Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов и электропитания

Благодаря низкой излучающей способности и высокой помехоустойчивости дифференциальных линий передачи, даже при более бликом их расположении по отношению друг к другу, по сравнению с одиночными линиями передачи, уровень перекрестных наводок будет значительно снижен. Подробный анализ представлен в главе «Пример оценки влияния перекрестных наводок».

Ниже перечислены достоинства дифференциальной линии передачи по сравнению с одиночной линией.

1. Низкий уровень собственных излучений, благодаря взаимной компенсации равных по значению и обратных по направлению векторов магнитной индукции.

2. Высокая устойчивость к воздействию внешних помех, шумов в цепях электропитания, дребезгу земли.

3. Возможность выполнения линии без опорного потенциала в изолированных интерфейсах, в связи с чем требования к однородности линии выполняются проще (не нужно следить за нарушением пути протекания возвратного тока в опорном слое).

4. Возможность передачи сигналов с меньшим значением амплитуд (благодаря повышенной помехоустойчивости).

5. Простое согласование линии передачи с нагрузкой (нужен один терминирующий резистор, который одновременно может являться сопротивлением нагрузки, например, в интерфейсе LVDS).

6. Снижение требований к форме импульса. Приемник срабатывает на разность напряжений и основным требованием является требование к монотонности (линейности) фронта/спада импульса. Допустимо передавать сигнал с ограниченным спектром. Это еще больше снизит уровень собственных излучений.

7. Расстояние между двумя дифференциальными парами можно снижать до размера ширины одиночного проводника. При этом уровень перекрестных наводок будет соизмерим с уровнем наводок между соседними синфазными линиями, расположенными на расстоянии 5d.

8. Упрощение требований к кабелям. Возможность использования недорогой витой пары, плоских и коаксиальных кабелей при организации слабой связи между отдельными проводниками дифференциальной пары.

Перечисленные выше свойства определяют низкую излучающую способность и высокую помехоустойчивость дифференциальных линий, что делает их незаменимыми при решении задачи улучшения электромагнитной совместимости и повышении отношения сигнал/шум.

Достаточно часто в дифференциальных линиях используется дополнительный экранирующий или земляной проводник, слой, оплетка кабеля. Во-первых, земляной проводник применяется для повышения помехоустойчивости линии передачи. Во-вторых, опорный проводник может служить путем протекания обратного тока для синфазного постоянного напряжения, опорного уровня для изменяющегося дифференциального сигнала (например, в стандарте TIA/EIA-644 LVDS).

Примеры распределения полей в линиях передачи

На рисунках показаны линии напряженности электрического поля (выходящие из сигнального проводника) и силовые линии магнитного поля (расположенные вокруг сигнального проводника).

С их помощью вы можете оценить характер распространения электрической и магнитной энергии волны в линии передачи, определить их доли в общей энергии сигнала.

Также здесь вы можете увидеть мгновенный снимок той порции энергии, которая в данный момент в данном месте линии передачи печатной платы распространяется от источника в сторону приемника.

Включите воображение и представьте, что это и есть фронт импульса высокоскоростного интерфейса, придуманный ранее для упрощения «автомобиль», двигающийся по трассе, архитектором которой являетесь вы. И многие, казавшиеся сложными до этого момента вопросы, надеюсь, значительно упростятся.

Рис. 4 Микрополосковая линия передачи

Рис. 5 Несимметричная полосковая линия

Рис. 6 Дифференциальная микрополосковая линия передачи

Обратите внимание, что линии напряженности электрического поля сосредоточены между сигнальным и опорным проводником. Это объясняет работу правила 3d, о котором вы узнаете далее.

Основные понятия из курса физики

Для лучшего понимания физического смысла некоторых важных формула нам потребуется перейти к формальному или схемотехническому описанию линии передачи. Предлагаю кратко вспомнить некоторые основы из курса физики средней школы [7-9], чтобы дальнейшее описание основных понятий не вызвало непонимания.

Вы можете пропустить данную главу, если не чувствуете затруднений и хорошо помните, что такое пассивные элементы, типовые электрические звенья и т. п.

Пассивные радиоэлементы

При изучении электрических свойств и процессов, происходящих в печатных платах, пассивные элементы будут интересны по той причине, что в линии передачи кроме них вы не встретите других элементов. Точнее, в реальной линии передачи печатной платы вы не встретите и пассивных элементов. Но непременно увидите их на эквивалентной схеме.

Резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы в различных сочетаниях образуют простейшие электрические схемы, фильтры, ограничивающие распространение сигналов в том или ином диапазоне частот, резонансные контуры, выделяющие или подавляющие полосу частот. Пассивные элементы называют сосредоточенными, если их размеры много меньше длины волны для максимальной частоты спектра сигнала, передаваемого в линии. С ростом частоты размеры катушек индуктивности и конденсаторов, распределенных в линии передачи, становятся соизмеримы с длиной волны. Участки линий приобретают способность излучать энергию, их потери увеличиваются. В этом случае пассивные элементы называют распределенными.

Отсутствуя в линии передачи в явном виде, распределенные конденсаторы и индуктивности полностью определяют ее реальные характеристики.

Резистор

Конструктивно резистор представляет элемент с двумя выводами, который ограничивает поток зарядов, электрический ток. Резистор не накапливает электрическую или магнитную энергию. Он рассеивает ее в виде тепла в окружающее пространство. При протекании тока через резистор на его выводах создается разность потенциалов, выделяется тепловая энергия, выраженная через мощность, равную произведению падения напряжения на значение тока.

Сопротивление идеального резистора не зависит от частоты. Поэтому резистор не является реактивным элементом. При прохождении через резистор сигнал сохраняет свою форму. Возможно уменьшение его амплитуды. Причем это изменение амплитуды может происходить почти мгновенно, безынерционно.

Сопротивление резистора определяется удельным сопротивлением проводящего материала ?

, его длиной l и сечением S.

Катушка индуктивности

Конструктивно катушка индуктивности представляет электрический элемент в виде отрезка проводника, намотанного на некоторую оправу или сердечник. Индуктивность определяет энергию магнитного поля, созданного электрическим током в проводнике, изгибе проводника или контуре.

Индуктивность равна отношению магнитного потока, проходящего через проводник или контур с электрическим током, к значению тока, создавшего это магнитное поле. В свою очередь магнитный поток определяется «концентрацией» однонаправленных векторов магнитной индукции, которая увеличивается именно на изгибе проводника.

Энергия магнитного поля, накопленная в индуктивности, определяется выражением

Значение индуктивности катушки длиной l состоящей из N витков определяется по формуле.

Отсюда видно, что индуктивность изогнутого проводника или линии передачи увеличивается при увеличении площади и крутизны изгиба. Это поможет понять причины и природу индуктивной неоднородности в линиях передачи.

Индуктивность катушки пропорциональна значению магнитной проницаемости сердечника, на который она установлена. Это свойство позволяет значительно увеличивать индуктивность катушки без увеличения ее габаритных размеров. Ферритовые бусинки, надетые на проводники питания, обеспечивают увеличение индуктивности выбранных цепей и потерь высокочастотных составляющих спектра.

Сопротивление или импеданс индуктивности зависит от частоты сигнала. Для постоянного тока импеданс индуктивности равен омическому сопротивлению образующего ее проводника. С ростом частоты импеданс индуктивности увеличивается.

Нулевое значение импеданса на постоянном токе и его увеличение с ростом частоты делают эффективными установку катушек и дросселей последовательно в цепь питания. Это позволяет без ослабления передавать постоянный ток от источника питания в нагрузку и препятствует нежелательному прохождению высокочастотных составляющих спектра сигнала (возможных пульсаций, помех).

Значение напряжения на индуктивности зависит от скорости изменения тока, проходящего через нее.

В линиях передачи печатной платы с высоким значением индуктивности при быстром изменении скорости нарастания/спада цифрового импульса возможно появление значительных выбросов напряжения как в сигнальной линии, так и в соседних проводниках. В цепях и полигонах питания на изгибах проводников, на внутренних и внешних углах полигонов, локальное увеличение индуктивности приводит к увеличению плотности тока и росту импеданса цепи.

Катушка индуктивности препятствует быстрому изменению напряжения на ее выводах. После разрыва цепи, в которую она установлена, катушка пытается вернуть в цепь накопленную энергию в виде тока. Явление электромагнитной индукции, открытое М. Фарадеем, заключается в возникновении в катушке или замкнутом контуре электрического тока, если магнитный поток, пронизывающий данный контур, изменяется во времени. Если контур не замкнут, в нем возникает ЭДС самоиндукции. Проще говоря, катушка становится источником электроэнергии, если находится под действием переменного магнитного поля.

Конденсатор

Конденсатор – это электрический элемент с двумя проводящими обкладками и слоем диэлектрика между ними. Если рассматривать конструкцию линии передачи печатной платы, в ней всегда есть проводник (одна обкладка конденсатора), слой диэлектрика печатной платы между проводником и опорный слой (вторая обкладка конденсатора). Если речь идет о цепях, полигонах или слоях питания, одной обкладкой можно считать слой или полигон напряжения питания, второй обкладкой можно считать слой или полигон земли.

Рис. 7 Конструкция конденсатора

Электрическая емкость определяется по формуле.