Высокоскоростные печатные платы. Примеры применения правил сохранения целостности электрических сигналов и электропитания

Во-первых, они обеспечивают значительно лучшую помехоустойчивость по сравнению с синфазными линиями передачи.

Во-вторых, размах напряжения на входе приемника в дифференциальных интерфейсах может быть в несколько раз ниже по сравнению с размахом сигнала на выходе передатчика.

Например, для стандарта LVDS, размах напряжения на выходе дифференциального драйвера может достигать 600 мВ. При этом размах сигнала на входе дифференциального приемника не должен быть ниже 100 мВ, что допускает ослабление исходного сигнала до шести раз. Учитывая спад АЧХ RC фильтра нижних частот первого порядка, равный -20дБ/декада (в 10 раз при изменении частоты в 10 раз), можно оценить, что при частоте среза АЧХ с границами 500—1500 МГц по уровню -3дБ линия передачи может пропускать полосу частот до значения около 10 ГГц с заданным ослаблением -15дБ (в 6 раз).

Время нарастания/спада прямоугольного импульса

определяется из выражения

F

= 0,35/t

и составит:

– 660 пс (для полосы пропускания с верхней границей на частоте 500 МГц) – стандартный FR-4, длина линии передачи 10 см,

– 230 пс (для полосы пропускания с верхней границей на частоте 1500 МГц) – высококачественный диэлектрик с меньшими потерями,

– 140 пс (для полосы пропускания с верхней границей на частоте 2500 МГц) – стандартный FR-4 – длина линии передачи уменьшена до 2 см.

Собственная частота резонанса несогласованного сегмента линии передачи

Определим собственную частоту резонанса прямой линии передачи длиной L=10 см.

F

= V/4L = 1,66х10

/ 0,4 = 415 МГц

Где L – длина линии передачи, равная четверти длины волны ?

? = 4l = 0,4 м

Результаты расчета

Расчетным путем определены основные параметры однородной микрополосковой линии передачи длиной 10 см выполненной в печатной плате с диэлектриком

FR-4 с электрической проницаемостью равной 4, а именно:

– собственная частота резонанса 415 МГц,

– минимальная верхняя граница полосы частот 530 МГц,

– максимальная частота сигнала меандр не менее 100 МГц,

– минимальное время нарастания/спада прямоугольного импульса 660 пс.

Определение параметров линий передачи в среде моделирования/анализа HyperLynx SI/PI Mentor (A Siemens Business)

Выбор IBIS моделей передатчика и приемника сигнала

Точность моделирования определяется достоверностью IBIS модели драйвера и приемника тракта передачи данных.

Выбор IBIS модели передатчика и приемника для анализа характеристик тракта передачи должен определяться конкретными микросхемами, используемыми в электрической схеме. Часто запросить и получить у производителя нужную IBIS модель достаточно сложно, а иногда – невозможно.

Можно разработать собственную IBIS модель для отдельного драйвера, источника или целой микросхемы, используя справочные характеристики. Такой подход потребует времени и наличия опыта.

Достаточно быстрым практическим решением для качественной оценки параметров линии передачи может быть использование готовых IBIS моделей, имеющихся в библиотеке среды моделирования/анализа, учитывая возможное влияние их свойств на результат анализа.

При работе в среде HyperLynx будут использоваться IBIS модели КМОП драйвера и передатчика микросхемы FPGA Virtex-4 с наименованиями LVCMOS33_S_4.IBS, LVCMOS33_S_12.IBS, LVCMOS33_S_24.IBS (отличия в цифрах означают различный ток драйвера от 4 до 24 мА соответственно) если не указаны другие модели.

Рис. 9 IBIS модель входа/выхода КМОП Virtex-4

На следующем рисунке представлена переходная характеристика однородной прямой микрополосковой линии передачи.

Рис. 10 Переходная характеристика однородной микрополосковой линии передачи при использовании IBIS модели входа/выхода КМОП Virtex-4

При использовании IBIS модели отечественного процессора 1892ВМ15, переходная характеристика будет иметь другой вид.

Рис. 11 Переходная характеристика однородной микрополосковой линии передачи при использовании IBIS модели входа/выхода отечественного процессора 1892ВМ15

При использовании IBIS модели ПЛИС Virtex-4 переходная характеристика без колебательного процесса свойственна апериодическому RC звену первого порядка, не склонного к возбуждению.

Колебательный процесс в переходной характеристике при использовании IBIS модели процессора 1892ВМ15 говорит о наличии в линии распределенной емкости и распределенной индуктивности, которые формируют RLC звено второго порядка.

В IBIS модели Virtex-4 значение емкости не превышает 10 пФ. Значение выходного сопротивления источника в режиме ограничения выходного тока значением 4 мА может составлять десятки Ом. Именно наличие ограничивающего ток выходного последовательного сопротивления, как и в случае последовательного согласования, приводит к устранению «звона», получению более пологого монотонного фронта, но также является причиной ограничения полосы частот.

Анализ параметра S12 однородной микрополосковой линии передачи

Переходная характеристика позволяет провести быструю оценку амплитудно-частотной характеристики линии передачи (переход из временной области в частотную область) в совокупности со всеми элементами тракта передачи, включая источник и приемник сигнала.

Передаточная характеристика [6] (или анализ параметров S12, S21 в частотной области) определяет поведение только линии передачи, представленной в виде четырехполюсника, без учета характеристик источника и приемника сигнала (то есть, без учета влияния выбранной IBIS модели).

Анализ параметров S11, S22 во временной области позволяет определить наличие неоднородности, расстояние до неоднородности и характеристики неоднородности в линии передачи.

Далее в книге будут рассматриваться только параметры S12, определяющие передаточную характеристику линии в прямом направлении в частотной области (зависимость коэффициента передачи от частоты).

На следующем рисунке представлен параметр S12 однородной прямой линии передачи.

Рис. 12 Параметр S12 микрополосковой однородной прямой линии передачи

Из рисунка видно, что однородная прямая микрополосковая линия передачи является апериодическим звеном первого порядка, АЧХ которой имеет практически линейный спад с частоты среза примерно 7,4 ГГц по уровню -3дБ.

Определение частоты собственного резонанса линии передачи по переходной характеристике

Если обеспечить рассогласование линии передачи на стороне приемника, созданная на дальнем конце линии неоднородность приведет к 100% отражению сигнала и возникновению «звона» на частоте собственного резонанса линии передачи.