Проектирование печатных плат для высокоскоростных интерфейсов. Часть 2

Продолжаем публиковать цикл статей об основах проектирования печатных плат для высокоскоростных интерфейсов.

• Проектирование печатных плат для высокоскоростных интерфейсов. Часть 1

Трассировка изгибов печатных дорожек

При трассировке высокоскоростных сигналов количество изгибов печатных дорожек должно быть сведено к минимуму. При необходимости следует выполнять изгибы под углом 135°, а не 90° (рис. 1).

Рис. 1. При выполнении трассировки следует выполнять изгибы под углом 135°, а не 90°

При работе с высокоскоростными интерфейсами часто требуется выравнивание длин проводников. Для этой цели применяют трассировку в виде меандра (рис. 2). Необходимо, чтобы расстояние между проводниками меандра было как минимум в 4 раза больше ширины дорожки, а длина перпендикулярных частей меандра должна быть в 1,5 раза больше ширины дорожки. Во многих САПР эти условия не контролируются автоматическими инструментами проверки платы (DRC), так как трассы являются частью одной и той же сети.

Рис. 2. При выполнении трассировки необходимо контролировать шаг и параметры сегментов меандра

Трассировка высокоскоростных линий

Нельзя располагать проводники высокоскоростных линий вплотную друг к другу, так как это неизбежно приводит к возникновению перекрестных помех (речь идет об отдельных проводниках, а не о дифференциальных парах!). Уровень перекрестных помех зависит от расстояния между трассами и длины участка, на котором они проходят в непосредственной близости друг от друга. Иногда на плате встречаются узкие места, которые вынуждают разработчиков размещать дорожки слишком близко. Необходимо сократить количество и минимизировать протяженность таких участков, а за их пределами - увеличить расстояние между проводниками (рис. 3). Если свободное пространство позволит, то следует разнести проводники высокоскоростных линий (а также проводники высокоскоростных и низкоскоростных линий) как можно дальше.

Рис. 3. Для минимизации перекрестных помех необходимо максимально разносить проводники высокоскоростных линий

Трассировка отводов

Длинные отводы от основной дорожки могут действовать как антенны и, следовательно, приводить к проблемам, связанным с электромагнитной совместимостью (ЭМС). Кроме того, отводы создают отражения, которые отрицательно влияют на целостность сигналов. Такие проводники обычно используются для подключения подтягивающих резисторов. Если возникает необходимость в подобной подтяжке, то следует вместо отводов использовать одну дорожку, которая будет последовательно соединять все резисторы (рис. 4).

Рис. 4. Вместо отводов большой длины стоит использовать одну дорожку, которая будет последовательно соединять компоненты

Как правило, отводы с длиной более 0,1 от длины волны следует рассматривать как потенциальную проблему. Формула 2 - это пример расчета максимальной длины отвода для сигналов Gen3 PCIe:

Переходные отверстия также могут выступать в качестве отводов. Например, на плате с шестью слоями, когда сигнал переходит со слоя 1 на слой 3, сквозное переходное отверстие создает отвод, который тянется от слоя 3 до слоя 6. Эту проблему можно решить с помощью несквозных (слепых) переходных отверстий. Однако технология слепых переходных отверстий является довольно дорогостоящей и поддерживается далеко не всеми производителями печатных плат. По этой причине очень часто единственным решением становится минимизация числа переходов для высокоскоростных линий.

Вырезы на слое земли под крупными контактами площадками

Импеданс печатного проводника зависит от его ширины и расстояния до опорной плоскости земли. Широкий проводник имеет более низкий импеданс, чем тонкий проводник той же длины. Аналогичные выводы справедливы для соединительных разъемов и контактных площадок. Импеданс контактной площадки будет значительно меньше, чем у подключенной к ней дорожки. Это различие в импедансе может вызвать отражения, что негативно скажется на целостности сигнала. Следовательно, под разъемами и массивными контактными площадками необходимо выполнять вырез в металлизации опорного слоя земли, вместо него активную плоскость земли необходимо располагать на другом слое (рис. 5). При этом основной и дополнительный опорные слои следует объединять с помощью переходных отверстий.

Рис. 5. Под крупной контактной площадкой необходимо делать вырез в металлизации слоя земли

Переходные отверстия являются еще одной причиной неоднородности импеданса. Чтобы свести к минимуму негативный эффект, необходимо удалить неиспользуемую металлизацию переходных отверстий на внутренних слоях (рис. 6). Это можно сделать на этапе проектирования печатной платы средствами САПР, если такая функция поддерживается, либо попросить об этом производителя печатной платы.

