Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов и электропитания

Влияние случайного и детерминированного джиттера на положение импульсов на временных осях, составляющих десятки и сотни пикосекунд, для различных линий интерфейсов и шин становится существенным и непреодолимым при длительностях импульсов в единицы наносекунд и менее (частота сигналов около 1 ГГц и выше).

Нельзя не учитывать и разную скорость распространения сигналов в разных типах линий передачи. Особенно, при проектировании последовательных или параллельных интерфейсов, состоящих из ряда сигнальных линий. Если трассы пройдут по разным путям, через разные слои платы с разными скоростями распространения, разбег фронтов на входах приемников будет определяться не только разницей их геометрических длин. И если вы не учтете данный фактор, вам придется применять дополнительные меры и искать новые решения для устранения неприятного разбега фронтов.

Целостность электропитания

В области высоких частот схема электропитания, организованная в печатной плате, перестает быть просто набором микросхем и модулей преобразователей напряжений, супервизоров, проводников питания и земли. Необходимо рассматривать систему электропитания с учетом распределений токов и напряжений по поверхностям проводников и полигонов питания, появления локальных участков с повышенными значениями плотности тока, возможными резонансами, неравномерностью импеданса в рабочей полосе частот, дребезгом земли. Опорный потенциал земли перестает быть стабильным и его значение в короткие промежутки времени может значительно отличаться от нуля вольт. Так же и проводники питания, имеющие сопротивления в сотые и тысячные доли Ома при всплесках токов изменяют потенциалы до долей и единиц вольта. И самое важное – что все эти изменения потенциалов зависят от частоты сигналов и конкретных точек печатной платы.

Если не учитывать указанных явлений и все внимание и силы потратить лишь на обеспечение целостности электрических сигналов, результат в виде случайных сбоев может свести на нет все ваши усилия.

Правила сохранения целостности сигналов и правила обеспечения целостности питания необходимо рассматривать и применять в комплексе.

Линия передачи печатной платы

Понятие линии передачи

Линия передачи в системе передачи информации – это среда распространения сигнала. Условно линии передачи можно разделить на проводные, беспроводные, оптические линии. Сигнальные трассы печатных плат относятся к проводным линиям передачи.

Рис. 1 Линия передачи печатной платы

Чем же отличается линия передачи от обычного электрического проводника?

Распространение сигнала в линии передачи можно представить как распространение электромагнитной волны. Электромагнитная волна характеризуется векторами напряженности электрического поля и векторами напряженности магнитного поля. Для понимания нужно вспомнить раздел электромагнетизма из курса физики средней школы [8].

Как известно, электрическая энергия, характеризуемая векторами напряженности электрического поля Е, концентрируется между обкладками конденсатора – в толще диэлектрика между двумя токопроводящими пластинами. В свою очередь энергия магнитного поля, характеризуемая векторами напряженности магнитного поля H, может концентрироваться вокруг проводника, а при наличии его изгиба – вблизи центра изгиба проводника, по которому протекает электрический ток. Таким образом, распространение фронта цифрового импульса можно представить как распространение электромагнитной энергии вдоль линии передачи. Позволю себе для упрощения представить распространение электромагнитной волны в линии передачи как распространение некоторого энергетического всплеска или порции энергии.

Отсюда легко понять, что линия передачи должна представлять собой либо волновод, либо коаксиальный кабель, либо расположенные друг над другом сигнальный и земляной или опорный проводники печатной платы, либо соседние контакты разъема, между сигнальным и опорным проводником или оплеткой которого будет способна концентрироваться и распространяться энергия электромагнитного поля или фронта сигнала.

Диэлектрик, расположенный между двумя проводниками, определяет характеристики среды распространения, наиболее важной из которых является диэлектрическая проницаемость, определяющая скорость распространения электромагнитной волны. От однородности материала диэлектрика в диапазоне сверхвысоких частот зависит и однородность линии передачи.

