Всё о длине трасс вашей печатной платы: какая длина считается слишком большой?

Иногда мне задают вопросы от читателей, которые вызывают у меня повышенный интерес и приводят к оживлённым дебатам, погружению в исследования или сессии вопросов и ответов. Один из недавних вопросов касался длины трасс печатных плат, стандартов сигнализации и спецификаций компонентов. Вот перефразированный вопрос:

Каков типичный предел длины для высокоскоростной трассы?

Это всегда интересный вопрос, потому что его можно рассмотреть с разных сторон. В данном случае компонент работал на высоких скоростях через PCIe на стандартном ламинате (Dk ~4 и Df ~0.02 на верхнем пределе полосы пропускания). Не должно быть слишком сложно понять, что вопрос намекает на увеличение длины трассы от краевого разъема к приёмнику и на то, сможет ли компонент терпеть увеличенное расстояние и всё ещё восстанавливать сигнал в канале.

Как бы вы подошли к исследованию максимальной длины трассы печатной платы, которую вы можете допустить в этом канале? На самом деле не существует единого максимального значения длины трассы печатной платы для любого стандарта сигнализации по нескольким причинам. Вместо этого нам нужно смотреть на потери в канале по мере распространения сигнала. В этом конкретном компоненте ответ оказался довольно удивительным. Читайте дальше, чтобы узнать больше.

Ответ: Рассмотрим общие потери

Максимальная длина дорожки печатной платы, которую вы можете разместить между двумя компонентами, зависит от множества факторов. К ним относятся:

• Протокол сигнализации: Стандарты сигнализации определяют минимальный уровень производительности, к которому должно быть разработано соединение. Эти требования не гарантируют работоспособность конструкции, но они дают вам базовую точку для целей проектирования.
• Спецификации компонентов: Некоторые компоненты могут превосходить требования вашего стандарта сигнализации, но это все равно не гарантирует работоспособность канала.
• Ламинат печатной платы и потери: Все потери в ламинате печатной платы будут снижать амплитуду сигнала и вызывать искажения, поэтому эти источники потерь необходимо учитывать при определении длины дорожки.
• Сдвиг и фазовые искажения: Сдвиг может накапливаться в некоторых случаях в зависимости от пути маршрутизации из-за эффекта волоконной текстуры. Это в основном проблематично в части сигнала, занимающей частоты около 20 ГГц и выше, что вызывает фазовые искажения сигнала.

Потери накапливаются вдоль дорожки

Учитывая все это, давайте посмотрим, где накапливаются потери в канале. На изображении ниже показаны общие потери на нашем примере канала. Некоторые из этих потерь были объединены вдоль длины трасс. Независимо от того, откуда происходят потери, мы просто суммируем их все в дБ, и, если хотим, мы можем перевести это обратно в десятичное значение затухания.

Суть в следующем: мне действительно не важно, откуда берутся потери, они все будут складываться, ограничивая мощность, которая достигает приемника. Поскольку сигнал может выдержать только определенное количество потерь, прежде чем он станет невосстанавливаемым, общие потери будут ограничивать длину трассы печатной платы до некоторого максимального значения.

Накопленные потери при вставке

Потери при вставке (указанные в дБ) вдоль отдельной трассы зависят от длины и связаны с длиной и действительной частью постоянной распространения:

До тех пор, пока вы знаете постоянную распространения и длину соединения, вы знаете общие потери; это просто сумма потерь на вставке плюс потери на возврате на каждом интерфейсе вдоль соединения. Если хотите, вы можете изменить это соотношение для потерь на вставке и определить допустимые потери и максимальную длину трассы, при условии, что вы можете определить постоянную распространения.

Что, если указана длина?

Давайте вернемся к исходному вопросу на момент. В этом обмене компонент приемника указал максимальную длину трассы печатной платы в терминах времени, а не в терминах бюджета потерь или буквальной длины трассы. Другими словами, они предполагают, что вы знаете групповую/фазовую скорость (или задержку распространения) для сигналов, проходящих по соединению. Если вы знаете о дисперсии, то вы понимаете, что вам придется делать согласование длины трассы печатной платы в зависимости от частоты, потому что скорость сигнала варьируется в зависимости от частоты.

Независимо от того, указана ли конкретная длина или время, любое из этих значений будет применимо только для определенного ламината ПП и геометрии дорожки. Если вы используете другой материал ламината ПП или геометрию дорожки, значение длины больше не будет действительным, поскольку потери, испытываемые вдоль этой длины дорожки, будут отличаться. В этом случае вам нужно преобразовать указанную максимальную длину дорожки ПП в новую длину дорожки, используя постоянную распространения, соответствующую максимальным потерям на соединении. Вы можете использовать соотношение:

где γ - постоянная распространения для сигнала, а L - значение длины. Здесь я взял действительное значение γ, поскольку это говорит нам о потерях вдоль соединения. Если вы посмотрите на первое уравнение выше, должно быть легко понять, что левая часть - это просто бюджет потерь. Взяв эти значения вместе с соответствующими значениями вашей постоянной распространения, вы получите новую максимальную длину дорожки ПП.

Симуляции и решатели поля могут помочь

На этапе проектирования можно предпринять несколько шагов для увеличения допустимой длины дорожки, чтобы предотвратить чрезмерные потери:

• Используйте материалы с меньшими потерями, такие как ламинат на основе ПТФЭ
• Выберите разъем с меньшими потерями
• Удалите лишние переходные отверстия и произведите обратное сверление "хвостов" переходных отверстий
• Попробуйте изменить геометрию дорожки так, чтобы потери были меньше

Если вам заданы ограничения по времени или длине для вашего соединения, вам просто нужно знать постоянную распространения старого и нового соединения, чтобы определить новую длину. Если вы используете Altium Designer, вы можете использовать менеджер стека слоев для расчета задержки распространения для ваших сетей с контролируемым импедансом, и вы можете использовать это для установки ограничения по длине дорожки для соответствующих классов сетей.

Для более сложных расчетов, включающих извлечение S-параметров, пользователи Altium Designer® могут использовать расширение EDB Exporter для импорта своего проекта в полевые решатели Ansys. Это простой способ квалифицировать проект с помощью мощного приложения для расчета полей перед началом прототипирования.

Когда вы закончили свой проект и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365 упрощает сотрудничество и обмен проектами. Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете посмотреть страницу продукта для более подробного описания функций или один из Вебинаров по Запросу.