Wprowadzenie do projektowania płytek PCB o wysokiej szybkości – jak wyeliminować przesłuch?

Nie tak dawno, gdy byłem gościem na weselu, chciałem porozmawiać z mężczyzną siedzącym obok mnie przy tym samym stole. Niestety pomiędzy nami była kobieta pogrążona w rozmowie z osobą siedzącą po mojej drugiej stronie. Nasza rozmowa była już mocno utrudniona przez odgłosy wesela, ciągle słyszalne w tle. Jednak dyskusja prowadzona przez osobę siedzącą między nami sprawiła, że w ogóle nie mogliśmy się porozumieć. Mieliśmy do czynienia z przesłuchem!

Przesłuch w trakcie rozmowy może być bardzo denerwujący, lecz przesłuch na płytce PCB może mieć katastrofalne skutki. Jeżeli nie naprawimy tego problemu, ukończona płytka może przez niego w ogóle nie działać lub mieć okresowe problemy z funkcjonowaniem. Zobaczmy, czym jest przesłuch i jak ograniczyć to zjawisko w trakcie projektowania płytek PCB.

Jak ograniczyć występowanie przesłuchu w płytkach PCB?

Przesłuch to niezamierzone sprzężenie elektromagnetyczne pomiędzy ścieżkami na płytce drukowanej. Takie sprzężenie może spowodować, że impulsy sygnałowe w jednej ze ścieżek zakłócają integralność sygnału w drugiej ścieżce, nawet jeżeli ścieżki te nie dotykają się fizycznie. Może się to zdarzyć, gdy równoległe ścieżki są położone blisko siebie. Nawet jeżeli odstęp między nimi spełnia minimalne wymagania produkcyjne, może nie być wystarczający, aby uniknąć zakłóceń elektromagnetycznych.

Wyobraźmy sobie dwie równoległe ścieżki przewodzące. Jeżeli sygnały różnicowe w jednej ścieżce mają większą amplitudę niż w drugiej, mogą agresywnie zakłócać drugą ścieżkę. Sygnał w „ścieżce-ofierze” zacznie wtedy naśladować charakterystykę sygnału „ścieżki-agresora”, zastępując pierwotny sygnał w tej ścieżce. Zjawisko to jest nazywane przesłuchem.

Zazwyczaj jest on rozumiany jako interakcja pomiędzy dwoma równoległymi ścieżkami położonymi obok siebie na tej samej warstwie. Jednak ryzyko wystąpienia przesłuchu jest jeszcze większe w przypadku, gdy ścieżki przebiegają równolegle obok siebie na sąsiednich warstwach. Jest to tak zwane sprzężenie poprzeczne, bardziej prawdopodobne ze względu na bardzo małą grubość rdzenia oddzielającego dwie sąsiednie warstwy sygnałowe. Grubość ta może wynosić 4 mil (0,1 mm), czyli często mniej, niż odstęp pomiędzy dwiema ścieżkami na tej samej warstwie.

^{Aby pozbyć się przesłuchów, należy stosować większy odstęp pomiędzy ścieżkami niż ten przewidywany przez normy.}

Eliminacja potencjalnych przesłuchów z projektu

Nie jesteśmy na szczęście na łasce i niełasce przesłuchu. Tego typu problemów można uniknąć poprzez zaprojektowanie płytki tak, by zminimalizować zagrożenie ze strony przesłuchów. Następujące techniki projektowania pomogą wyeliminować potencjalne przesłuchy w Twoich płytkach PCB:

1. Utrzymuj jak największą możliwą odległość pomiędzy parami różnicowymi i innymi trasowanymi sygnałami. Ogólna zasada jest taka, że odstęp powinien być 3 razy większy, niż szerokość ścieżki.

2. Utrzymuj jak największą możliwą odległość pomiędzy trasowanymi sygnałami taktującymi a innymi ścieżkami sygnałowymi. Ma tu zastosowanie ta sama zasada, że odstępy powinny być 3 razy szersze niż same ścieżki.