Линии напряженности электрического поля концентрируются между сигнальным проводником и опорным или земляным слоем так, что в опорном слое задействуется ширина примерно в пять раз больше, чем ширина сигнального проводника. И чем выше частота сигнала или волны, тем в «более узком» пространстве между сигнальным и опорным проводниками концентрируется энергия волны.

Рис. 2 Концентрация прямого и возвратного тока

Чтобы не думать о площади, занимаемой «энергией фронта импульса» в опорном слое, следует делать его сплошным под всеми сигнальными проводниками некоторого сигнального слоя. Это имеет смысл еще и с точки зрения устранения неоднородностей.

Так, на уровне словесного описания, можно сделать один простой и очень важный вывод. Если волна будет распространяться по однородной линии передачи, ничто не приведет к ее искажению, а значит будут наилучшие условия для сохранения энергетических, частотных и временных параметров сигнала. Энергия волны, распределенная в частотном диапазоне, без искажений преодолеет путь от источника к приемнику сигнала (без учета внешних наводок и помех). И форма сигнала в приемнике будет как две капли воды похожа на форму сигнала на выходе передатчика. Только из-за омических и емкостных потерь будет несколько снижена его амплитуда или размах, тем больше, чем больше длина линии передачи.

Если линию передачи печатной платы сравнить с автомагистралью, вы сможете представить, что ждет фронт импульса (автомобиль) за каждым поворотом, при резком сужении или расширении дороги, при подъеме или спуске и даже появлении люков (переходные отверстия). Если трасса ровная, не имеет поворотов, перепадов по высоте, сужений и расширений (которые можно назвать одним общим словом – неоднородности), ничто не помешает автомобилю преодолеть расстояние за кратчайшее время с постоянной максимальной скоростью и ничто не приведет к искажению его первоначальной формы.

Также легко при таком сравнении можно представить и другие возможные причины, по которым «автомобиль» может изменить скорость и/или направление своего движения, или даже потерять свою целостность. Это – влияние других автомобилей, движущихся с высокой скоростью по ближайшим соседним трассам (перекрестные искажения), влияние внешних тел, которые могут прилететь извне (помехи), резкое изменение давления воздуха на трассе или изменение шероховатости поверхности трассы (изменение свойств диэлектрика, приводящее к изменению скорости распространения электромагнитной волны).

То есть, потери энергии в линии, взаимовлияние соседних линий и внешние помехи – являются основными причинами потери целостности электрических сигналов. И все они могут происходить именно в среде распространения или в линии передачи печатной платы.

Есть еще одна неприятность, которая может ожидать электромагнитную волну в линии передачи. Емкостные или индуктивные неоднородности могут привести к отражению и изменению направления части энергии сигнала, в результате чего может произойти «наложение» отраженной волны на падающую волну. Как известно из теории телеграфных уравнений [9], в результате такого сложения относительно напряжения сигнала в худшем случае возможно его удвоение (режим холостого хода, кода коэффициент отражения максимален и равен минус единице). Энергия сигнала практически полностью отражается от значительной неоднородности и распространяясь в обратном направлении синфазно складывается с падающей волной, в результате чего ее «пики» или «горбы» удваиваются по амплитуде и возникает резонанс напряжений. Аналогичная ситуация может происходить и в режиме короткого замыкания в линии передачи, в результате чего образуется резонанс токов с удвоением значений последних. И в том, и в другом случае, в линии формируются стоячие волны, и фрагмент линии между двумя несогласованными неоднородностями может превратиться как в передающую, так и в приемную антенну. В этом случае кроме отсутствия распространения волны из источника в приемник возникнут предпосылки к излучению ее энергии в пространство и перераспределению спектр гармоник. Подобные резонансы можно не допустить, не позволяя неоднородностям появиться в линиях передачи. Либо сглаживая случайные или неизбежные неоднородности, применяя методы согласования сопротивлений. Обратите внимание, что при описанном механизме возникновения резонансов из-за отражений волны от неоднородностей увеличение амплитуды сигнала в линии возможно не более чем в два раза. В отличие от резонансов, возникающих в резонансных LC контурах, где при высокой добротности последних уровни сигналов в линии могут многократно превышать номинальные значения.

