Имея успешный практический опыт (более 15 лет) разработки схем устройств, печатных плат, со скоростью передачи данных до нескольких гигагерц (по меди), опыт взаимодействия с конструкторами, разводчиками печатных плат, изучив большой объем литературы по теме сохранения целостности сигналов, мне удалось выработать ряд простых для понимания и повторения практических решений, которые хочу предложить Вашему вниманию.
Я понял, что без знания основ схемотехники, радиотехники, электроники — инженеры — конструкторы печатных плат часто не осознают важности тех или иных правил разводки, не могут правильно расставить приоритеты и делают досадные ошибки, приводящие к необходимости повторной разводки плат.
Согласитесь, без понимания терминов стек, волновое сопротивление, опорный слой, дребезг земли, целостность сигналов и т.п. — сложно понять, о чем идет речь в той или иной главе, когда пытаетесь самостоятельно освоить P-CAD, Altium или другой пакет проектирования по очень хорошим книгам замечательных авторов. Ведь изначально авторы предполагают, что вы имеете достаточный запас знаний, для правильного понимания написанного.
Важно знать необходимые понятия, начиная от емкостей, индуктивностей, резонансов, и заканчивая правилами группирования сигналов в классы и рекомендациями по правильной трассировке цепей каждого из них, а также критериями расстановки приоритетов.
Главной задачей, которую решает разработчик линии передачи данных, является задача сохранить сигнал на входе приемника в целостности. Это значит, что форма напряжения не должна измениться в линии передачи, какой бы длинной и сложной она ни была, по сравнению с формой сигнала, вышедшего из передатчика.
Линия передачи. Отличие от одиночного проводника печатной платы
Линия передачи — линия, где распространяется сигнал. В нашем случае — проводник печатной платы или провод кабеля. Но линия передачи — это не одиночный проводник. Это — условно два проводника, прямой и обратный. По прямому сигнал распространяется от ножки микросхемы (передатчика) к другой ножке (приемнику). По обратному проводнику сигнал должен вернуться назад. На высоких частотах энергия возвратного сигнала сосредотачивается под прямым проводником, и чем выше частота, тем более локально или плотно концентрируются возвратные токи.
Если путь протекания возвратного тока нигде не нарушен, на всем протяжении линии передачи опорный слой (именно в нем и протекает возвратный ток) будет непрерывен, сигнал уже гарантированно вернется назад по оптимальному и кратчайшему расстоянию.
Что будет, если на пути протекания возвратного тока в опорном слое сделать вырез? Сигнал будет искать путь наименьшего сопротивления. И обязательно вернется назад — но дорога его будет витиевата и длинна.Часть энергии сигнала неизбежно в месте разрыва опорного слоя будет излучаться на ближайшие точки конструкции с наименьшим потенциалом, на корпус, если он выполнен из металла. Это приведет к потере энергии и искажению формы передаваемого импульса.
Первое простое, но важное правило
При разводке печатной платы всегда отслеживайте путь прохождения возвратного тока. И лучше, если вы рядом с сигнальным слоем расположите опорный земляной слой — размером во всю печатную плату. Тогда правило выполнится само собой, и вы будете спокойны, что сигнал не излучится.
Чем опасны изгибы проводника, почему проводник должен быть прямым и коротким? Изгибы приводят к появлению индуктивности в линии передачи. Сопротивление или импеданс индуктивности растет с ростом частоты, потому любая индуктивность линии — враг быстрым изменениям сигнала, фронту и спаду импульса.
Волновое сопротивление линии передачи
Одной из наиболее важных характеристик линии передачи является волновое сопротивление. Волновое сопротивление линии зависит от ее геометрии — размеров проводника, толщины и свойств диэлектрика, расстояния между проводником и опорным слоем. Однородная линия передачи — некий идеальный случай — когда волновое сопротивление по всей ее длине не изменяется. Тогда в линии нет неоднородностей, которые являются причиной отражений.
Любая неоднородность в линии приводит к появлению отраженной копии исходного сигнала, которая воздействует на исходный сигнал, искажает его форму, нарушает его первоначальный вид — целостность. Иногда это критично, иногда — не очень. Иногда отражение сильное, иногда — слабое. Есть понятие электрической длины линии передачи, есть понятие коэффициент отражения. Они позволяют оценить — насколько критична та, или иная неоднородность в линии.
Неоднородность может быть вызвана и переходными отверстиями, и разрывом опорного слоя, и изменением геометрических размеров линии, и многими другими причинами. Если есть неоднородность, есть пути ее согласования. В схемотехнике применяется ряд методов согласования линии как с передатчиком, так и с нагрузкой.
Амплитудно-частотная характеристика линии передачи
Следующей важной характеристикой линии передачи является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Линия имеет сопротивление постоянному току, импеданс, обусловленный наличием ее собственной индуктивности, емкости. В линии неизбежно присутствуют выходная емкость передатчика и входная емкость приемника. Все эти реактивные или частотно-зависимые элементы способны образовывать как фильтры, так и резонансные контуры, которые приводят к искажению идеальной горизонтальной прямой АЧХ.
Чем опасны частотные искажения? Сигнал любой формы может быть представлен спектром гармоник. Меандр может быть «собран» из синусоидальных сигналов с кратными частотами, каждый из которых может иметь свои фазовые и амплитудные коэффициенты. Искажения любой из гармоник, к примеру, снижение амплитуды, вызванное неравномерностью АЧХ линии, приводят к искажению формы сигнала.
Второе важное правило
Следите за амплитудно-частотной характеристикой линии. Рассчитывайте частоту среза частотной характеристики, исходя из параметров линии, и добивайтесь, чтобы ширина полосы частот линии передачи превышала значение пятой гармоники основного сигнала (если он периодический). Если сигнал представлен отдельными прямоугольными импульсами, ширина полосы частот линии передачи должна быть не уже значения 0,35/tr, где tr — скорость нарастания фронта.
Иногда специально требуется ограничить скорость нарастания фронта на выходе передатчика для снижения излучающей способности линии передачи. Ограничить ток драйвера и скорость нарастания фронта можно установив в линию передачи последовательный согласующий резистор, который с паразитной емкостью линии образует ФНЧ и сгладит фронт импульса. Такое решение улучшает ЭМС и снижает перекрестные искажения. Дополнительно резистор, установленный в паразитный колебательный контур, образованный индуктивностью и емкостью линии, снизит его добротность и уменьшит его влияние на АЧХ линии передачи.
Если линия длинная, ее емкость также увеличена, по сравнению с емкостью короткой линии, и фильтр нижних частот имеет более низкую частоту среза, ограничивает спектр сигнала.
При установке в линию последовательного согласующего резистора образуется фильтр нижних частот, который будет иметь еще более низкую частоту среза и еще более ограничит полосу пропускания линии передачи. Если линия длинная и изогнутая, в ней присутствует индуктивность, которая вместе с емкостью может образовывать и фильтры, и резонансные контуры. При установке в разрыв линии конденсатора, с целью гальванической развязки, вы ограничите полосу частот уже снизу, образовав фильтр верхних частот, и площадка низкочастотного импульса будет завалена.
Третье важное правило
Сигналы в разных линиях способны оказывать влияние на соседние линии. Перекрестные наводки, шумы, как внешние так и внутренние, изучаются в разделе электромагнитной совместимости. Для практического применения есть ряд простых правил по организации зазоров между соседними линиями (правило 3d), установке земляных полигонов.
Трех указанных разделов (или правил) достаточно для понимания физики прохождения электрических сигналов в линиях передачи.
Отдельно есть еще ряд вопросов, связанных с целостностью питания и земли, необходимостью выравнивания линий в шинах, дифференциальными линиями. Есть стандарты электрических сигналов, изучать и применять которые необходимо при решении конкретных задач. Учитывайте все элементы линии передачи — от точки передатчика до точки приемника (и проводники печатной платы, и провода кабелей, и контакты соединителей).
Что важно сделать перед началом любого проекта
Почему важно начинать работу над проектом, понимая представленные физические основы?! Дело в том, что иначе вы не сможете расставлять приоритеты. Даже если вы изучите массу литературы, узнаете сотни правил правильной разводки высокоскоростных плат, без знания основ вы не сможете принять грамотное решение в той или иной ситуации.
Иногда приходиться чем-то жертвовать. Важно — сделать правильный выбор! В книгах зарубежных авторов этому уделяется большое внимание и приводится пример, когда студенты одного ВУЗа разводят одну и ту же плату, имея одинаковый набор правил. И каждый — делает это по своему. Лучше получается у того — кто знает и применяет знания физики, а не просто наугад выбирает правила из ряда предложенных.
