Особенности проектирования высокоскоростных устройств

0
442
Особенности проектирования высокоскоростных устройств

В статье рассмотрены особенности высокоскоростных устройств и приведены рекомендации для успешного выполнения проектов таких устройств. Даны практические советы по аспектам, на которые следует обратить внимание при проектировании таких устройств, и рассмотрены программные инструменты, позволяющие достичь необходимого результата.

Высокоскоростное устройство — это устройство в котором применяются сигналы с быстрыми фронтами. Сигнал переключается так быстро, что переход от одного состояния в другое завершается еще до того, как сигнал проходит путь по топологии от источника до приемника. В этом случае сигнал может быть отражен от приемника обратно на вывод источника, ухудшая или погашая исходный сигнал.

Сигнал с быстрым фронтом также может излучаться проводником и влиять на соседние сигналы, или становиться электромагнитными помехами (ЭМП), в результате чего устройство не будет соответствовать обязательным требованиям по допустимому уровню излучаемых помех. В качестве примеров высокоскоростных устройств можно привести устройства в которых имеются интерфейс USB 3.0, память DDR от второго поколения и старше, шины данных PCI Express, интерфейс SATA 3.0 и т.д.

При проектировании трасс для высокоскоростных сигналов, вы проектируете не просто проводники печатной платы, а линии передач, которые встроены в печатную плату и волновое сопротивление которых должно быть рассчитано с учетом ее полной структуры, поскольку часть энергии высокоскоростного сигнала передается в виде электромагнитной волны проходящей через тело платы между сигнальным проводником и опорным слоем.

Для успешного выполнения проектов печатных плат для высокоскоростных устройств, необходимо учитывать огромное количество факторов, в том числе проблемы целостности сигнала, выполнять все требования по расположению компонентов на плате и принимать все необходимые меры по фильтрации питания. В каждом конкретном случае в зависимости от типа используемого интерфейса, существуют особые требования по выполнению проекта. Но всё же есть ряд универсальных рекомендаций, которые применимы в большинстве случаев.

1. Как определить является ли ваше устройство высокоскоростным?

Стоит выучить приближенное правило которое гласит, что если в проекте имеются трассы длина которых не обеспечивает время прохождения сигнала менее трети времени переключения источника, то в них могут происходить отражения, следовательно такие трассы можно считать высокоскоростными. Например если сигнал на выводе источника имеет время переключения 1 нс, то проводник, через который этот сигнал идёт дольше 0,33 нс (примерно 2 дюйма, или 50 мм, в плате выполненной из материала FR4), необходимо рассматривать как линию передачи, которая может вызвать проблемы с целостностью сигналов.

2. Продумывание проекта

Особенности проектирования высокоскоростных устройств

Следует заранее продумывать проект в части расположения критичных ко времени распространения сигнала компонентов: источников и приемников сигнала, кварцевых резонаторов, согласующих резисторов и соединителей. Компоненты должны быть расположены так, чтобы не образовывалось длинных петлеобразных трасс, для микросхем с выводами под корпусом необходимо предусмотреть дополнительное место под фэнаут (5-7 мм по периметру).

Особенности проектирования высокоскоростных устройств

Развязывающие конденсаторы следует располагать в непосредственной близости от соответствующих выводов микросхем. На изображениях ниже приведены варианты разводки BGA микросхем.

3. Выбор стэка печатной платы

Выбрать количество и назначение слоев печатной платы можно исходя из количества компонентов схемы, используемых типов питания микросхем, полигонов земли. Для высокоскоростных устройств рекомендуется использовать печатные платы от четырех слоев, для удобства выполнения топологии. Примеры типичного расположения сигнальных и опорных слоев в стэке приведены в таблице ниже.

Ремомендуемые стеки слоёв

Типовые конструкции печатных плат, можно посмотреть например на сайте производителя печатных плат Резонит.

В Altium Designer 21 с помощью Layer Stack Manager реализована функция настройки профилей импеданса для текущего набора слоев, подробнее об этом можно прочитать тут (статья на английском).

4. Выбор материала печатной платы

Выбирать материал необходимо исходя из условий эксплуатации, максимальной рабочей частоты устройства и финансовых возможностей. Известно, что одними из важнейших параметров материалов для печатных плат являются относительная диэлектрическая проницаемость Dk и тангенс угла диэлектрических потерь tg δ, но помимо всего прочего важна и плотность плетения волокон стеклоткани в материале, потому что для высокоскоростных печатных плат является важным постоянство волнового сопротивления, которое зависит от того, проложен ли проводник преимущественно над стеклотканью или над смолой, заполняющей пространство между нитями, так как значение Dк стеклоткани и смолы отличаются.

В некоторых случаях целесообразно будет попросить производителя платы повернуть заготовку на 45°, тем самым добившись среднего значения Dk, заявленного в характеристиках материала, это позволит использовать более дешевый материал с более низкой плотностью плетения.