Специально в данной главе старался не применить ни одну из формул и даже несколько упростил описание электрофизических процессов для наилучшего понимания самой идеи. Так, без расчетов, почти на интуитивном уровне, можно производить быструю оценку качества любой линии передачи и определив ее недостатки, попытаться устранить их доступными способами. И конечно же лучше, понимая основы, не допустить появления неожиданных неоднородностей в ваших разработках еще на этапе проектирования, моделирования и анализа.

Просто запомните, что:

1. Линия передачи в отличие от простого проводника – это структура, организованная прямым проводником (сигнальная линия), обратным проводником (опорный слой) и диэлектриком между ними.

2. Энергия сигнала и линии напряженности электрического поля сосредоточены между прямым (сигнальным) и обратным (земляным) проводниками в слое диэлектрика, электрическая проницаемость которого напрямую влияет на скорость распространения электромагнитной волны, на длину волны, возможные потери.

3. Магнитное поле распространяется одновременно с прохождением фронта вокруг сигнального проводника, создавая в пространстве электромагнитную волну.

4. В линии передачи распространяется электромагнитная волна. Фронт импульса можно представить мгновенным снимком "порции энергии", выраженной через векторы напряженности электрического Е и магнитного H поля.

5. При наличии емкостных или индуктивных связей между соседними линиями передачи возможна взаимная передача энергии спектральных составляющих сигналов. В прямых линиях без изгибов значение индуктивности стремится к нулю, в результате индуктивные перекрестные наводки могут быть практически исключены. Емкостные наводки могут быть значительно ослаблены путем увеличения расстояния между линиями.

6. При одновременном наличии в линии передачи и емкостных, и индуктивных неоднородностей, возможно создание эквивалентных резонансных контуров с значительным выделением/поглощением энергии на частоте резонанса.

7. Основные причины потери целостности сигнала в линиях передачи печатной платы – это потери энергии в диэлектрике вместе с омическими потерями, потери энергии на излучение в результате отражений волны от неоднородностей с формированием резонансов, искажение энергетической структуры и формы сигнала из-за влияния перекрестных наводок и внешних помех, неправильная организация системы электропитания.

Типы линий передачи

В одной из следующих глав вы узнаете, что скорость распространения электромагнитной волны определяется типом диэлектрика и его основной характеристикой – диэлектрической проницаемостью. Через воздушную среду с диэлектрической проницаемостью близкой к единице при отсутствии магнитных полей волна проходит практически без преломления, как луч света через прозрачное стекло. В воздухе скорость распространения электромагнитной волны близка к скорости света. Также и в проводнике без оплетки волна распространялась бы со скоростью света, если бы не было излучения в свободное пространство.

Линии передачи разделяются на типы по конструкции.

Рис. 3 Типы линий передачи

(затемненные области – токопроводящие материалы линий передачи)

В дифференциальной линии передачи, частным случаем которой являются двухпроводная, твинаксиальная, полосковая и микрополосковая линии, энергия волны сосредоточена между симметрично расположенными проводниками, один из которых принято называть проводом положительной полярности, а другой – проводом отрицательной полярности. Может существовать и дополнительная экранирующая оболочка, улучшающая помехоустойчивость. Важно отметить, что скорость распространения волны в дифференциальной линии передачи в большей степени определяется диэлектрической проницаемостью среды, расположенной между ее проводниками. Это справедливо для двухпроводной, твинаксиальной и полосковой дифференциальной линии передачи. В микрополосковой дифференциальной линии передачи, как видно из рисунка, с одной стороны (внизу) от проводников расположен слой диэлектрика печатной платы, в то время как с другой стороны (вверху) находится воздушная среда. Коэффициенты диэлектрической проницаемости воздуха и диэлектрика платы различаются и большая часть энергии сигнала распространяется с «воздушной» стороны из-за меньших потерь в диэлектрике. Таким образом, скорость распространения волны для микрополосковой дифференциальной линии передачи оказывается выше, чем для полосковой линии передачи, поскольку последняя со всех сторон окружена диэлектриком печатной платы, имеющим больший коэффициент диэлектрической проницаемости и большие потери.