В данной теме обзорно показаны лишь некоторые правила, касающиеся правильной разводки высокоскоростных печатных плат. Большая часть этих вопросов, а также авторских правил и общеизвестных методик собраны в одном издании «Сохранение целостности электрических сигналов. Пособие схемотехникам и конструкторам печатных плат» (книга официально издана, найти книгу вы сможете в книжных интернет магазинах litres.ru и ridero.ru по указанному названию .
Кратко, именно для практического применения уже в Ваших разработках, повторю здесь ряд правил, выполнение которых поможет сэкономить время и не допустить обидных ошибок.
Алгоритм разводки печатной платы и анализ возможных искажений сигналов
- При заказе печатных плат требуйте выполнить контроль волнового сопротивления. Учитывайте, что соответствовать заданному оно будет только на прямых проводниках без переходных отверстий, ответвлений — на эталонных образцах. В реальных платах оно может немного отличаться от заданного. Это не беда, если в линию вы установите последовательный согласующий резистор, который «сгладит» неоднородность на стыке между передатчиком и линией, поглотит энергию отраженных волн, ограничит частотную характеристику (до того значения частоты среза, которую вы не забудете учесть), снизит добротность возможных паразитных контуров, уменьшит ток сигнала в линии и снизит ее излучение в случае недостаточного согласования. Это правило актуально и для относительно низкочастотных сигналов с крутыми фронтами
- Волновое сопротивление определяется геометрией линии. Правильно организуйте стек печатной платы. Пользуйтесь бесплатными программами для расчета волнового сопротивления, например:
www.awr.com/software/options/tx-line
Рядом с сигнальным слоем обязательно размещайте опорный земляной слой, в котором, как в зеркале, отразятся все возвратные токи. Помните, что зеркало не должно иметь изъянов и трещин. Наличие разрывов в опорном слое испортит Вам настроение в будущем, приведя к случайным ошибкам в передаваемых пакетах данных. Не используйте слои питания в качестве опорных, поскольку в них могут размещаться полигоны нескольких цепей питания, разделенные нежелательными для опорного слоя разрывами. - Применяйте правило 3d и в особо критичных случаях разделяйте проводники агрессора и жертвы земляными проводниками и полигонами для снижения перекрестных искажений.
- С той же целью применяйте дифференциальные стыки и экранированные кабели.
- Не старайтесь фанатично выровнять по длине все проводники шины данных, адреса. Делайте необходимые расчеты, и принимайте решение о степени выравнивания на их основе.
- Не заостряйте внимание на диэлектрической проницаемости материала, если верхняя граница спектра сигнала не превышает значения 1 ГГц. Для расчетов и моделирования используйте значение e=4 для диэлектрика FR4.
- Используйте программы моделирования Hyperlynx Mentor Graphics и/или Sigrity Cadence Orcad. Для практического применения они одинаково хороши в умелых руках, при условии, что вы четко представляете физические основы. Более того, пакеты моделирования помогут вам увидеть глазами то, что вы еще никогда не видели на экране осциллографа. Это и плотность тока, и распределение токов по печатной плате, и трехмерное изображение цепи или полигона питания в анализе падения напряжения. Вы увидите, как критична бывает нехватка переходных отверстий между соседними слоями питания, поскольку это приводит к значительному локальному увеличению сопротивления в отверстиях, а также увеличению плотности тока, возможному перегреву и даже «выгоранию» отверстия.
Пакеты проектирования очень дороги. Требуйте их приобретения у своих работодателей. Цена ошибки на каждом этапе вырастает многократно, и лучше сразу вложить средства в правильное проектирование, чем потом вкладывать бОльшие средства на поиск и устранение ошибок.
Пример. Применение правил к разводке дифференциальных стыков.
Ниже на примере дифференциальных стыков покажу, как применять показанные выше правила.
Кроме лини передачи с одиночным проводником и опорным слоем есть и другой вид — дифференциальная линия. Дифференциальные линии применяются в известных стыках RS-422, RS-485, USB, LVDS, Ethernet и других.
В дифференциальной паре сигнал одинаковой формы и разной полярности передается одновременно по двум проводникам. Приемник реагирует на разность напряжений между ними. Благодаря тому, что поля вокруг проводников компенсируются, получается низкий уровень излучения диф. линии. Из-за того, что приемник измеряет только дифференциальное напряжение и не учитывает синфазное, получается высокая помехоустойчивость. Приемникам уже не так важна полная форма импульса. Возможные искажения на площадках, связанные с помехами, пульсациями питания, дребезгом земли, не влияют на качество приема. Важно сохранить только монотонность фронта и спада и достаточную амплитуду на входе приемника, чтобы он был способен правильно распознать момент перехода сигнала через заданные стандартом пороговые уровни. Искажения фронта «ступенька» или «звон на фронте» могут привести к ложному срабатыванию.
Отсюда можно сделать один важный практический вывод. Форма сигнала уже не должна быть строго прямоугольной. Требования к крутизне фронта определяются лишь возможностью правильно принять сигнал заданной частоты с заданной амплитудой. Может ли приемник правильно принять пилообразный сигнал, если из-за снижения скорости нарастания амплитуда на входе будет достаточна для его правильного срабатывания? Да, может. Потому, в некоторых случаях, например для еще большего снижения излучения в условиях жестких требований ЭМС, можно дополнительно ограничивать спектр сигнала применением фильтров (установка согласующего резистора вместе с дополнительной емкостью). Речь идет только о цифровых сигналах, состоящих из последовательности импульсов.
Разводка печатных проводников на примере LVDS
Волновое сопротивление диф. линии должно быть равно 100 Ом. Линия, организованная токовой петлей с током 3,5 мА требует установки на стороне нагрузки терминирующего резистора, сопротивлением 100 Ом. Падение напряжения на резисторе составляет 350 мВ. Размах сигнала на входе приемника не должен быть ниже 100 мВ. Дифференциальное напряжение изменяется относительно постоянного синфазного напряжения, диапазон которого может изменяться от 300 мВ до 2,3 В. Уточнить значения напряжений вы сможете в стандарте TIA/EIA-644 (LVDS).
Терминирующий резистор выполняет роль и согласующего резистора на стороне нагрузки. При волновом сопротивлении диф. линии 100 Ом равном сопротивлению нагрузки 100 Ом получается почти идеальное согласование и режим бегущей волны. Вся энергия сигнала поглощается нагрузкой и практически не излучается. Дополнительным плюсом по сравнению с одиночными или синфазными линиями передачи является низкий размах напряжения 400 мВ, что почти в 10 раз ниже уровня КМОП 3,3В. Это также приводит к серьезному снижению уровней излучения. Информация, представленная выше, не несет ничего нового тем, кто работал с сигналами LVDS.
Какие вопросы, касающиеся сохранения целостности сигнала тут могут быть?
1. Вы знаете, что можно для получения диф. волнового сопротивления использовать разные геометрические размеры проводников, расстояния между ними. К примеру, можно выбрать проводники шириной 500 мкм и разнести их на расстояние 500 мкм, а можно выбрать проводники шириной 200 мкм и сблизить их уже на расстояние 100 мкм. Вариантов бесчисленное множество.
К примеру, мне пришлось выполнить дифференциальную линию из двух коаксиальных кабелей. Линия получилась экзотическая. С одной стороны она была дифференциальная, поскольку использовался драйвер LVDS, а с другой стороны два коаксиальных кабеля практически не связанных по полям, что уже не является диф. линией. Линия прекрасно работала на 2,5 ГГц и имела длину 5 метров. Этот пример также показывает, что решения задачи есть и не в области стандартных решений.
На печатной плате, как предлагает Говард Дж. и его соавтор Мартин. Гр в своей знаменитой книге «Конструирование высокоскоростных цифровых устройств. Начальный курс черной магии», при обходе препятствий при «разнесении линий» рекомендуется увеличивать их ширину для снижения волнового сопротивления каждой из них (синфазное волновое сопротивление). При сближении двух линий наоборот рекомендуется уменьшать ширину проводников, поскольку связь получается более сильной, суммарное или диф. сопротивление при этом уменьшается, и для его увеличения требуется увеличить синфазное волн. сопротивление каждого из проводников.
2. Если диф. линия однородная, а для LVDS она изначально предлагается как точка-точка и не должна содержать ответвлений, как в M-LVDS, длина ее определяется фактически только емкостной компонентой печатных проводников или кабеля. Именно поэтому для длины провода 1-2 метра по обычной витой паре вряд ли получится передать сигналы частотой выше 800 МГц. По коаксиальному кабелю, как я уже писал выше — можно получить и гигагерцы.
Защита от неоднородностей линии передачи
Основной причиной появления неоднородности в линии передачи является локальное рассогласование волновых сопротивлений. Поэтому первым и прямым способом устранения неоднородности является согласование сопротивлений.