Рис. 6. Неиспользуемая металлизация переходных отверстий должна быть удалена

Трассировка дифференциальных линий

Проводники высокоскоростных дифференциальных пар необходимо располагать параллельно на определенном постоянном расстоянии друг от друга. Это расстояние выбирается исходя из величины требуемого импеданса. Дифференциальные проводники должны быть симметричными. При их трассировке следует минимизировать число различных неоднородностей (рис. 7).

Рис. 7. Проводники высокоскоростных дифференциальных пар должны быть симметричными и параллельными

Не допускается размещение каких-либо компонентов или переходных отверстий между проводниками дифференциальных пар, даже если сами проводники остаются параллельными и симметричными (рис. 8). Компоненты и переходные отверстия между дифференциальными проводниками могут приводить к проблемам с ЭМС и создавать неоднородности импеданса.

Рис. 8. Между дифференциальными парами нельзя размещать компоненты или переходные отверстия 

Некоторые высокоскоростные дифференциальные интерфейсы требуют последовательных разделительных конденсаторов. Необходимо размещать такие конденсаторы симметрично (рис. 9). Конденсаторы и их контактные площадки создают неоднородности импеданса. При необходимости следует применять малогабаритные корпуса 0402. Использование корпусов 0603 также иногда допустимо. Более крупные корпуса, например, 0805 или C-pack, применять не рекомендуется.

Рис. 9. Необходимо размещать разделительные конденсаторы симметрично

Переходные отверстия создают существенную неоднородность импеданса дифференциальных линий. Необходимо отказаться от межслойных переходов или хотя бы минимизировать их количество. Переходные отверстия следует размещать симметрично (рис. 10).

Рис. 10. Переходные отверстия следует размещать симметрично

Для согласования импеданса необходимо, чтобы проводники дифференциальной линии располагались на одном слое и имели одинаковое число переходов (рис. 11).

Рис. 11. Проводники дифференциальной линии должны располагаться на одном слое и иметь равное число переходов 

Согласование длин проводников

Высокоскоростные интерфейсы предъявляют жесткие требования к временным задержкам сигналов. Это особенно критично для высокочастотных параллельных шин, в которых все сигналы должны приходить практически одновременно, чтобы соответствовать требованиям ко времени установки и удержания приемника. Проектировщик печатной платы должен убедиться, что эти требования выполняются. Для этого необходимо согласовать длину проводников. Для расчета максимальной разности длин дорожек следует оценить скорость распространения сигналов на печатной плате. Расчет скорости можно производить по формуле 3:

где с – скорость света в вакууме, ?r - относительная диэлектрическая проницаемость материала между дорожкой и опорной плоскостью.

Относительная диэлектрическая проницаемость FR-4, - традиционного материала печатных плат, - составляет около 4,5, в то время как для воздуха этот показатель составляет 1. Электромагнитное взаимодействие между микрополосковыми линиями на внешних слоях печатной платы и опорной плоскостью также происходит по воздуху и маске припоя. Поскольку относительная диэлектрическая проницаемость обоих материалов ниже, чем у FR-4, то сигналы быстрее распространяются по полосковым линиям, расположенным на внутренних слоях. Как правило, скорость распространения сигналов на печатной плате составляет примерно половину от скорости света в вакууме, то есть около 150 мкм/пс.

Согласование времен задержек сигналов высокочастотных дифференциальных линий должно быть очень жестким. Поэтому различия в длине проводников необходимо устранить, например, с помощью трассировки в виде меандра. Геометрия таких участков должна быть тщательно подобрана, чтобы уменьшить неоднородность импеданса. На рисунке 12 показан пример трассировки меандра.

Рис. 12. Предпочтительная геометрия меандра

Меандр необходимо помещать рядом с точкой, где начинается рассогласование длин проводников дифференциальной пары (рис. 13). Это гарантирует, что положительная и отрицательная составляющие сигнала будут распространяться синхронно большую часть пути.

Рис. 13. Добавление корректирующего меандра в точку, где начинается рассогласования длин проводников 

Изгибы являются типичной причиной рассогласования длин. Как было сказано выше, компенсацию в виде участка меандра следует располагать рядом с изгибом, на расстоянии не более 15 мм (рис. 14).

