Układanie warstw płytki PCB w stosy a projekty o wysokiej prędkości – wymagania i zalecenia

Projektuję płytki PCB już od jakiegoś czasu, ale na początku moje układy były stosunkowo proste. Większość z nich charakteryzowała się niską prędkością z niewieloma ograniczeniami. Płytki do testów czy panele kontrolne, sam już nie wiem ile tak prostych dwu- i czterowarstwowych układów zaprojektowałem w czasie swojej kariery. Biorąc to pod uwagę, wraz ze wzrostem mojego doświadczenia, mogłem w końcu zacząć tworzyć bardziej złożone układy. Szczególnie istotnym momentem było rozpoczęcie pracy nad wielowarstwowymi układami o wysokiej prędkości.

Projekty PCB o wysokiej prędkości (ang. high-speed) mają dużo bardziej restrykcyjne wymagania w zakresie integralności sygnału, a samo projektowanie takiej płytki staje się częścią ogólnego równania integralności sygnału. Wybór materiału, z którego tworzymy układ, nie jest jedyną istotną rzeczą dla impedancji, efektu rozpraszania czy innych ważnych cech sygnału – ważne są również porządek i liczba warstw, z której składa się projekt naszej płytki.

^{Pieczołowicie zaplanuj swój projekt i ścieżki trasowania.}

Wymagania względem układania stosu przy trasowaniu układów o wysokiej prędkości

Sygnały o wysokiej prędkości są z reguły trasowane z wykorzystaniem metody mikropaskowej lub paskowej. Zostały one obmyślone w taki sposób, aby sygnał o wysokiej prędkości, który przebiega przez trasowaną ścieżkę, miał właściwą strukturę fizyczną dla drogi swojego powrotu. Wymagania tych metod trasowania mają ogromny wpływ na późniejszą decyzję dotyczącą układania warstw płytki PCB w stos.

Metoda mikropaskowa jest nieco prostsza od paskowej. Ma linię transmisyjną – ścieżkę, poprowadzoną na zewnętrznej warstwie płytki PCB, która to jest oddzielona od płaszczyzny uziemienia warstwą materiału dielektrycznego. Z drugiej strony, linia paskowa ma wspomnianą płaszczyznę uziemienia zarówno powyżej, jak i poniżej linii transmisyjnej. W tym przypadku linia transmisyjna jest więc ścieżką prowadzoną na wewnętrznej warstwie sygnałowej osadzonej w materiale dielektrycznym, który znajduje się pomiędzy tymi dwiema płaszczyznami.

Planując układanie warstw w stos przy projekcie płytki PCB o wysokiej prędkości, musisz mieć na uwadze obie te metody trasowania. Trasując z wykorzystaniem metody mikropaskowej należy pamiętać o tym, że stos musi zawierać w sobie płaszczyznę uziemienia tuż obok zewnętrznych warstw płyty charakteryzujących się wysoką częstotliwością. Jeśli natomiast korzystasz z metody paskowej, stos Twojego układu PCB musi zawierać płaszczyznę uziemienia po obu stronach wewnętrznej warstwy sygnałowej, w której odbywa się trasowanie o wysokiej prędkości. Występują również inne rodzaje linii paskowych, które warto jest mieć na uwadze. Dla przykładu, podwójna linia paskowa wymaga od projektanta otoczenia dwóch sąsiadujących ze sobą warstw sygnałowych dedykowanymi płaszczyznami uziemienia.

^{Zasilanie i uziemienie na płytce PCB.}

Płaszczyzny zasilania i uziemienia w układach o formie stosu

Jak wspomnieliśmy już wcześniej, skuteczne trasowanie o dużej prędkości z wykorzystaniem zarówno metody mikropaskowej, jak i paskowej, wymaga co najmniej jednej płaszczyzny uziemienia. Zalecam jednak również, aby w każdym takim projekcie uwzględnić kompletną płaszczyznę dla zasilania.

Z drugiej strony, podczas pracy nad układem z kilkoma indywidualnie regulowanymi poziomami napięcia, nadanie każdemu z nich własnej warstwy i płaszczyzny uziemienia może skutkować powstaniem zbyt wielu warstw w projektowanym przez nas stosie. Taki układ może być nie tylko horrendalnie drogi w produkcji, ale przede wszystkim niepraktyczny.

Jednym ze sposobów, aby temu zaradzić, jest rozdzielenie płaszczyzn uziemienia i zasilania celem przenoszenia różnego poziomu napięcia. Tę praktykę wykorzystuje się w projektach charakteryzujących się sygnałem mieszanym, w których pojedyncza warstwa może mieć wiele podziałów. Przenosząc to rozwiązanie na projekt o wysokiej prędkości, trzeba jednak zachować szczególną ostrożność. Wynika to z tego, że linia transmisyjna o dużej prędkości poprowadzona przez podział płaszczyzny, wymusi na sygnale zmianę kierunku jego powrotu. Gdy ścieżka powrotu zostanie zmieniona, na układzie mogą powstawać szumy lub przesłuch. Dzieje się tak, ponieważ ścieżka powrotu sygnału musi zapętlać się poza oczekiwaną ścieżką, zamiast płynnie przepływać wzdłuż trasowanej ścieżki. Dlatego też, projektując układ w formie stosu, zadbaj o to, aby obwody o wysokiej prędkości nie były zmuszone do przechodzenia przez podział płaszczyzn lub inne niepowiązane płaszczyzny uziemienia.

Tak naprawdę nie ma żadnych sztywnych zasad, które jasno określają graniczną liczbę warstw dla projektów PCB o wysokiej prędkości. Decyzję trzeba podjąć indywidualnie, biorąc pod uwagę takie czynniki, jak koszty produkcji, niezbędne materiały, czy też potrzeby samego projektu. Istnieją jednak pewne wskazówki dotyczące planowania projektów w formie stosu, które wymieniliśmy w tym artykule i które to powinny okazać się pomocne przy tego typu projektach.

Prawidłowe tworzenie stosu z warstw dla układów o wysokiej prędkości wymaga wykorzystania najlepszego oprogramowania do PCB, a Altium Designer^® w tym przypadku sprawdzi się doskonale. Chcesz dowiedzieć się więcej na temat tego, w jaki sposób Altium wspiera swoich użytkowników w tworzeniu wielowarstwowych układów w formie stosu dla projektów o wysokiej prędkości? Już dziś porozmawiaj na ten temat z ekspertem z Altium.