Если линия передачи в печатной плате выполнена проводником, геометрические размеры которого не изменяются на всем его протяжении, и опорный слой под ним нигде не разрывается, ее уже можно считать однородной и согласование может потребоваться лишь на стороне нагрузки (применяется редко), либо на стороне источника сигнала (применяется чаще)). Не все линии нужно согласовывать. Нужно выбирать критичные линии, исходя из длины волны и скорости нарастания фронта. Согласование обязательно в «электрически длинных линиях».
Возможные неоднородности можно скомпенсировать и другими способами. Если они вызваны переходными отверстиями из-за отсутствия (точнее разрыва) опорного слоя, рядом нужно на минимальном расстоянии расположить земляные отверстия. В СВЧ диапазоне есть тонкости, связанные с ненагруженным ответвлением (stub). Это если проводник из верхнего слоя платы проходит через переходное отверстие в о внутренний слой платы, а оставшийся «кусочек» переходной втулки является ненагруженным ответвлением, от которого происходит отражений сигнала и искажение импульса.
Могут быть и другие неоднородности, вызванные изгибами диф. линии и пр. Если есть желание защититься от любых возможных неоднородностей, терминирующий резистор 100 Ом располагают не только на стороне нагрузки, но и на стороне источника сигнала (двустороннее согласование). При параллельном соединении уже двух резисторов сопротивление будет равно 50 Ом, амплитуда сигнала из-за этого уменьшится, но согласование не допустит серьезных искажений сигнала даже при непредсказуемых неоднородностях в линии.
Кстати, серьезные неоднородности могут быть вызваны неправильным или осознанно неправильным применением кабеля с другим волновым сопротивлением, отличным от рекомендованного стандартом, а также и применением разъема, также с другим волновым сопротивлением.
3. Следуя методике, предложенной в начале темы, осталось разобраться и с возможными помехами. Самое простое, но очень эффективное средство — экранирование диф. линии передачи. На печатной плате между соседними диф. парами, например, в Ethernet стыке, можно расположить земляные полигоны, на расстоянии не менее 5d от края каждой диф. пары. d — ширина проводника. Применяют уже не коаксиальный. а специальный твинаксиальный или квадраксиальный кабель, где одна или две диф. пары, каждая с волновым сопротивлением 100 Ом, расположены внутри одного экрана. Чтобы понять, чем твинаксиальный кабель отличается от обычного CAT-5E, нужно разобраться с конструкцией. Разница между ними в том, что в CAT-5e внутри расположена обычная витая пара, по которой, как писал выше, нельзя передать сигналы частотой выше 800 МГц. А вот внутри твинаксиального кабеля расположены внутри общего экрана два коаксиальных кабеля. Если очень пристально посмотреть, разница в материале и толщине диэлектрика. Потому наверно и разница в цене так высока.
Твинаксиальный кабель позволяет передавать сигналы с частотами в единицы и даже десятки ГГц и является альтернативной оптическим линиям передачи, где стоимость кабелей также высока, в сравнении с витой парой.
Если не изобретать велосипед, в общем то и все. Велосипедом, к примеру в LVDS, может стать попытка установки в линию дополнительных последовательных согласующих резисторов с целью снижения излучения, либо установка разделительных конденсаторов для гальванической развязки.
При установке конденсаторов в линию LVDS требуется на входе приемника восстанавливать постоянную составляющую 1,2В. Обычно это делается простым резистивным делителем из трех резисторов. Вот здесь могут быть «неприятные моменты». Дифференциальные сигналы очень чувствительны к джиттеру, да и не только они. Причиной джиттера могут быть внешние воздействия (шумы), внутренние (нестабильность тактирующего источника и нестабильность питания). Вот нестабильность питания при установке резистивного делителя и может сыграть злую шутку, приведя к значительному увеличению джиттера.
Какие еще особенности дифференциальных стыков. В USB из-за высоких требований опять же к стабильности положения фронтов при работе в режиме Hi-Speed рекомендуется установка RC ФНЧ с низкоомными резисторами, которые также выполняют роль согласующих — сглаживают фронты и поглощают возможные отражения.
Такие же последовательные резисторы я рекомендую устанавливать и в стыки RS422, RS485. В этом есть еще один плюс — защита передатчика от возможного короткого замыкания проводников линии передачи. При замыкании передатчик будет нагружен на сумму двух сопротивлений и не выйдет из строя.
Выравнивание проводников в дифференциальной линии передачи
1. . Если, как уже писал ранее, в параллельной шине иногда можно позволить себе не выравнивать проводники с точностью до миллиметра, то в дифференциальной линии ситуация другая. Нарисуйте на одной строчке прямоугольный импульс, а строчкой ниже нарисуйте в том же месте инвертированную копию. Геометрически вычитая из формы одного сигнала форму другого, вы получите почти такой же идеальный прямоугольный импульс, разностный сигнал, который и обрабатывает приемник. А теперь сделайте то же самое, но нижнюю инвертированную копию сдвиньте на немного по оси времени. И произведите то же геометрическое вычитание. Вы увидите, что форма результирующего сигнала будет не похожа на прямоугольник. Потому для диф. сигнала выравнивание обязательно. Это важно.
Если вам интересны рекомендации по параметру Max Intra-Pair Skew посмотрите документ
Здесь четко указано, сколько вешать в граммах для всех высокоскоростных стандартов цифровых сигналов.
Целесообразность опорного слоя в диф. линии
Нужен ли опорный слой в дифференциальной линии передачи?
Многие ответят сразу — нет, не нужен. Есть же RS422 который работает по диф. паре. и земля там ни к чему, разве для повышения помехоустойчивости. Соглашусь, это правильный ответ. Но, есть рекомендации по применению опорного слоя в стандарте USB. LVDS также может работать без опорного слоя, в шлейфах лишь иногда встречаются земляные проводники, опять же для повышения помехоустойчивости.
Физика работы диф. стыка такова, что опорный слой там не нужен. Но тут нужно также смотреть и на схемотехнику, и на стандарт сигналов в драйвере линии. Иногда, опорный слой нужен именно для правильной работы драйвера. Возможно, из-за этого в стандарте USB есть упоминание об опорном слое, а в стандарте 802.3 (Ethernet) вы не увидите прямой рекомендации по установке опорного слоя.
Моя рекомендация — делайте опорный слой всегда. Это точно не ухудшит работу диф. стыка, но повысит его помехоустойчивость.
Помехозащищенность линии передачи данных
Перекрестные искажения, наводки от внешних устройств, помехи по питанию, дребезг земли — все эти факторы могут приводить к искажению формы сигнала.
Защита от внешних наводок обычно выполняется применением экранировки разрабатываемых приборов, кабелей. Правильное заземление — на стороне источника сигнала, с двух сторон, через емкость и т.п. — является целой наукой и хорошо описано в книгах.
Из моего практического опыта могу отметить, что хорошо работает заземление кабелей между двумя устройствами с двух сторон. Такая непрерывная экранировка еще ни разу не подводила. Единственным опасным моментом может быть одновременное заземление внутренних экранов с двух сторон, и внешней экранирующей оболочки, также с двух сторон. При большой длине кабеля и сложной помеховой обстановке возможна ситуация, когда между двум приборами, соединенными таким образом, создается разность потенциалов (статический заряд на одном корпусе и его отсутствие на втором, к примеру). В этом случае по закону Ома ток, протекающий по внутреннему или внешнему экрану, может привести к его физическому разрушению (внутренние экраны в кабеле CAT5E и др. часто выполняют из тонкой фольги, которая при больших токах может расплавиться).
В лабораторных условиях разрыв экранов можно назвать экзотикой. Но повреждение одного из двух оконечных устройств из-за разности потенциалов двух земель наблюдали многие. Для защиты от разрушения экрана применяется установка резистора сопротивлением 100 Ом-1 кОм между внутренним (сигнальным) экраном и внешним экраном (оплеткой кабеля). Внешняя экранирующая оболочка соединяется с корпусами устройств напрямую.
В печатной плате экранировка проводников может быть выполнена как расположением между ними земляного проводника, так и установкой проводников внутри пирога, ограниченного земляными слоями (полосковая симметричная и несимметричная линии, дифференциальная полосковая линия).
Опыт моделирования в HyperLynx Mentor Graphics позволил получить простое эмпирическое правило оценки расстоянии между двумя соседними проводниками, при котором линия агрессор будет наводить на линию жертву минимальную энергию сигнала.
К примеру, между двумя линиями, расположенными параллельно друг относительно друга на расстоянии 1d, где d — ширина проводника, уровень наведенного сигнала составил примерно 350 мВ (размах) при распространении в линии агрессоре сигнала амплитудой 3,3В (уровни КМОП).
