Jak wpływ splotu włókien wpływa na integralność sygnałów wysokiej częstotliwości

W wielu urządzeniach pracujących z wysokimi prędkościami transmisji danych i zawierających funkcje RF, projekty na niektórych sztywnych podłożach mogą wymagać uwzględnienia nieprzyjemnego zjawiska: efektu splotu włókien. W rzeczywistości istnieje wiele problemów z integralnością sygnału, które mogą wynikać z splotu włókien w podłożu PCB.

Przy wystarczająco niskich szybkościach narastania sygnału (> 1 ns) i pasmach sygnałowych lub częstotliwościach (

Jak myśleć o efekcie splotu włókien

Najczęstszym odniesieniem do efektu tkaniny włóknistej jest skos tworzony między ścieżkami, które są prowadzone na podłożu PCB. Ten skos czasowy może powstać między dwoma stronami pary różnicowej, co może spowodować niezgodność dwóch sygnałów, lub między wieloma pojedynczymi ścieżkami w równoległej magistrali (takiej jak DDR). Powstaje to z powodu naprzemiennego szklano-żywicznego układu materiałów laminatu PCB; ponieważ szkło i żywica mają różne wartości Dk, sygnały w tych regionach będą miały różne prędkości propagacji.

Nawet najbardziej zaawansowane laminaty na bazie żywicy są niejednorodne, anizotropowe, co oznacza, że ich właściwości dielektryczne różnią się w przestrzeni i w różnych kierunkach. Wszystkie materiały laminatu PCB na bazie żywicy/szkła są produkowane z użyciem krosna, które służy do tworzenia tkaniny szklanej jako wzmocnienia w podłożu PCB. Nowe materiały, które są specjalizowane pod kątem projektów wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości, takie jak niedawno wydane laminaty od Rogers Corp. i Isola, są optymalizowane pod kątem niskich strat i pożądanych wartości CTE, Tg oraz przewodności cieplnej. Dla laminatów Isola, są one zwykle dostępne w różnych stylach tkaniny szklanej, w tym rozprzestrzenionej szklanej.

Rodzaje splotów włókien. Luźne sploty (po lewej) tworzą większe skosy i zmiany impedancji na płytce w porównaniu z ciasnym splotem (po prawej). Zdjęcie dzięki uprzejmości: Chen et al. (MDPI).

Jako projektant masz kilka opcji, które mogą pomóc zredukować efekty splotu włókien, chociaż problemu nie można całkowicie wyeliminować, jeśli trasowanie jest wykonane na otwartym stylu splotu szklanego. Z pewnością możesz określić pożądaną orientację ścieżki względem układu splotu włókien, ale rozmiary ścieżek i typowe metody trasowania na podłożu PCB utrudniają dokładne przewidzenie, gdzie Twoje ścieżki będą biec wzdłuż płytki. Dla tych pustych przestrzeni na płytce mamy dwie perspektywy do zbadania skosu tworzonego przez sploty włókien:

• W produktach masowo produkowanych, gdzie luźniejsze sploty mogą być pożądane ze względów kosztowych
• W zaawansowanych płytach lub płytach RF, gdzie i tak może być potrzebny droższy materiał

Jak styl splotu włókien wpływa na skos

Ponieważ puste przestrzenie w splotach włókien są tworzone przez luki między wiązkami szkła, ścieżki prowadzone nad tymi pustymi przestrzeniami będą miały do czynienia z inną stałą dielektryczną w porównaniu do wiązek szkła. Różnica w stałych dielektrycznych może osiągnąć współczynnik 2, w zależności od materiałów użytych w podłożu.

Można oszacować skłonność do skosu, która gromadzi się między dwoma ścieżkami o równych długościach, jeśli znane są stałe dielektryczne komponentów szkła i żywicy. Dane te nie zawsze są dostarczane w kartach katalogowych, ale mogłyby być użyte do określenia najgorszego przypadku skosu między dwoma ścieżkami. Korzystając z różnicy w opóźnieniach propagacji przez każdy materiał, stwierdzilibyśmy, że najgorszy przypadek skosu czasowego to:

Aproksymacja najgorszego przypadku skosu

Również spójrz na tę niedawną publikację dla pewnych danych eksperymentalnych zebranych z różnymi stylami splotu włókien. Typowa wartość skosu czasowego dla luźnego splotu może być tak duża jak 4 ps/cal lub wyższa na konwencjonalnych splotach szklanych (patrz powyższa cytacja dla pewnych danych). Na dużych płytach, ten wkład do całkowitego jittera mógłby być wystarczający, aby desynchronizować dwa szybkie sygnały.