Рис. 14. Согласование длин проводников рядом с изгибом дорожек 

Иногда два последовательных изгиба компенсируют друг друга. Например, дополнительное согласование длин не требуется, если изгибы удалены друг от друга менее чем на 15 мм (рисунок 15). Как было сказано выше, сигналы не должны распространяться асинхронно на расстояние более 15 мм.

Рис. 15. Изгибы проводников могут компенсировать друг друга

Проводники дифференциальной пары могут быть разделены на сегменты разъемами, разделительными конденсаторами или переходными отверстиями. Каждый такой сегмент должен быть согласован индивидуально. На рис. 16 представлен пример с двумя изгибами, которые могли бы компенсировать друг друга, но, поскольку между ними есть переходные отверстия, каждый изгиб нужно компенсировать по отдельности. Это гарантирует синхронное распространение положительных и отрицательных сигналов через переходные отверстия. Выполнение данного правила обычно приходится проверять вручную, поскольку автоматизированная система проверки ошибок (DRC) в большинстве САПР контролирует только разницу полной длины проводников.

Рис. 16. Разница в длине должна компенсироваться на каждом отдельном участке 

Как было сказано выше, скорость сигналов отличается для разных слоев. Поскольку получаемую разницу трудно учесть и скомпенсировать, рекомендуется располагать проводники, требующие согласования, на одном слое. Например, LVDS-интерфейс требует жесткого согласования проводников дифференциальных пар данных и проводников дифференциального тактового сигнала. Поэтому настоятельно рекомендуется трассировать эти проводники в одном слое (рис. 17).

Рис. 17. Дифференциальные сигналы одного и того же интерфейса должны проходить в одном слое

Стоит иметь в виду, что некоторые САПР при расчете учитывают длину проводников, находящихся внутри контактной площадки. На рис. 18 показано два примера, идентичных с электрической точки зрения. На левом рисунке участки дорожек, расположенных внутри контактной площадки, имеют разную длину. В реальности сигналы не используют эти внутренние сегменты. Тем не менее, некоторые САПР учитывают их при расчете полной длины проводника, что приводит к появлению расчетной разницы длин между дорожками дифференциальной пары. Чтобы избежать подобных ошибок, необходимо самостоятельно проверять, что сегменты, расположенные внутри контактных площадок, имеют одинаковую длину. Аналогичная ситуация складывается при учете высоты переходных отверстий. Если количество переходов одинаково, то это не повлияет на точность вычисления длины проводников внутри одной дифференциальной пары. Однако если требуется согласование длин нескольких дифференциальных пар, то проблема учета переходных отверстий становится актуальной и требует особой аккуратности.

Рис. 18. Некоторые САПР неверно рассчитывают длину проводников из-за учета сегментов, расположенных внутри контактных площадок

Подключение проводников дифференциальных пар к контактам и выводам по возможности также следует выполнять симметричным, чтобы избежать рассогласования длин (рис. 19).

Рис. 19. Подключение проводников дифференциальных пар следует делать симметричным

Если пространство между контактами позволяет, то лучше добавить небольшую петлю к дорожке с меньшей длиной вместо того, чтобы использовать согласующий меандр (рис. 20).

Рис. 20. При необходимости лучше использовать дополнительную петлю вместо согласующего меандра

Работа с возвратными токами

Если при разработке печатной платы не уделять должного внимания возвратным токам, то это может обернуться возникновением дополнительных шумов и проблемами с ЭМС. Путь протекания возвратных токов должен прорабатываться одновременно с трассировкой самого сигнала. Возвратные токи низкочастотных сигналов распространяются по кратчайшему пути – пути с наименьшим сопротивлением. При этом возвратный ток высокочастотных сигналов протекает по пути минимального импеданса и пытается следовать за исходным сигналом (рис. 21). Возвратные токи должны учитываться и для дифференциальных сигналов.

Рис. 21. Возвратный ток высокочастотных сигналов стремится следовать по пути исходного сигнала

Печатный проводник не должен проходить над вырезами в слое земли, так как в этом случае возвратный ток не сможет в точности повторить путь исходного сигнала. Если плоскость земли разделена, то лучше всего прокладывать дорожку между источником и приемником сигнала в обход выреза (рис. 22). Если пути прямого и возвратного тока отличаются, то область ведет себя как рамочная антенна.