При расположении тех же проводников на расстоянии 3d друг от друга, уровень наводки сократился до 100-150 мВ. При расстоянии 5 d — уровень наводки был менее 30 мВ. Это подтверждает известное правило 3d — рекомендуемое разработчиками пакетов моделирования Mentor Graphics, Cadence OrCad и другими источниками. Даже расстояние 1 d обеспечивает уровень наводки, приемлемый с точки зрения уровня логического нуля (менее 0,7-0,8 В). Но в данном эксперименте не учитывается, что линий агрессоров может быть несколько, и энергия сигналов может суммироваться.
Налицо емкостная связь между параллельными линиями — действительно, каждая из них является «обкладкой конденсатора». Диэлектриком может быть как воздух (для микрополосковой линии), так и слой диэлектрика печатной платы (для полосковой линии передачи.)
Интересен и результат моделирования перекрестных искажений между двумя дифференциальными линиями — где уже на расстоянии 1d для диф. линий уровень наводки получается сравнимым с уровнем для одиночных синфазных проводников, расположенных на расстоянии 5d. Этим примером наглядно показывается преимущество использования дифференциальных линий по сравнению с одиночными линиями передачи в условиях сложной помеховой обстановки.
Необходимо отметить, что правило 3d работает в ближней зоне. Многое определяется и скоростью нарастания фронта (чем круче фронт, тем шире спектр, тем больше уровень емкостной наводки, поскольку импеданс емкости снижается с ростом частоты), и длиной линии передачи (особенно в дальней зоне, где проводники являются одновременно и передающей и приемной антеннами).
В области низких частот электрические поля не могут наводиться столь значительно (емкостная наводка малоэффективна из-за большого значения импеданса того же конденсатора в области НЧ). И большее значение на помеховую обстановку оказывает наличие магнитных полей (при установке дросселей, трансформаторов, реле и т.п.).
Особо сложно оценивать резонансные наводки, когда две цепи выполнены геометрически аналогично. К примеру, одна цепь представляет собой сильно изогнутую линию (чем больше изгибов, тем выше индуктивность), и вторая цепь топологически похожа на первую. Если они при этом выполнены в одном слое, между двумя драйверами-приемниками одной и той же микросхемы, суммарные емкости каждой из линий также имеют одинаковые значения. В результате формируется параллельный резонансный контур, и уже между контурами связь формируется не емкостная, а резонансная.
Частота резонанса может быть расположена много выше спектра передаваемого сигнала и верхней граничной частоты линии передачи, но благодаря высокой добротности контуров, связанных с минимальным активным сопротивлением, эффективность передачи верхних гармоник сигнала в линии агрессора достаточно высока. Очень опасное явление. Не напоминает ли это линии в параллельно шине данных?!
Еще одно важное замечание. Если линия жертва не нагружена (а обычно КМОП вход приемника предполагает наличие только емкостной нагрузки для драйвера), благодаря удвоению напряжения за счет влияния отраженного сигнала от нагрузки в режиме холостого хода, уровень наводки возрастает в квадрате, поскольку уровень энергии пропорционален квадрату напряжения.
Именно поэтому, я рекомендую, выполнять согласование линии передачи хотя бы на стороне источника.
В книге Сохранение целостности электрических сигналов. Пособие схемотехникам и конструкторам печатных плат (https://ridero.ru), есть еще один пример, с применением согласующего резистора для улучшения ЭМС и снижения перекрестных искажений и наводок. Если Вам интересно, насколько эффективно применение согласования во всех перечисленных случаях, вы знаете, где найти ответ.
Там же Вы сможете найти ответ и на вопрос, как защититься от дребезга земли, как обеспечить целостность питания, и другие практические правила и рекомендации, способствующие правильной разработке высокоскоростных печатных плат и устройств. В данном издании представлен практический опыт работы инженера с большим практическим стажем, который вы сможете применить и для решения Ваших задач.
Дополнительно вы можете обратиться в раздел 5.1
ru.wikipedia.org/wiki/Целостность_сигналов
где в более сжатом виде представлена информация по данной теме.
Успехов в Ваших разработках, друзья!
Буду признателен за Ваши отзывы и комментарии.
Комментарии (68)
truebest
28.05.2019 22:23+2Есть ли у вас какие-либо рекомендации по количеству слоев платы (2,4,6,10) и расположению проводников, если на плате присутствуют высокоскоростные интерфейсы: пусть будет LVDS, USB3.0, DDR3; а на другом конце платы, RF трансмиттер на 2,4 ГГц с микрополосковыми линиями.
Что если на плате с десяток, как лучше использовать внутренние слои? Какие возникают нюансы?
Не сочтите за глупые вопросы, к сожалению я не развожу высокоскоростные интерфейсы, из-за занятия банальным IoT.
olartamonov
28.05.2019 22:50+1Как правило, 4 и выше.
Два слоя прокатывают в простых случаях — USB 2.0, несимметричные линии типа антенного выхода. В сложных вы не сможете ни обеспечить непрерывность земли под ВЧ-сигналами, ни согласование волнового сопротивления при приемлемых размерах дорожек (в том же TX Line потыкайте на вкладке CPW Ground в цифры и посчитайте ширину 50-Омного проводника для толщины диэлектрика 1 мм и 0,1 мм — в первом случае у вас получится что-то около миллиметра).
truebest
28.05.2019 22:59+1Я вот еще что хотел добавить, как не посмотришь какую-либо плату, всегда все высокоскоростные интерфейсы, проводники лежат на TOP слое, будь то HDMI или дорожки до оперативной памяти, и за примером ходить не надо: Raspberry PI.
olartamonov
28.05.2019 23:17+1Это исключает переходные отверстия, это раз, и вторым слоем (через толщину препрега масштаба 50-100 мкм) там идёт сплошная земля, это два.
drWhy
28.05.2019 22:41+1Действительно сложная и интересная тема с множеством подводных камней. Сложнее, наверно, только разводка свч-плат.
Спасибо автору за предоставленную информацию.
dernuss
28.05.2019 22:47-2Как то без картинок не интересно читать.
Да и полезной инфы маловато
П.С. А понял почему инфы мало, тут книгу рекламируютAndreyTrundov Автор
28.05.2019 23:15Книжка не самоцель. Основы выложены и не в книжке.
Что касается количества слоев, рекомендации часто дают сами производители высокоскоростных приемопередатчиков. Если речь о какой-то общей — не конкретной плате, скажу из опыта, что мы обходились почти всегда 8-10 слойными платами. Но если количество слоев упрощает разводку, не до абсурда конечно, я всегда сторонник увеличения слоев на 1 — 2 слоя от начально заданного. Расположение линий передачи именно во внешних слоях очень удобно по одной простой причине — не нужно думать о втором опорном слое. Ведь, когда проводник расположен симметрично между слоями, посередине диэлектрика — это одна задача. А когда он смещен — в любую сторону — задача расчета волнового сопротивления усложняется. В первом случае нужно следить сразу за двумя опорными слоями, чтобы не было разрывов ни в одном из них, поскольку это приведет к неоднородности в месте такого разрыва. Во втором случае ситуация вроде бы проще — но все же нужно моделировать волн. сопротивление хотя бы в TXLine. Если же — проводники расположены во внешних слоях — задача упрощается, опорный слой только один — и именно за его непрерывностью и нужно следить. Подводные камни есть еще и в ненагруженных ответвлениях — stub, но это актуально при частотах выше 1ГГц.
И опять возвращаюсь к количеству слоев. Сигнальные проводники обязательно должны сопровождаться опорным земляным слоем, чередоваться. Есть мнение, что для уменьшения количества слоев в качестве опорного можно использовать слой питания. Соглашусь, но только в том случае, если слой питания сплошной в пределах всей платы. Если, что часто бывает, в нем несколько полигонов разных напряжений, обязательно будут разрывы — а это — читай выше — причина неоднородности. Итак — сигнальный — опорный — сигнальный — опорный и так до момента когда и разводка возможна — не сильно усложнена из-за большого количества цепей, и количество слоев еще не превысило 12. Если превысило — за каждый новый слой нужно платить дороже, и сильно дороже. И где то между этими слоенными пирогами должны располагаться слои питания. Ну и общее количество слоев должно быть четное — чаще всего. Это издержки производства. Примерно так. А про книгу забудьте — если это не ваша тема и не хотите подробностей от автора. Успехов!AndreyTrundov Автор
28.05.2019 23:18Вот к примеру для ethernet трансиверов практически всегда предлагается 4 слойная печатная плата. Для USB примерно также. Исходя из небольшого количества цепей и стека — сигнал-земля-питание-сигнал
AndreyTrundov Автор
28.05.2019 23:26по поводу СВЧ плат — диапазон СВЧ от 300 МГц до 3 ГГц, если не ошибаюсь, и мне удавалось получить рабочие платы до 2,5 ГГц. Разводил не я, я разработчик, но под моим руководством и контролем такие платы работали, несмотря на заявления производителей печатных плат, что повторяемость результатов возможна только при использовании rogers и т.п. с более низкой проницаемостью и более высокой однородностью диэлектрика. Про RF трансмиттеры — задача не из легких. Самое важное, что нужно сделать при их наличии — точно выполнить рекомендации производителей по согласованию данных трансмиттеров с внешней антенной — выносной или планарной. Если здесь не будет согласования, из-за значительной излучаемой мощности наступит крах системы. У меня был неудачный опыт с данными трансиверами. Экранировка их обычно не требуется, а также отделение от другой части платы, при условии, что все линии передачи до них и после них — в месте соединения с антенной — согласованы. Но там речь не только о согласовании линий передач. Там есть еще согласующие цепочки непосредственно с антенной, либо на пассивных элементах, либо с помощью BALUN — специальных микросхем. Выход драйвера обычно 50 или 75 Ом согласуется с сопротивлением антенны, которое может быть кратно больше.
truebest
28.05.2019 23:43+1Если хочешь жить спокойной и размеренной жизнью, следуй рекомендациям из даташита, используй по возможности balun а не городи согласование на рассыпухе.