W rzeczywistości, skos spowodowany przez splot włókien jest nieprzewidywalny, po prostu dlatego, że nie wiesz, gdzie Twoja ścieżka zakończy się po wyprodukowaniu płyty. Istnieją pewne proste opcje, aby pomóc to zredukować (patrz poniżej), ale pierwszym krokiem jest ustalenie, czy skos naprawdę ma znaczenie w Twoim konkretnym projekcie. Ponieważ skos jest problemem niedopasowania czasowego

Czy Skos Będzie Miał Znaczenie w Twoim Systemie?

Pierwszą rzeczą, którą powinieneś zrobić, to ustalić, czy skos włókien tworzy jakiekolwiek zauważalne problemy w twoim konkretnym systemie. Weźmy na przykład dwie ścieżki w parze różnicowej. Sygnały na każdej ścieżce muszą dotrzeć do odbiornika w określonym oknie czasowym. Jeśli dozwolone niedopasowanie między sygnałami (okno czasowe) jest znacznie większe niż oczekiwany skos na danej trasie, wówczas skos można zasadniczo zignorować.

Ten sam rodzaj analizy można zastosować do równoległych magistrali z dopasowaną długością. Jest to jeden z powodów, dla których możesz chcieć bardzo dokładnie dopasować opóźnienie swoich par różnicowych. Pozostawia to dużo marginesu na skos tworzony przez splot włókien, losowy jitter lub jakiekolwiek inne źródła jittera, które mogą tworzyć skos. W przypadku, gdy skos włókien będzie porównywalny z dozwolonym niedopasowaniem czasowym, wówczas nie należy używać otwartego splotu.

W miarę jak strumienie danych stają się szybsze, a czasy narastania mniejsze, powyższe okno czasowe się zamyka, co kładzie większy nacisk na redukcję całkowitego jittera, który może istnieć w oknie czasowym. Jest to jeden z powodów, dla których skupiamy się na jitterze tworzonym przez szum zasilania, odbicia od ziemi i przeplot w szybkich interfejsach, ponieważ również przyczyniają się do całkowitego jittera.

Routing pod kątem lub obrót panelu

Jak pokazano w ostatniej publikacji w Signal Integrity Journal, prowadzenie ścieżek pod lekkim kątem względem wzoru splotu może zmniejszyć skośność czasową (odchylenie standardowe) z ~7 ps/cal do mniej niż 1 ps/cal. Należy zauważyć, że dotyczy to wyłącznie skośności spowodowanej efektem splotu włókien; inne źródła skośności, takie jak losowy jitter oraz niezgodność opóźnień w równoległych magistralach lub parach różnicowych, nadal muszą być brane pod uwagę. Jednakże, kąty zaangażowane były tylko ~0,04 rad, co odpowiada ~2,3 stopnia. Innymi słowy, standardowe odchylenie skośności może być zmniejszone o około 3 ps/stopień, do maksymalnego zmniejszenia o ~7 ps.

Zdjęcie ilustrujące redukcję skośności Autor: Bogatin i wsp. (Signal Integrity Journal).

To, co to pokazuje, to nie fakt, że skos jest eliminowany przez prowadzenie ścieżek pod kątem, tylko to, że standardowe odchylenie czasowe staje się mniejsze. Jest to jeden z powodów, dla których zakład produkcyjny płytek może obracać grafikę na panelu (może o 10 stopni), aby zwalczać skos czasowy indukowany przez splot włókien. Zamiast ręcznego prowadzenia ścieżek lub ich zygzakowania na PCB, obrócenie grafiki na panelu pozwala projektantowi pracować jak zwykle w oprogramowaniu do projektowania PCB. Wadą jest to, że grafika na panelu zajmie dodatkową przestrzeń, co zwiększa koszty produkcji na płytę.

Rozprzestrzenione Szkło

Rozprzestrzenione szkło spłaszczy się, gdy zostanie umieszczone w stosie PCB, co zapewni wypełnienie przestrzeni w laminacie PCB, zajmowanej przez żywicę, przez pęczki włókien. Wypełniając region żywicy szkłem, materiał wydaje się bardziej jednorodny przy praktycznych częstotliwościach używanych w dzisiejszej elektronice. To minimalizuje skos między każdą ścieżką w parze różnicowej lub między ścieżkami jednostronnymi w równoległych magistralach.

