Читать книгу Сохранение целостности сигналов в печатных платах. Практические рекомендации - Андрей Васильевич Трундов - Страница 4

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.

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.