Хотя местами даташиты удивляют. Например BGA728L7.
• Output internally matched to 50 ?
• Inputs pre-matched to 50 ?
Что это за pre-matched? Так матчет или нет. Я думаю что нет))
Вообще по ВЧ дизайну плат мне нравиться доклад Michael Ossmann (разработчик Ubertooth, HackRF).ptica_filin
29.05.2019 08:04Когда импеданс не 50 Ом, то в даташите обычно приводят график его зависимости от частоты. Иначе как его согласовывать?
ptica_filin
29.05.2019 08:58Посмотрел даташит и аппноту AN231.
В данном случае pre-matched — это не 50 Ом, но что-то близкое. Будет работать и так, но разработчик может сам выбрать, как ему согласовывать вход. Точно на 50 Ом, чтобы выиграть несколько децибел по усилению или на минииальный уровень шумов (тут уже согласование не к 50 Омам).
SergeyMax
29.05.2019 19:55Что это за pre-matched? Так матчет или нет. Я думаю что нет))
Приставку «pre-» можно перевести как «предварительно». То волновые сопротивления входов уже согласованы разработчиком чипа до начала вашей работы.olartamonov
29.05.2019 19:57Как отметили выше, в данном контексте это действительно стоит понимать как «partially matched».
SergeyMax
29.05.2019 20:09Ни разу не встречал такой трактовки.
olartamonov
30.05.2019 07:59Первая попавшаяся ссылка на Microwave Journal подойдёт для первой встречи?
AndreyTrundov Автор
30.05.2019 23:32Мой неудачный опыт работы с трансивером nrf как раз был связан с плохим согласованием передатчика с антенной. Согласование делалось на рассыпухе :)
Что касается pre-matched, означает, что вход вашего приемника предварительно согласован с линией 50 Ом, но не согласован с предложенной в документе антенной м другим волновым сопротивлением. Если будете использовать 50 Ом антенну, дополнительное согласование не требуется. Все подводящие проводники также должны иметь сопротивление 50 Ом.olartamonov
31.05.2019 07:12А fully matched в таком случае что означает?
AndreyTrundov Автор
31.05.2019 07:19Если продолжить ту же логику :), означает, что согласование с антенноц выполнено и не требуется согл. устройств. Верна ли логика, решать вам, опыта в этом у вас поболе моего. Старался как мог )
olartamonov
31.05.2019 07:40С какой антенной? Они разные все.
P.S. Как тут выше уже обсудили, fully matched — это точная подгонка под 50 Ом, partially matched или pre-matched — неточная, но достаточная для работы во многих случаях (со стороны производителя чипа это может означать, например, индивидуальную лазерную подгонку компонентов vs попадание разброса параметров компонентов by design в приемлемый интервал)AndreyTrundov Автор
31.05.2019 09:38Если приемная и передающая антенны разные, вот и ответ. С приемной, которая имеет сопр., отличное от 50 Ом, согласование нужно делать, и приведена схема на пассивных элементах, а с передающей антенной драйвер fully matched — полностью согласован.
AndreyTrundov Автор
29.05.2019 00:39В документации на микросхему bga728l7 AN231.PDF на стр.6 посл. абз. указано:
В системах со встроенной антенной из-за очень малых ее размеров импеданс антенны имеет высокое значение, поэтому входное сопротивление LNA усилителя должно быть согласовано с импедансом антенны, как показано на рис… Далее показано как именно, и здесь не балун, а несколько пассивных элементов. Pre matched в данном случае означает — требует внешнего согласования. Также есть пример разводки и стек, как будто больше и не надо ничего. Если предположить, что волн. сопр. проводников раано 50 Ом. Я не инженер по применению application engineer, могу ошибаться. В теме речь о линиях передачи больше, не о балунах и антеннах, но было интересно. Спасибо!olartamonov
29.05.2019 01:03Нет, там про другое.
In a system with internal antenna, due to the very small size, the antenna impedance is very high and thus the LNA has to be matched to this high impedance and in addition offer a low noise figure
Здесь кривыми словами сказано, что волновое сопротивление у компактных антенн сложной судьбы часто бывает далеко не 50 Ом (и вообще оно там комплексное, с мнимой частью) — и согласовывать надо с ним (точнее, обычно это рассматривают как приведение импеданса антенны к 50 Ом).
Как простейший пример — довольно популярная www.ti.com/lit/an/swra416/swra416.pdf:
The miniature PCB helical antenna is more compact (19 mm x 11 mm) with approximately quarter of the size of the DN024[1] but requires matching components since the impedance is far from 50 ohms (868 MHz: 10-j88; VSWR 22)
AndreyTrundov Автор
29.05.2019 07:26Слова там не кривые и мой перевод точен. Во втором примере, который представили Вы, смысл похож:
Миниатюрная антена, ввполненная на печатной плате, имеет размер 19х11 мм и составляет четверть от размера DN024(1), но требует согласования импедансов с помощью дополнительных элементов, поскольку ее собственный импеданс далек от 50 Ом (и далее указание комплексного значения на заданной частоте). Повторю, смысл тот же. Но тема не об этом. Спасибо за еще один пример!olartamonov
29.05.2019 07:50Слова там не кривые и мой перевод точен.
«В системах со встроенной антенной из-за очень малых ее размеров импеданс антенны имеет высокое значение» — вот это тупо неверно. Импенданс антенны малых размеров может иметь как высокое значение, так и ровно 50 Ом — зависит от антенны.
«Pre matched в данном случае означает — требует внешнего согласования» — не означает.ptica_filin
29.05.2019 09:37Это значит, что более-менее нормально будет работать и без согласования.
Но можно можно ещё немного подсогласовать и вытянуть, например, полдецибела по шумам или несколько децибел усиления. В зависимости от того, что требуется.
А внутреннее согласование точно на 50 Ом такой свободы не даст.
AndreyTrundov Автор
29.05.2019 09:06По поводу pre-matched… как переводчик я бы с Вами согласился. Окончание ed может означать, что действие совершено,. Приставка pre говорит, что действие было выполнено заранее. То есть смысл, трактованный вами, соответствует написанному. Но как думающий инженер, вижу четкую рекомендацию выполнить согласование, установкой внешних элементов. ТУПО ли обосновывать высокий импеданс и его СИЛЬНОЕ отличие от 50 Ом, это к авторам документа. Мой опыт показывает, что серьезные люди следят не только за словами, но и за знаками препинания… Сколько раз мы пытались в работе обвинить производителей импортных микросхем в их некорректной работе, со временем находили больше свои ошибки. Хотя errata пишутся, значит факты есть, и думаю, это тоже норма. Жаль, если не смог Вам помочь. Повторю, это не совсем по моей теме. Спасибо!
Ps может Вам поможет сравнение с аудиоподготовкой в автомобиле, предварительно провода проложены, а динамики уже за вами :)
Dimshin
29.05.2019 09:22крайне полезная выжимка, благодарю. Но хотелось бы видеть иллюстрации к некоторым моментам, понимание положений было бы проще и быстрее.
AndreyTrundov Автор
30.05.2019 23:34Спасибо! Если не сложно, уточните, где именно нужны иллюстрации. Начну рисовать :)
ptica_filin
29.05.2019 09:47«если проводник из верхнего слоя платы проходит через переходное отверстие в о внутренний слой платы, а оставшийся «кусочек» переходной втулки является ненагруженным ответвлением»
Вот здесь тоже не помешала бы иллюстрация. Я правильно понял, что stub получается только в случае сквозного переходного отверстия? А если отверстие глухое, то эта ситуация не должна возникнуть.AndreyTrundov Автор
30.05.2019 23:21Да, поняли совершенно верно. Для этого и придумали дорогую в изготовлении технологию "глухих" отверстий.
olartamonov
31.05.2019 07:13Её придумали для повышения плотности монтажа, в первую очередь.