Из этого можно сделать важный вывод.

Если часть линий, например, параллельной шины данных, развести в печатной плате с использованием полосковых линий передачи, а другую часть линий передачи той же шины выполнить с использованием микрополосковых линий передачи, моменты времени, в которые сигналы в разных линиях достигнут приемника, могут значительно отличаться, даже при строгом выравнивании длин линий в печатной плате и кабелях до единиц и долей миллиметра.

В коаксиальном кабеле есть центральный сигнальный проводник, вокруг которого расположен слой диэлектрика и внешняя экранирующая оболочка, играющая роль обратного провода.

Твин- и квадраксиальные кабели состоят из набора двух и четырех коаксиальных линий соответственно, причем нормированным в них является не синфазное, а дифференциальное волновое сопротивление.

В микрополосковой линии передачи сигнальный проводник расположен в одном из внешних слоев платы, а опорный слой или обратный проводник расположен в ближайшем внутреннем слое.

В полосковой линии передачи сигнальный проводник находится в одном из внутренних слоев печатной платы и со всех сторон окружен материалом ее диэлектрика. Если толщина слоя диэлектрика с обеих сторон одинакова, такая линия называется симметричной. Если толщина диэлектрика с одной стороны сигнального проводника меньше, чем с другой, линия называется полосковой асимметричной линией передачи.

На практике все разнообразие названий и конструкций определяет лишь то, что разные линии передачи обеспечивают разную скорость распространения электромагнитной волны, разную задержку распространения, разные потери на излучение, омические потери и потери в скин-слое проводника. Расчет волновых сопротивлений, временных задержек распространения сигнала и других параметров линии передачи – трудоемкая и затратная по времени задача. Поэтому рекомендуется для оценки характеристик применять специальные программы, например:

https://www.awr.com/software/options/tx-line (https://www.awr.com/software/options/tx-line)

Достоинства дифференциальных линий передачи

Линии передачи могут быть одиночными или синфазными, где электромагнитная волна распространяется между сигнальным и опорным проводником. Линии передачи могут быть дифференциальными, где сигналы в двух сигнальных проводах имеют одинаковую форму и разную полярность, и каждый из двух проводов является «опорным» для другого. Энергия электрического поля электромагнитной волны в дифференциальных линиях сосредоточена между ее проводниками. Вокруг них формируются силовые линии магнитного поля с разным направлением вращения, что приводит к взаимной компенсации векторов напряженности магнитного поля и значительному снижению уровня собственных излучений, поскольку при компенсации магнитных составляющих будут ослаблены и порождаемые ими электрические составляющие электромагнитного поля.

Дифференциальный приемник срабатывает на разницу напряжений в прямом и обратном проводе и имеет значительный коэффициент ослабления синфазных составляющих (КОСС) помех, которые в каждом отдельном проводнике дифференциальной пары близки по амплитуде и имеют одинаковую полярность (значение при вычитании помех в приемнике близко к нулю).

Дополнительно можно отметить, чтов интерфейсах с дифференциальными стандартами сигналов уровни напряжений часто оказываются ниже, чем уровни напряжений в интерфейсах с синфазными сигналами. Например, в интерфейсе UART с сигналами КМОП уровень логической единицы может достигать напряжения питания +3,3В, в то время как в интерфейсах с сигналами LVDS размах напряжения в дифференциальной линии составляет всего 0,4В, что почти на порядок ниже уровня сигнала КМОП. Энергия излучения, в свою очередь, пропорциональна квадрату напряжения.