Образцы материалов

Если требуется изготовить плату с контролируемым импедансом, об этом обязательно необходимо сообщить производителю платы, иначе, даже при условии идеально просчитанного проекта, можно получить неудовлетворительный результат. Отдавать предпочтение следует материалам с минимальным значением tg δ. На рисунке ниже можно увидеть макроснимки, демонстрирующие плотность плетения разных образцов стеклоткани.

5. Правильный сигнальный маршрут

Важную роль в проектировании высокоскоростных устройств играет правильное выполнение сигнального маршрута. При трассировке критичных цепей следует избегать переходных отверстий, так как переходные отверстия создают нежелательные емкости и индуктивности, а это, в свою очередь, вызывает отражения и искажения сигналов из-за неоднородности импеданса при переходе от отверстий к проводникам, либо нужно учитывать их при расчете волнового сопротивления трассы.

Проводники в таких цепях должны быть максимально короткими без острых углов с плавными поворотами и дугами в изломах. Зазор между сигнальными проводниками должен быть максимальным. Следует избегать отводов от сигнальных трасс или делать их максимально короткими.

Под каждым сигнальным проводником должен располагаться сплошной опорный слой в виде полигона металлизации в котором не должно быть разрывов. Если проводник расположен во внутреннем слое печатной платы, то он может иметь вид линии передачи с двумя опорными слоями, что позволит ограничить распространение электромагнитного излучения и повысить устойчивость к внешним источникам помех. Проводники в одной группе сигналов должны иметь одинаковую длину, с допуском в зависимости от требований к конкретному интерфейсу.

Этого можно добиться с помощью выравнивания длин проводников специальными инструментами которые создают в проводнике дополнительную геометрию (меандры, тромбоны, зубья пилы). Более подробная информация по ссылке внизу: https://www.altium.com/ru/documentation/altium-designer/length-tuning-ad

Кроме этого иногда нужно выровнять не длины проводников конкретных цепей, а конкретные сигналы между компонентами, это возможно сделать с помощью инструмента Altium Designer который называется  X-Signals, подробнее об этом инструменте можно прочитать здесь (статья на английском): https://www.altium.com/ru/documentation/altium-designer/defining-high-speed-signal-paths-with-xsignals-ad

6. Симметричная геометрия проводников

Проводники дифференциальных пар должны иметь симметричную геометрию, их необходимо задавать в схеме соответствующим инструментом. Не допускается наличие переходного отверстия только в одной цепи дифференциальной пары, и в лучшем случае их рекомендуется избегать.

Располагать проводники дифференциальной пары необходимо на расстоянии позволяющем обеспечить необходимое волновое сопротивление. Выравнивание длин проводников внутри дифференциальной пары необходимо выполнять как можно ближе к изгибу, который привел к появлению разницы в длине проводников.

Трассировка дифференциальных пар

Больше информации о трассировке дифференциальных пар можно узнать из данной статьи.

7. Вырезы в опорном слое

Импеданс печатного проводника зависит от его ширины и расстояния до опорного слоя – более широкий проводник имеет меньший импеданс, чем тонкий проводник той же длины. То же самое можно сказать и про соединительные разъемы и контактные площадки. Импеданс контактной площадки будет значительно меньше, чем у подключенной к ней дорожки меньшей ширины, таким образом могут появляться отражения, что, в свою очередь, может негативно сказаться на целостности сигнала.

Вырез в опорном слое

Следовательно, под разъемами и большими контактными площадками необходимо выполнять вырез в полигоне опорного слоя, вместо этого активный полигон опорного слоя необходимо располагать на слой ниже и объединить их с помощью переходных отверстий, пример приведён на рисунке.

8. Особенности разведения шин

Swapping

При разводке шин с большим количеством эквивалентных проводников следует, при необходимости выполнять их перестановку (“свапирование”), для того чтобы исключить добавление переходных отверстий и лишних поворотов печатных проводников.

Подробнее об этом вы можете узнать в документации.

9. Импеданс

Контролируйте импеданс всех линий передач. Важно понимать, что импеданс одиночного проводника и импеданс дифференциальной линии – это разные вещи. Импеданс сигнального проводника должен быть рассчитан относительно опорного слоя. Линии высокоскоростных дифференциальных интерфейсов, должны иметь согласованное значение дифференциального импеданса между двумя сигнальными проводниками дифференциальной пары.

Кроме того, каждый из проводников дифференциальной пары характеризуется собственным импедансом относительно опорного слоя. При выборе геометрии дорожек дифференциальный импеданс имеет более высокое значение, чем импеданс каждой из линий.

Формула импеданса Формула импеданса 2

Необходимо помнить, что скорость распространения сигнала в полосковых линиях передачи (проводник расположен во внутреннем слое печатной платы) ниже чем в микрополосковых линиях передачи (проводник расположен во внешнем слое печатной платы). Это обусловлено разными значениями эффективной диэлектрической проницаемости, для внутренних слоёв её значение будет больше, чем для внешних.

Следовательно, проводник во внутреннем слое увеличит задержку во времени прохождения сигнала относительно проводника во внешнем слое печатной платы. В то же время размещение проводников во внутренних слоях может повысить их помехозащищенность.

Виды линий передач

Подробнее о трассировке плат с контролируемым импедансом можно узнать тут.