AndreyTrundov Автор
31.05.2019 07:25Я тоже так думал ;), но у них были далекие планы. Это в рекламе производителей плат так звучало, что для повышения плотности монтажа :). Был на презентации системы Топор, там тоже про плотность монтажа заливали. А когда спросил про перекрестные искажения, когда линии в их примере были расположены с зазором менее 1d, не нашли что ответить. Иногда маркетинговое преимущество затмевает остальные, но это- мое мнение.
olartamonov
31.05.2019 07:42Какие искажения, куда искажения? Я могу сделать, например, слепое переходное с верхнего слоя через препрег на второй слой, при этом бессмысленный пятачок не будет занимать место на третьем и четвёртом слоях.
Но дорого, да. Как и весь набор возможностей HDI.AndreyTrundov Автор
31.05.2019 09:46Не понял Вашего вопроса, при чем здесь искажения? Если вы про ненагруженное ответвление? То да, глухие отверстия позволяют их избежать. В диапазоне выше гига это актуально и это работает. Для более низких частот, как вы пишите, для повышения плотности монтажа, я так не делал. Дорого и не нужно решать задачу повышения плотности такими методами. В СВЧ цена обоснована именно борьбой за качество сигнала и работоспособность устройств. Почувствуйте разницу :)
Pyhesty
29.05.2019 10:46+1«Опорный» слой (металлизация или экран) меняет волновое сопротивление, если в одном слое подобрать волновое сопротивление можно расстоянием между дорожками, то в случае с металлизацией нужно учитывать толщину препрега. Иногда проще обойтись без него для частот до 100МГц.
Опорный слой не обязан быть именно земляным, вообще дифференциальному сигналу всё равно что такое земля и что такое ноль. Слой металлизации может быть подключен к любому потенциалу или даже быть слоем питания с множеством полигонов. при этом свою функцию (установление волнового сопротивления и уменьшение потерь в линии) он будет выполнять.
Так же никаких возвратных токов не протекает по опорному слою. В дифференциальных линиях их не должно быть.
Вообще дифференциальная линия — это микрополосковая линия передачи и вся математика этих линий оттуда.DenisHW
29.05.2019 11:22Так же никаких возвратных токов не протекает по опорному слою. В дифференциальных линиях их не должно быть.
Суммарный ток в идеале равен нолю, но под каждой линией протекает свой возвратный ток. Перекрытие их зависит от взаимной связи между дифф линиями и опорным слоем.
sepuka
29.05.2019 10:57Земля под дифференциальной парой нужна просто потому, что без неё волновое сопротивление будет почти вдвое выше и придётся делать очень толстые проводники, которые будет очень сложно или просто невозможно развести на плате.
Pyhesty
29.05.2019 12:14дополню, что слой металлизации позволяет обеспечить заданное волновое сопротивление по всей длинне дифпары, если слоя металлизации нет, то волновое будет зависить от трассировки и полигонов под дифпарой, что может отрицательно сказаться на высоких частотах передачи.
опять же металлизация может быть выполненна локально, только под дифпарой (в два раза шире, чем расстояние между проводниками), либо в качестве металлизации использоваться может любой из слоёв питания, не обязательно земля.
AndreyTrundov Автор
30.05.2019 23:25Земля нужна и для правильной передачи синфазного опорного постоянного напряжения, и для защиты от его выхода за диапазон, заданный стандартом, при воздействии как внешних помех, так и электростатических потенциалов.
AndreyTrundov Автор
29.05.2019 11:08Что касается ненагруженного ответвления (stub).
Из теории линий передачи (см. телеграфные уравнения), если на конце линии нагрузка отсутствует, в режиме холостого хода, происходит практически полное отражение сигнала от конца линии, в результате чего амплитуда напряжения в линии удваивается. Называется такой режим — режим стоячей волны. Беда может быть в том, что это приведет к повреждению выхода драйвера. А с точки зрения сохранения целостности сигналов — это приведет к нарушению формы передаваемого импульса. Насколько опасен stub, определяется его длиной в зависимости от скорости нарастания импульса или длины волны. Потому примерно и указал — что на частотах выше 1 ГГц следует обращать внимание на СКВОЗНЫЕ переходные отверстия, когда сигнал из верхнего слоя ныряет во внутренний. Тот же эффект возможен при любых ответвлениях не только в отверстиях. Отдельный разговор про Т -образные соединения, но физика примерно та же.
Про опорный слой для диф. пары — все верно.
Для диф. пары опорный слой не нужен. Работать будет и без него. Но, если вы хотите дополнительно повысить помехоустойчивость линии передачи для защиты уже от внешних помех, перекрестных искажений, вы можете применить опорный слой, пересчитав при этом размеры проводников для получения требуемого волнового сопротивления. Более того, вы можете применить и диф. линию во внутреннем слое — везде нужно учитывать геометрию линии и стек, всего лишь для правильного расчета волнового сопротивления.
Известная всем витая пара работает и без экрана и земли не требует, об этом уже написано выше, в начале темы. Но бывают случаи, когда требования стандарта четко задают необходимость установки опорного слоя или земляного проводника. Исходите из требований стандарта.
Что касается рисунков и читаемости текста, буду стараться по ходу, пока на это просто не хватает времени. Есть основная работа и масса других задач, успевать бы реагировать на Ваши комментарии.
Всем спасибо!
Costic
29.05.2019 14:53+2Тема интересная, но вот рисунков, осциллограмм, электрических схем и, как ни странно, формул не хватает. Ничего не сказано про ESR и ESL и совсем чуть-чуть про емкостную нагрузку длинных проводов. А ведь каждые несколько сантиметров проводника добавляет сколько-то пикофарад в цепь (не помню как считать). Отсюда и ограничения, такой RLC-фильтр не пропустит СВЧ. В «Искусстве схемотехники» есть глава любопытная о шумах и помехах, посмотрите там картинки для вдохновения. С практическими примерами и осциллограммами было бы интересней почитать.
AndreyTrundov Автор
30.05.2019 23:48Спасибо! Статья была написана как обзорная, причем акцент делался на методики, которые я применяю в инженерной практике. Нельзя объять необъятное и я не могу знать того, чего не знаю. Про влияние esr и esl в теме мало написано, также опущены и ряд других моментов. Слишком много и сложно для быстрого понимания. Вынужден снова дать ссылку на книгу. На практике касаемо высокочастотной разводки есть лишь пара рекомендаций. 1. Конденсаторы меньшей емкости, менее 1 мкф, размещать в непосредственной близости от "фильтруемых" микросхем. Конденсаторы большей емкости, как и танталовые, электролитические — размещать у выходов источников питания. 2. Применять матрицы конденсаторов. 3. Применять фильтры, например NFM, вместо батареи конденсаторов с разными номиналами. Все это позволит бороться с ESL, или индуктивностью выводов и проводников. А вот ESR я уделяю внимание только в DC/DC преобразователях. Там эквивалентное последовательное сопротивление в конденсаторе может серьезно ограничивать ток "заряда накопительной" индуктивности.
truebest
29.05.2019 15:02+1В статье также не затронута тема электромагнитных помех, или EMI, хотелось бы услышать комментарии захабренных). Я конечно понимаю, что высокоскоростные интерфейсы, куда меньшие источники ЭМП(индуктивных и кондуктивных), чем скажем DC/DC преобразователи. По части преобразователей, компании используют технологии, при проектировании схем и преобразователей, которые снижают EMI (аналоговые девицы сейчас активно развивают технологию Silent Switcher regulators).
Какие методы и технологии при проектировании дизайна высокоскоростных интерфейсов применяются, для снижения EMI? Для межблочного (например иногда PLL CPU мешает GPS приемнику)?AndreyTrundov Автор
30.05.2019 23:54Постарался обзорно и в общих чертах ниже ответить на Ваш вопрос. Что касается защиты прямого влияния излучения PLL на цепи приемопередатчика, или наоборот, а также другие чувствительные цепи, одними правилами разводки, как вы понимаете, эту задачу не решить. Это сложная радиотехническая задача, и ее решение, думаю, связано с локальной экранировкой микросхемы источника излучений. Сами цепи, конечно, тоже нужно согласовывать, что повысит помехоустойчивость и улучшит общую ЭМС.
Sigty
29.05.2019 16:04Статья хорошая, но стоило бы ее разбить на пару частей. Спасибо за труд.
AndreyTrundov Автор
30.05.2019 23:57Спасибо! И так ужал раза в три по сравнению с задуманным. Разбить не умею, да и думаю опасно это, не потерять бы нить повествования :) Для более удобного чтения, простите за навязчивость, есть книга.