Рис. 22. Печатный проводник не должен проходить над разрывами в слое земли

Если проводник должен пройти над двумя различными опорными полигонами, то эти полигоны следует соединить с помощью конденсатора (рис. 23). Конденсатор позволит возвратным ВЧ-токам перемещаться из одного полигона в другой. Конденсатор необходимо поместить в непосредственной близости от дорожки, чтобы расстояние между прямым и обратным каналом было минимальным. Типовое значение емкости объединительного конденсатора составляет 10…100 нФ.

Рис. 23. В случае необходимости следует объединить полигоны с помощью конденсатора

В общем случае настоятельно рекомендуется избегать трассировки высокочастотных сигналов над вырезами в опорных слоях и полигонах (рис. 24). Если же это неизбежно, то необходимо использовать объединительные конденсаторы для минимизации проблем, связанных с разделением пути протекания прямых и возвратных токов.

Рис. 24. Для согласования пути протекания прямого и возвратного токов следует использовать объединительный конденсатор

Вырезы в слое земли могут быть образованы близко расположенными переходными отверстиями. Это необходимо иметь в виду при трассировке высокочастотных сигналов. Следует избегать возникновения больших неметаллизированных зон на опорных слоях. Для решения этой проблемы зачастую будет достаточно грамотно распределить переходные отверстия (рисунок 25). Иногда, чтобы устранить огромный вырез на опорном слое, лучше пожертвовать некоторыми переходами, относящимися к цепям питания и земли.

Рис. 25. Следует избегать вырезов, образованных переходными отверстиями

Путь возвратного тока должен выбираться, исходя из положения источника и приемника сигнала. На рис. 26 представлен пример удачной (справа) и неудачной (слева) трассировок. На рисунке слева используется единственное переходное отверстие, поэтому возвратный ток идет не по слою земли, как хотелось бы, а по проводникам на верхнем слое. По этой причине лучше использовать правый вариант трассировки и размещать переходные отверстия как возле источника сигнала, так и возле приемника. В таком случае возвратный ток будет распространяться преимущественно по слою земли.

Рис. 26. Различие путей возвратных токов при разном размещении переходных отверстий

Если требуется, чтобы возвратный ток протекал по слою питания, для этого необходимо создать соответствующие условия. У источника и приемника сигналов опорным является слой земли. Чтобы возвратный ток мог попасть на слой питания, необходимо использовать объединяющие конденсаторы (рисунок 27). Если питание приемника и источника поступает напрямую с опорного слоя, то в качестве объединительных конденсаторов могут выступать обычные развязывающие конденсаторы, но только в том случае, если они расположены близко к точке входа/выхода сигнала. Типовое значение емкостей объединительных конденсатора составляет 10…100 нФ.

Рис. 27. Чтобы возвратный ток протекал по слою питания, необходимо использовать объединяющие конденсаторы

Если сигнальная дорожка переходит на другой слой, то для нее изменяется и опорный слой земли. Следовательно, чтобы избежать проблем с возвратными токами, следует установить переходные отверстия между опорными слоями земли в максимальной близости от точки перехода (рис. 28). Это позволяет возвратному току беспрепятственно переходить между слоями земли. Для дифференциальных сигналов переходные отверстия между слоями земли следует располагать симметрично.

Рис. 28. Переходные отверстия между опорными слоями земли следует располагать в максимальной близости от точки перехода сигнального проводника 

Если при переводе сигнального проводника на другой слой вместо слоя земли опорным становится слой питания, то чтобы избежать проблем с возвратными токами, следует использовать объединительные конденсаторы (рис. 29). Это позволяет возвратному току беспрепятственно переходить между слоем земли и слоем питания. Для дифференциальных сигналов объединяющие конденсаторы необходимо размещать симметрично.

Рис. 29. Использование объединительных конденсаторов при смене опорного слоя

Рекомендуется избегать трассировки высокоскоростных сигналов на границе опорных плоскостей или вблизи границ печатной платы (рис. 30). В противном случае это может отрицательно повлиять на согласование импедансов цепей.

Рис. 30. Рекомендуется избегать трассировки высокоскоростных сигналов на границе опорных плоскостей или вблизи границ печатной платы

Аналоговое и цифровое заземление

Аналоговые схемы могут быть очень чувствительны к цифровому шуму. Существуют два основных пути проникновения цифрового шума в аналоговую часть схемы. Первый определяется емкостной и индуктивной связью между проводниками. Эта связь может быть минимизирована за счет физического разнесения дорожек. Следует проявлять особую осторожность, если проводники аналоговых и цифровых сигналов проходят параллельно на длинном участке платы. В таких случаях следует разносить дорожки максимально далеко. Рекомендуется располагать чувствительные аналоговые схемы на максимальном удалении от цепей тактирования и мощных импульсных схем, например, источников питания.

