попадает, как говорится, «с корабля на бал». Он только что изучил, фигурально выражаясь, все свойства кирпича и бетона, имеет за плечами курсовую о влиянии геометрии арматуры на тепловое распределение панельных построек, и вдруг попадает на реальную стройку, где ему дают раствор, кирпич, мастерок и говорят: «Строй!». «Позвольте», – говорит молодой инженер. «Но как же… Нас этому не учили». На что седоусый прораб резко отвечает, что учить его некогда, что нужно работать, выполнять план, иначе сорвутся сроки. Всё это не может не вогнать нэофита в ещё большее уныние, и данная проблема является комплексной. Тут и отрыв Вузовской программы от реальных потребностей производства и экономики, и формальный подход к производственной практике, и перекос в количестве учебных часов в сторону теории. Что же остаётся молодому специалисту в этой ситуации?
Его спасает только самообразование. Долгие часы за книгами, многие сотни видео на Youtube (Логос, благослови цивилизацию, что такие возможности сейчас у нас есть!) Всё это вдобавок к основной работе, в которой тоже следует разбираться вдумчиво, не стесняясь учиться у старших товарищей по ремеслу, и методом проб и ошибок выстраивать свою дорогу. Вот тут мы приходим к третьей и очень важной проблеме российской электроники. Ни для кого не секрет, что сложность печатных плат и микросхем растёт год от года. Появляются новые интерфейсы, растут частоты, скорости передачи информации. Появляются новые подходы к трассировке, анализу и технологии изготовления печатных плат и кристаллов. А главное – сохраняется тенденция к миниатюризации, что в конечном итоге не может не привести к неизбежному взаимовлиянию высокоскоростных цепей друг на друга.
Так вот, проблема именно российского рынка электроники состоит в том, что литературы на русском языке по проблемам высокочастотного проектирования и целостности сигналов чрезвычайно мало. Все новые статьи и книги традиционно выходят на английском языке, что является для многих российских инженеров тяжелым психологическим барьером. В контексте всего вышесказанного книга А. В. Трундова является настоящей находкой для инженера-электронщика, желающего самостоятельно освоить благородное искусство «черной магии» – искусство анализа целостности сигналов на плате, но не знающих, как к этой страшной бездне подступиться. Не скрою, я получил истинное удовольствие от прочтения рукописи Андрея Васильевича, несмотря даже на свой обширный опыт проектирования и анализа печатных плат. И вот почему.
Автор замечательно комбинирует теоретические выкладки с их практическим применением, создавая именно те «ментальные мостики», которых так не хватает молодым специалистам. Уже с первых глав к читателю приходит понимание того, как именно физические основы из курса электромагнетизма влияют на аспекты трассировки печатных плат. Отдельно хочется отметить иллюстративный материал. Визуализация аспектов схемотехники и сопутствующей трассировки очень важна именно в комплексе, что блестяще реализовано в описываемой работе. Автор предоставляет пытливому читателю большое число таблиц, которые будут весьма полезны в повседневной практике. Например, зависимость частоты последовательного/параллельного резонансов в различных типах линий передач от длины линии.
Основная ценность книги – структурированный личный опыт. Пошаговые советы будут очень полезны как молодым инженерам, так и специалистам, чей опыт лежит в плоскости несколько отличной от трассировки и анализа PCB. Например, библиотекарям или схемотехникам. Под библиотекарями я подразумеваю не только инженеров, которые создают библиотечные элементы для печатных плат, но и специалистов по Spice, AMS, IBIS и Valydate моделированию.
Читателя не должно ни в коей мере смущать то, что автор приводит в пример скриншоты из старой версии HyperLynx 9.2. Текущая версия продукта называется HyperLynx SI, PI, Thermal VX2.6. Она, конечно, значительно отличается в лучшую сторону от своего «предка», однако приведённые в книге пути анализа никуда не исчезли. Изменилось только относительное месторасположение некоторых меню. Следовательно, разобраться в новой версии у пользователя не составит труда. Гораздо важнее то, что автор находится в негативной информационной среде, которую российские компании, к сожалению, унаследовали от СССР. И дело здесь не в том, что советская инженерная школа была в чем-то плоха. Она была великолепна. Проблема в том, что наследие устаревших подходов и ГОСТов никак не может адаптироваться к вызовам современного мира. В частности, читатель не найдет в данной работе руководства по анализу S-параметров, несмотря на то, что это острие, настоящий «мейнстрим» современной науки о целостности сигналов.