SentinelOfDoom
29.05.2019 16:05Немного дополнений (или исправлений).
По обратному проводнику сигнал должен вернуться назад. На высоких частотах энергия возвратного сигнала сосредотачивается под прямым проводником, и чем выше частота, тем более локально или плотно концентрируются возвратные токи.
Что будет, если на пути протекания возвратного тока в опорном слое сделать вырез? Сигнал будет искать путь наименьшего сопротивления.
В случае ВЧ/СВЧ сигнала возвратный ток распространяется по пути наименьшей индуктивности, а не наименьшего сопротивления. Из-за этого он может пойти непредсказуемым путем, если нет нормального опорного слоя.
Нужен ли опорный слой в дифференциальной линии передачи?
Как вы сказали некоторые диф. интерфейсы имеют постоянную составляющую и сигнал ± относительно нее. Соответственно для возврата тока синфазной составляющей опорный слой необходим (это подробно разобрано в черной магии). Если диф. интерфейс ± относительно нуля, то опорный слой или земляной проводник опять же необходим, т.к. вы не можете создать идеальный диф. сигнал, все равно будет смещение. С этим связано наличие земляных проводов там, где вроде как они не нужны.
В случае промышленных применений, где напряжения высокие, а скорости маленькие возвратный ток вполне может и через конструкции и сеть электропитания пройти.
Неоднородность может быть вызвана и переходными отверстиями
Для уменьшения таких отражений в конструкцию платы можно закладывать 50 Омные переходы. Волновое сопротивление перехода так же зависит от его габаритов, толщины меди и расстояния до опорных слоев.
Хотелось бы по подробнее про зависимость индуктивности линии от числа и формы её поворотов, шага при выравнивании и т.п.
В той же черной магии не помню, чтобы этот фактор рассматривали как существенный, если он вообще упоминался (там было только про скачки импеданса из-за изменения толщины линии в месте поворота).
AndreyTrundov Автор
29.05.2019 16:59+1Формулы, рисунки, графики представлены в книге. Вы же сравниваете написанное здесь с книгой, а не с форумом. Формат другой. Тем не менее постараюсь.
Что касается пути протекания возвратного тока через индуктивность а не по пути наименьшего сопротивления, не стал вдаваться в подробности, есть термин импеданс и слово сопротивление я употребил для упрощения. Хотел показать, что сигнал потеряет часть энергии, что непременно отразится на его форме. Потеря целостности — потеря первоначальной формы — это и есть возможное искажение.
Что касается емкости линии, которая определяет частоту среза возможного ФНЧ, об этом написал достаточно подробно — погонная емкость кабеля, умноженная на его длину, плюс емкость выхода драйвера, плюс емкость входа приемника (-ков). Частота среза фильтра рассчитывается по простой формуле:
f = 1/2пиRC,
где R — активное сопротивление линии (можно не учитывать при малой длине), плюс выходное сопротивление драйвера (в расчетах для практики всегда беру значение 10 Ом, большая точность не нужна).
Таким образом, Вы сможете определить частоту начала завала частотной характеристики линии передачи, считая, что и до этой точки, и после — она не имеет резонансных всплесков. При установке в линию дополнительно последовательного согласующего резистора, сопротивление которого из теоремы полной мощности рассчитывается по формуле:
Rсогл = Z — Rвых, где Z — волновое сопр. линии, к примеру 50 Ом и Rвых = 10 Ом — выходное сопротивление драйвера
вы должны учесть и влияние этого резистора на АЧХ линии передачи.
При установке резистора, либо при увеличении длины кабеля, вы снижаете частоту среза ФНЧ, тем самым ограничивая полосу частот линии передачи. Также вы можете ограничивать ее и снизу, установив для гальванической развязки разделительные конденсаторы. При этом для импульсов с большой длительностью возникнет уже не завал фронта или спада, как при ограничении АЧХ сверху, а завал плоской вершины (режим дифференцирования).
Чтобы линия смогла передать сигнал с минимальными искажениями фронта или спада, достаточными для правильного срабатывания приемника, для периодической последовательности импульсов (к примеру, сигнал тактового генератора) вы должны передать не менее 5 гармоник частоты основного сигнала. Если речь идет об абстрактном одиночном импульсе минимальной длительности, полоса частот линии передачи определяется формулой:
fмин = 0,35/tr, где tr — время нарастания фронта импульса.
Этих формул достаточно для практического применения и быстрой оценки. В основной выше также написано, что не стоит делать ширину полосы пропускания линии передачи намного шире необходимой. Это приведет к прохождению через линию более высоких гармоник, которые при наличии в линии паразитных резонансных контуров за счет высокой их добротности будут обретать вполне реальные значения и могут серьезно искажать форму сигнала.
Очень нежелательными являются ступеньки или всплески на фронте или спаде импульса, особенно это неприятно в дифференциальных стыках, где все другие искажения не столь критичны, поскольку есть четкие пороги и синфазная составляющая защищает от помех питания, дребезга земли, внешних помех вместе со свойствами диф. линии.
Из формул осталось наверно еще и про частоту резонанса напомнить:
fр = 1/2пи(корень из LC), где L — индуктивность линии из-за ее длины, изгибов, переходных отверстий, ответвлений, про С — уже писал выше.
Оценить паразитную индуктивность на коленке уже сложно. Помогут различные программы моделирования, если будет такая необходимость.
Что касается пути протекания возвратного тока для уже синфазного напряжения (постоянного уровня) в дифференциальном стыке. Постоянное напряжение в отличие от высокочастотного переменного распространяется не под проводником, а по всему опорному слою или любому проводу питания. Провода питания можно не рассматривать как линию передачи — для них уже нет требования к волновому сопротивлению, потому и опорный слой, повторю, может быть заменен обычным проводом. Да — он нужен для передачи постоянной составляющей, но требований к нему — практически никаких, лишь бы он был. Если ставите разделительные конденсаторы — постоянную составляющую на входе приемника нужно восстанавливать, что приведет к увеличению джиттера.
Про переходные отверстия и переходы 50 Ом. Если у вас есть сигнальное переходное отверстие, но рядом нет земляного, путь протекания возвратного тока локально разрывается (размером в толщину платы или длину перехода). Поэтому лучшее — что вы можете сделать — добавить такое земляное отверстие. Но чтобы волновое сопротивление линии в данном локальном участке стало равным 50 Ом, как вы говорите, расстояние между ними (втулками) должно быть равно расстоянию между сигнальным проводником линии и опорным слоем, а это толщина диэлектрика, и обычно это очень мало — 50-100 мкм… Потому вы на практике не сможете их сблизить настолько, чтобы получить 50 Ом.
Но… В данном локальном разрыве сигнал начнет локально излучаться, ровно до ближайшего к нему — земляного переходного отверстия — по кратчайшему пути минимального сопротивления (или индуктивности, если так удобнее).
Еще интересное замечание. При анализе линии передачи в HyperLynx в электрической модели переходного отверстия диаметром 0,2-0,3 мм видно, что его сопротивление в модели равно 30-40 Ом, что не сильно далеко от необходимых 50 Ом. Чтобы увеличить эти 30 Ом до 50 Ом, нужно уменьшить диаметр отверстия. Но здесь есть технологические ограничения — диаметр отверстия не должен быть меньше 1/10 от толщины печатной платы. Так меня учили наши инженеры-конструкторы.
Для снижения EMI — что касается проводников одиночных — это:
1) разнесение их друг от друга по правилу 3d, а лучше 5d, см. выше.
2) в разных слоях обычно делают ортогональную разводку. Но это имеет смысл если вы не делаете из стека слоеный пирог с чередованием сигнальных и опорных слоев. Тем не менее, когда вы имеете на одной стороне платы и чувствительные цепи, и цепи мощных приемопередатчиков, ортогональная разводка поможет снизить их взаимовлияние, поскольку это серьезно ограничит емкостную наводку из-за малой площади соприкосновения ортогональных проводников.
3) Дополнительно иногда рекомендуют разделять земли. Земля электрически всегда одна, разделять ее дросселями или резисторами — я так не делаю. Точнее пробовал, но это может ухудшить результат. Разделение земель — это топология, опять же связанная с путями протекания возвратных токов. Сделайте вырезы вокруг вашего приемопередатчика, и пути протекания возвратных токов от него значительно с меньшей вероятностью попадут в чувствительную часть схемы. Вы же знаете, где нельзя делать вырезы… Сделайте их где можно…
4) Указанные меры помогут бороться с наводками в ближней зоне. В дальней зоне, где передача энергии идет уже через электромагнитные поля, можно порекомендовать экранировать либо чувствительную часть схемы, либо сами приемопередатчики, локальными экранами.