Второй путь проникновения цифрового шума в аналоговую часть схемы определяется индуктивной связью по цепи питания. Данная проблема демонстрируется на рис. 31. Если цифровая и аналоговая части схемы имеют общий путь протекания возвратного тока источника питания, то из-за наличия паразитного сопротивления и индуктивности проводников цифровой импульсный шум будет воздействовать на аналоговую часть схемы. Для решения проблемы необходимо разделять пути протекания возвратных токов для аналоговых и цифровых доменов, если это возможно.

Рис. 31. Следует разделять пути протекания возвратных токов аналоговых и цифровых частей схемы

Существует два подхода к разделению путей возвратных токов:

• физическое разделение аналоговой и цифровой земли;
• виртуальное разделение земли за счет оптимального размещения компонентов.

Оба подхода имеют свои преимущества, по этой причине сложно судить какое из решений лучше.

Физическое разделение аналоговой и цифровой земли

Многие референсные схемы для ИС со смешанными сигналами, например, АЦП, используют подход с физическим разделением аналоговой и цифровой земли. Этот подход упрощает оформление принципиальной схемы и позволяет показать, какие компоненты и контакты должны быть подключены к цифровой земле, а какие - к аналоговой. При трассировке таких схем используются две опорные плоскости земли, которые требуется грамотно разместить. Аналоговая земля должна располагаться только под аналоговыми контактами и компонентами. Таким образом, необходимо очень ответственно отнестись к компоновке элементов (рисунок 32).

Рис. 32. При разделении земли следует ответственно подходить к расположению компонентов

Объединение аналоговой и цифровой земли необходимо выполнять в одной точке. В референсных схемах часто рекомендуется объединять земли с помощью ферритовых бусинок или резисторов с нулевым сопротивлением. Точка соединения цифровой и аналоговой земли должна быть расположена близко к интегральной схеме, которая использует как аналоговые, так и цифровые сигналы.

В схемах со смешанными сигналами и раздельным заземлением важно трассировать проводники таким образом, чтобы проводники цифровых сигналов не проходили над плоскостью аналоговой земли, а проводники аналоговых сигналов не пересекали плоскости цифровой земли (рис. 33). Эти домены должны быть полностью разделены.

Рис. 33. Проводники цифровых сигналов не должны пересекать плоскость аналогового заземления

Одним из преимуществ подхода с физическим разделением земли является то, что по схеме всегда можно понять, какие линии являются цифровыми, а какие - аналоговыми. Кроме того, разделение между цифровыми и аналоговыми доменами хорошо видно на печатной плате. Впрочем, если над проектом работает несколько инженеров, то и плата, и макет могут быть очень запутанными.

Виртуальное разделение аналоговой и цифровой земли

Рассмотрим подход с виртуальным разделением аналоговой и цифровой земли. При таком подходе на принципиальной схеме отображается одна общая земля, а цифровой и аналоговый домены на печатной плате оказываются электрически не разделены. Хитрость заключается в том, чтобы при создании проводящего рисунка добиться такого эффекта, как будто эта граница существует. Очевидно, что в этом случае решающее значение будет иметь расположение компонентов. Их следует размещать только над соответствующими частями виртуальных плоскостей земли (рис. 34).

Рис. 34. При виртуальном разделении земли решающее значение имеет расположение компонентов

Виртуальная разделительная линия должна соблюдаться при трассировке сигналов. Проводникам цифровых и аналоговых сигналов не разрешается покидать свой домен (рис. 35). Граница раздела должна иметь простую форму, так как с электрической точки зрения не существует препятствий по проникновению цифровых токов в аналоговую часть схемы.

Рис. 35. Проводники цифровых сигналов не должны пересекать виртуальную линию разделения

При использовании подхода с виртуальным разделением земли трассировка печатной платы оказывается более сложной, так как ошибки разводки не обнаруживаются средствами автоматической проверки САПР (DRC). Если трассировка платы выполнена грамотно, то виртуальное разделение даст лучший результат, чем при использовании физического разделения цифровой и аналоговой земли.

Опубликовано: 20.11.2018