3. Utrzymuj jak największą możliwą odległość pomiędzy różnymi grupami par różnicowych. W tym przypadku ogólna zasada mówi, że odstęp powinien być aż 5 razy większy, niż szerokość ścieżki.

4. Sygnały asynchroniczne, takie jak RESET, INTERRUPT (wyzerowanie, przerwanie) i inne, powinny być trasowane z dala od magistral i innych sygnałów o wysokiej szybkości. Można je jednak poprowadzić obok sygnałów włączenia lub wyłączenia zasilania, ponieważ sygnały te są rzadko używane podczas normalnej pracy obwodu.

5. Upewnij się, że ścieżki na sąsiadujących ze sobą warstwach sygnałowych są poprowadzone naprzemiennie w kierunku pionowym i poziomym. Dzięki temu ryzyko sprzężenia poprzecznego będzie mniejsze, bo ścieżki nie będą przebiegać równolegle jedna nad drugą.

6. Jeszcze lepszym sposobem na zmniejszenie potencjalnego przesłuchu pomiędzy dwiema sąsiadującymi warstwami sygnałowymi jest rozdzielenie ich płaszczyzną masy w konfiguracji mikrolinii paskowej. Płaszczyzna masy nie tylko zwiększy odległość między warstwami sygnałowymi, ale też zapewni drogę powrotną wymaganą dla warstw sygnałowych.

^{Narzędzia do projektowania płytek PCB i aplikacje innych producentów mogą pomóc pozbyć się przesłuchu.}

Jak oprogramowanie do projektowania płytek PCB pomaga wyeliminować przesłuch w obwodach o wysokiej szybkości?

Narzędzia do projektowania płytek PCB posiadają wiele funkcji, które pomagają uniknąć przesłuchu w projektowanych płytkach. Reguły warstw płytki umożliwiają uniknięcie sprzężenia poprzecznego poprzez określenie kierunków trasowania i tworzenie układów mikrolinii paskowych. Reguły klas siatki pozwalają na przypisanie większego odstępu między ścieżkami do tych grup siatek, które są bardziej podatne na przesłuchy. Narzędzia do trasowania par różnicowych pomogą poprowadzić je razem, jako połączone ze sobą pary, a nie oddzielnie. Dzięki temu zachowany zostanie konieczny do uniknięcia przesłuchu odstęp pomiędzy ścieżkami w parach różnicowych oraz pomiędzy tymi ścieżkami, a także innymi siatkami.

Oprócz funkcji wbudowanych w Twoje oprogramowanie do projektowania płytek PCB istnieją też inne narzędzia pomagające wyeliminować przesłuch w obwodach o wysokiej szybkości. Są to na przykład różne kalkulatory przesłuchu, które pozwalają na określenie odpowiedniej szerokości trasowanych ścieżek oraz odstępów między nimi. Możesz także skorzystać z symulatorów integralności sygnałów, aby przeanalizować swój projekt pod kątem potencjalnych problemów z przesłuchem.

Jeżeli nie zabezpieczysz swojej płytki drukowanej przed przesłuchem, może on okazać się poważnym problemem. Będziesz jednak potrafił go uniknąć, bo wiesz już, na co należy zwracać szczególną uwagę. Dzięki wskazówkom projektowym zawartym w tym artykule oraz funkcjonalności Twojego oprogramowania do projektowania płytek PCB, będziesz w stanie stworzyć projekt płytki odpornej na przesłuch.

Oprogramowanie do projektowania płytek drukowanych takie jak  Altium Designer^® jest wyposażone we wszystkie zaawansowane funkcje omówione powyżej. Chciałbyś dowiedzieć się, w jakie inne sposoby programy Altium pozwalają poradzić sobie z przesłuchem oraz innymi problemami z integralnością sygnału na płytce PCB? Porozmawiaj z ekspertem z firmy Altium.