Надеюсь, этот недочёт сможет в ближайшее время восполнить Ваш покорный слуга. Поэтому, призываю Вас посещать веб-сайты:
https://www.mentor.com (https://www.mentor.com/),
http://www.xpads.ru/ (http://www.xpads.ru/),
,где в скором времени будут в большом количестве появляться мои вебинары по данной тематике.
С уважением,
Ведущий технический консультант, PCB, технический представитель компании Mentor (A Siemens Business) в России, Турции, Пакистане и на Ближнем Востоке
Никеев Кирилл Михайлович.
Предисловие
Еще в 80—90е годы прошлого века многие радиолюбители изготавливали свои устройства на макетных платах или навесным монтажом на куске картона или текстолита. В 90-е годы за рубежом, а затем и в нашей стране, радиолюбители и инженеры все чаще могли видеть в импортных радиоэлектронных устройствах многослойные печатные платы. Их появление было обосновано увеличением плотности монтажа, количества цепей и было связанно с общей тенденцией миниатюризации.
Немного позднее «привычные» параллельные и последовательные интерфейсы, «разведенные» в современных российских многослойных печатных платах, почему-то начинали «сбоить». Причины искали в действии внешних помех, некачественной экранировке. Взгляд на импортные платы видеокарт вызывал непонимание и вопросы, зачем в них реализованы дифференциальные интерфейсы с множеством изгибов? А появление новых СВЧ материалов печатных плат, дорогих, труднодоступных во многих инженерных кругах осталось незамеченным или непонятным явлением. Понятие целостности сигналов и питания даже у многих современных инженеров вызывает недоумение и неприятие.
В то же время в современных ПЛИС 7-го поколения ф. Xilinx (www.xilinx.com) например, Kintex-7, Virtex-7, реализована новая технология DCI (Digital Controlled Impedance – регулируемый выходной импеданс источников сигналов – перевод автора) и предложен целый ряд способов согласования драйверов различных стандартов с линией передачи. Дополнительно появляются технологии создания гибридных печатных плат с возможностью интеграции в их конструкцию согласующих резисторов [12], что доказывает растущую актуальность и необходимость применения методов сохранения целостности сигналов и питания в высокоскоростных устройствах.
В печатной плате может быть несколько сотен элементов и несколько тысяч различных цепей. При разработке высококачественных печатных плат с высокоскоростными сигналами вы должны детально разобраться с сигналами практически во всех цепях. Для удобства цепи с похожими характеристиками, стандартами сигналов объединяют в классы цепей.
Цифровые сигналы в различных высокоскоростных интерфейсах представляют случайные последовательности импульсов. Во временной области они могут быть представлены функцией изменения напряжения во времени, напоминающей прямоугольный импульс напряжения. В частотной области они могут быть представлены спектром или набором спектральных составляющих, расположенных на кратных частотах. Линия передачи должна обеспечить минимальную и достаточную полосу пропускания спектра сигнала, чтобы все его спектральные составляющие без искажений достигли приемника. В этом случае форма импульса на входе приемника будет напоминать форму импульса на выходе источника сигнала и можно будет сказать – что сигнал сохранил свою первоначальную целостность.
Кроме возможных искажений сигнала в линии передачи, обусловленной ее характеристиками, с которыми вы подробно познакомитесь в разделе «Линия передачи печатной платы», искажения формы импульса возможны из-за взаимовлияния соседних линий передачи (перекрестные наводки), влияния внешних шумов и помех. В высокоскоростных интерфейсах нельзя не учитывать и влияние джиттера, суммарное значение которого становится соизмеримо с длительностью одиночного импульса.