5) Для улучшения ЭМС применяйте дифференциальные стыки, они значительно меньше подвержены влиянию внешних помех.
6) Размещайте земляные полигоны и просто проводники между линиями, между которыми хотите уменьшить наводку.
7) Располагайте критичные чувствительные проводники внутри стека платы.
8) Применяйте последовательные согласующие резисторы, ограничивайте скорость нарастания фронта и спада импульсов — тем самым снижая возможность излучения и резонансов для высших гармоник. По результатам моделирования это также эффективно, как и применение диф. стыков. Лишь бы была возможность по частоте из-за ограничения полосы пропускания линии передачи.
Пытаюсь объяснить просто, коротко не получается, но думаю для понимания это полезно. Простите, что не разделяю на более мелкие фрагменты — это от занятости.
Спасибо!
DryominG
30.05.2019 01:39+1Замечательная статья! За вычетом нескольких технических нюансов, написано так, что понятно и без юллюстраций. Очень хотелось бы увидеть цикла статей автора, заостяясь на отдельных темах разводки ВЧ печатных плат.
AndreyTrundov Автор
31.05.2019 00:00Уточните, пожалуйста, про технические нюансы. Очень хочу понять и исправить, ошибки возможны :). Из-за спешки. Но Ошибка, которую можно исправить, еще не ошибка! :)
AndreyTrundov Автор
30.05.2019 07:30Спасибо. Над иллюстрациями уже обещал поработать. Буду признателен, если уточните, что именно Вы хотите увидеть в цикле статей, какие новые темы Вам интересны. Возможно переиздание книги, и Ваши комментарии и замечания позволят лучше раскрыть вопросы.
DryominG
30.05.2019 08:33Например, человеку не работавшему с RF сначала тяжело понять, почему происходят отражения в линиях, какие физические принципы за этим явлением стоят и каким образом осуществляется согласование цепей для устранения нежелательного эффекта (здесь понятия S-матрица, Return и Insertion Losses, TDR, диаграмма Смита). Объяснить подробнее каким образом образуются паразитные индуктивности и ёмкости в линии, как и почему происходит взаимное влияние между линиями (здесть понятия mutual coupling, H-матрица). Параметры неидеальности реактивных элементов и каким образом это отражается на работе схемы и цепей питания (поняти ESR, ESL). Обязательно добавить примерные иллюстрации — это лучше тысячи слов.
Многие просят формул, но я считаю, что изначальный подход полностью оправдывает себя, здесь Вы знакомите людей с новой областью, а точные графики и формулы находятся в книгах за авторством профессионалов своего дела.
По книге ничего сказать не могу, у меня её нет)mpa4b
30.05.2019 18:16Например, человеку не работавшему с RF сначала тяжело понять, почему происходят отражения в линиях, какие физические принципы за этим явлением стоят
ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D1%83%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F
Вот как-то там. Суть в том, что у линии передачи (будь то дифпара или коаксиал или провод над слоем земли) есть распределённые емкость и индуктивность. Если описывать поведение токов и напряжений в каждом малом кусочке такой линии, учитывая распределённые параметры, то получатся телеграфные уравнения, которым удовлетворяет бегущая с постоянной скоростью в любую сторону волна тока и напряжения (ток в волне пропорционален напряжению). Разным направлениям соответствует разный знак коэффициента пропорциональности. Этот коэффициент и есть характеристическое сопротивление линии, те самые 50 или 75 или 100 ом.
Уже из этой модели бегущих волн хорошо ясны случаи обрыва и КЗ линии: на обрыве или КЗ возникает отражённая волна таким образом, чтобы либо ток был 0 (если обрыв), либо напряжение (если КЗ).
Когда выходное сопротивление передатчика равно характеристическому сопротивлению линии, то волна от передатчика имеет амплитуду в половину напряжения передатчика, однако дойдя до конца линии (обрыва) такая волна отражается, благодаря чему на конце линии амплитуда будет равна полному напряжению на выходе передатчика. Отражённая волна же, дойдя до передатчика, поглотится на его сопротивлении. На этом основан метод согласования у источника, описанный в статье.AndreyTrundov Автор
31.05.2019 00:01Отличный пример. В книге писал о том же, но короче и саоими словами.
AndreyTrundov Автор
30.05.2019 07:34Ваши отзывы на страничке книги или автора помогут переиздать книгу в профессиональном издательстве.
AndreyTrundov Автор
30.05.2019 12:07Спасибо, пожелания и замечания понял и принял.
По диаграмме и матрицам, изначально не хотел нагружать книгу и людей этим материалом. Приводил объяснения, формулы, которые в рамках простых в понимании и применении именно инженерных методик позволят быстро решить задачи и инженерам, и конструкторам. Задумался… Еще раз спасибо!
juramehanik
30.05.2019 14:07+1Большое спасибо за статью!
Есть же RS422 который работает по диф. паре. и земля там ни к чему, разве для повышения помехоустойчивости.
Никогда, пожалуйста НИКОГДА ни говорите такого, особенно инженерам проектировщикам :), поскольку эта диффпара располагается на реальных объектах где земли приемопередатчиков прыгают туда сюда, даже если это 1 метр между приборами, а потому тянуть землю надо обязательно и точка. Особенно весело когда ставят гальваноизолированный 422 или 485 чтоб издалека принять сигнал и забывают из этого далека притащить хотя бы ниточку земли.
а в стандарте 802.3 (Ethernet) вы не увидите прямой рекомендации по установке опорного слоя.
ну дак наверно потому, что это балансная линия, благодаря трансформатору не привязанная ни к никакой земле :).
AndreyTrundov Автор
30.05.2019 14:11Спасибо! Действительно правильное и важное замечание.
В моих работах метры и на столах. К тому же тема больше посвящена разводке печатных плат. Про разницу потенциалов между двумя землями двух разных устройств я писал в статье. Писал и про мою прямую рекомендацию делать землю везде независимо от требований стандартов. Но кто будет читать, когда есть комментарий и в нем написано — пофиг на землю :)
Заострить внимание на реальную обстановку — это справедливо. Еще раз спасибо!AndreyTrundov Автор
30.05.2019 16:00Дополнительно, благодаря juramehanik. Вспомнил, поразбирался, в вопросе необходимости земли в RS-422. Поправьте, если это не так.
Я сказал что земля вроде как и не нужна, между двумя устройствами, важна разность потенциалов между проводами диф. пары. А нужна земля только для повышения помехозащищенности линии передачи, для чего и рекомендовал применять земляной провод везде, даже если на это нет прямого указания в стандарте.
Сейчас с точностью до цифр разобрался, знал да забыл :) — все дело в диапазоне изменения синфазного напряжения, для RS-422 данный диапазон составляет от -7 до +7 В (RS-485) и -7 до +12 (RS-422). И в моем понимании, для двух приборов, стоящих на одном столе, нужно ну очень сильно постараться, чтобы создать такую разность потенциалов. Если это получится, то один из двух приборов, соединенных по RS-422 без земли, точнее один из двух приемопередатчиков, выйдет из строя. Но никто не исключал хоть и кратковременных, но высокопотенциальных импульсных помех, не говоря уже о разнесенных на сотни метров устройствах. Потому, земля конечно же — очень нужна, чтобы не допустить выхода за пределы допуска синфазного напряжения на каждом из соединенных устройств. Более того — просто ниточка земляного провода элементарно может выгореть, если разность потенциалов окажется высока. Именно по этой причине при работе на длинных линиях или в условиях сложной помеховой обстановки настоятельно рекомендуется применять защитные устройства, от варисторов, до специальных диодных сборок ф. RCLAMP (как пример в сигнальных цепях) или супрессорных диодов (например SMAJ) в цепях питания.
Диодные сборки могут применяться в более высокоскоростных цепях по сравнению с варисторами из-за меньших размеров и значительно меньшей емкости. Супрессоры имеют высокую скорость и значительную мощность рассеяния. Варисторы более медленные но имеют максимальную мощность рассеяния из представленных здесь элементов.
Для truebest
Еще раз вернусь и к вопросу от truebest про смысл слова pre- matched для микросхемы приемопередатчика BGA728L7. Смысл следующий — выполнено предварительное согласование входа приемника данной микросхемы с линией 50 Ом, ВЫ ПОЛ НЕ НО, как и написано в переводе. Ошибки нет. А вот необходимость согласования данной линии с антенной, волновое сопротивление которой сильно отличается от 50 Ом, никто не отменял. Теперь и слова и смысл на своих местах.
Спасибо!
AndreyTrundov Автор
Приветствую Вас друзья. Делюсь своими знаниями, приглашаю к обсуждению, жду Ваших комментариев, замечаний и предложений. Для дополнительного изучения можете воспользоваться ссылкой на страницу автора:
ridero.ru/author/trundov_andrei_v2rku/#news