Ustaw odstęp między parami różnicowymi = Skok Szkła

Jeśli znany jest rozstaw osnowy szklanej, można go użyć jako odstępu między parami różnicowymi. Zapewni to, że ścieżki w parze będą zawsze zajmować niemal identyczne obszary osnowy wzdłuż prostej trasy, co zmniejszy skośność wewnątrzparową. Podobna zasada projektowania mogłaby być użyta w równoległych magistralach jednostronnych i równoległych magistralach różnicowych.

Niewzmocnione laminaty dla płyt RF

Kolejną opcją dla zaawansowanych płyt RF jest użycie niewzmocnionego laminatu na bazie PTFE, który nie będzie miał osnowy szklanej. Wadą tych laminatów, oprócz ceny, jest fakt, że mogą być trudne do obróbki podczas produkcji. Ponieważ nie mają wzmocnienia strukturalnego, czasami nazywa się je "mokrymi makaronami", ponieważ łatwo się zgina. W rezultacie mogą mieć wyższy potencjał do niezgodności warstw. Dla płyt RF używanych z fazowanymi tablicami, eliminacja skośności na długich połączeniach jest bardzo użyteczna, szczególnie jeśli kontroler hosta systemu nie ma mechanizmu kompensacji skośności przez procedurę kalibracji przy włączeniu.

Okresowe obciążenie przy częstotliwościach GHz

Jamy w luźnych splotach włókien są w zasadzie częściowo otwartymi rezonatorami, a rezonanse wzbudzone w strukturze splotu włókien na materiale PCB nie są zdefiniowane ani obserwowane w symulacji czy analizie. Pamiętaj, że pole elektromagnetyczne nie jest ograniczone wewnątrz ścieżki, istnieje wokół ścieżki i jest ograniczone w otaczającym medium. Oznacza to, że podróżujący sygnał o wysokiej częstotliwości, lub sygnał cyfrowy o dużej szerokości pasma, może wzbudzić jedną lub więcej rezonansów w tych jamach. Te rezonanse można przybliżać jako rezonanse w prostokątnym pudełku i spodziewalibyśmy się następującego zestawu częstotliwości:

Najniższa częstotliwość rezonansowa splotu włókien wynosi zwykle około 50 GHz dla luźnych splotów. Te rezonanse mogą następnie wzbudzać subharmoniczne rezonanse jamy poprzez sprzężenie rezonansowe. Innymi słowy, kieszenie splotu włókien, pobliskie struktury przewodzące i parasity stworzone przez każdą z nich działają jako źródło promieniowanego EMI. Ta szczególna kwestia została niedawno omówiona w Signal Integrity Journal.

Silne rezonanse w tych przestrzeniach mogą również sprzęgać się indukcyjnie lub pojemnościowo z pobliskimi obwodami. To sprzęganie stanowi większy problem w łańcuchach sygnałowych RF obejmujących wzmacniacze mocy, sterowniki FET o wysokiej mocy i podobne obwody, które wytwarzają silne pola RF. Efekt ten pojawia się jako spadek w profilu strat wstawienia przy kolejnych rezonansach tkaniny włókna. Można zmierzyć ten efekt, ekstrahując parametry S z próbki testowej za pomocą analizatora sieci wektorowej.

Analizator widma

Podsumowując, jeśli chcesz zapobiec problemom z rezonansami i spadkami strat wstawienia, dąż do najściślejszego stylu tkaniny szklanej, który spełnia twoje wymagania dotyczące strat, CTE, Tg i przewodności cieplnej. Styl o ściślejszym splocie zazwyczaj będzie miał wyższe rezonanse częstotliwości, chociaż będą istnieć określone kompromisy, które należy zrównoważyć. Dokładne uwzględnienie skosu i zapewnienie kontrolowanej impedancji wymaga określenia odpowiedniej średniej stałej dielektrycznej do użycia w obliczeniach impedancji. W przypadku, gdy emisje z wnęki stają się problematyczne, można rozważyć użycie powłoki konformalnej jako materiału ekranującego.

Menedżer stosu warstw w Altium Designer^® pozwala na określenie średniej stałej dielektrycznej, jaką będą widzieć sygnały podczas przemieszczania się wzdłuż ścieżki sygnałowej. Dzięki temu jest to idealne narzędzie do kompensacji skosu wynikającego z efektu tkaniny włóknistej na płycie. Narzędzia symulacji po rozmieszczeniu są również przydatne do badania przeplotu między ścieżkami przenoszącymi sygnały o wysokiej częstotliwości oraz do kontrolowanego trasowania impedancji. Będziesz miał dostęp do obszernej biblioteki standaryzowanych materiałów i stylów tkanin, które możesz wykorzystać w swoim stosie.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.