При рассмотрении шины адреса или данных, либо синхронного интерфейса, состоящих из группы проводников или линий передачи, необходимо не допустить разбега фронтов сигналов на входах приемников в момент фиксации состояния сигналов или «защелкивания» импульсов. В этом случае речь будет идти уже о возможной потере работоспособности интерфейса или стыка, которую вы также не должны допустить при разработке высокоскоростных устройств.
Дополнительно из этой книги вы узнаете о правилах согласования линий передачи, особенностях организации системы электропитания, способах экранирования, достоинствах дифференциальных линий передачи. Все эти знания помогут получить превосходные электромагнитные характеристики высокоскоростных устройств.
Если возникнут затруднения в понимании некоторых базовых электрофизических терминов, вы сможете уточнить и вспомнить необходимую информацию в главе «Основные понятия из курса физики» и другой специальной литературы [7—9]. Дополнительно вы сможете познакомиться с современными программными продуктами для анализа и моделирования печатных плат как до, так и после процесса их изготовления. В книге представлены иллюстрации и примеры, наглядно показывающие оценку необходимости выравнивания проводников в шине данных, оценку перекрестных искажений для параллельных синфазных и дифференциальных проводников, расположенных на разных расстояниях друг от друга для пояснения работы правила «3d"и другие интересные анализы и характеристики линий передачи и системы питания печатных плат.
Сохранение целостности электрических сигналов для разных стандартов
Можно заметить, что среди современных стандартов наиболее часто используется КМОП стандарт с типовым временем нарастания фронта импульса равным 1 нс. Сигналы ТТЛ и синфазные сигналы других стандартов применяются реже. Рабочие скорости передачи для множества сигналов определяются минимальными значениями от нескольких килобит в секунду до нескольких сотен мегабит в секунду. При этом расчетное значение верхней частоты полосы пропускания линии передачи для КМОП импульсов составляет от 350 МГц до 450 МГц. Таким образом, несмотря на относительно низкую скорость передачи данных в стандартах с КМОП структурой, верхняя граница полосы пропускания линии передачи может составлять от сотен мегагерц до единиц гигагерц, что требует учитывать такие параметры линий передачи для анализа целостности электрических сигналов, которые в более низкочастотном диапазоне частот обычно не учитываются.
В области нижних частот рассматривают распространение электрических сигналов от источника к нагрузке по простому проводнику, геометрия которого практически не имеет значения. Важен лишь факт наличия проводника.
В области верхних частот рассматривают уже распространение не токов и напряжений, а электромагнитной волны. Главным условием неискаженного распространения волны является однородность линии передачи, которая обусловлена постоянством ее геометрических характеристик на всем протяжении. Различные неоднородности емкостного и индуктивного характера приводят к возможности отражения волны, что становится причиной искажений формы импульсов, возникновения резонансов, излучения энергии от участка линии передачи между неоднородностями как от антенны, возникновения наводок из-за емкостного и индуктивного взаимодействия участков линий передачи между собой. Чем выше частота сигнала и электромагнитной волны, тем большее влияние на его целостность начинают оказывать неоднородности в диэлектрике, вызывающие как потери, так и отражения, и резонансы.
Практически для всех интерфейсов с низкой скоростью передачи данных (RS-232, RS-422, RS-485, SPI, JTAG, USB2.0 FS) действуют одинаковые правила сохранения целостности сигналов. Поэтому при проектировании печатной платы практически не имеет значения, с каким именно стандартом приходиться работать.
При переходе в диапазон СВЧ сохраняется тот же набор правил, но дополнительно появляется необходимость учитывать некоторые новые, приобретающие важное значение характеристики линий передачи. Например, неоднородности диэлектрика, сигнального проводника, потери в диэлектрике и скин-слое проводников, коэффициенты отражения, выраженные через них коэффициенты бегущей и стоячей волны, отражения и излучения от ненагруженных ответвлений, контрольных точек, свободных контактов соединителей.
Другие электронные книги автора Андрей Васильевич Трундов
Последний отзыв
Да, первый рассказ из сборника, что я успела прочитать, что надо! И написано хорошо, и содержание необычное, но жизненное. Очень понравилось, хотя там...
Далее