ЭМП в вашем высокоскоростном дизайне печатной платы: Понимание времени нарастания сигнала

Сегодняшние дети не имеют представления о том, почему электромагнитное взаимодействие сигналов между близлежащими цепями называется "перекрестными помехами". Во времена, когда телефоны подключались к стене и не имели сенсорного экрана или доступа в интернет, было возможно услышать тихие шепоты других разговоров, просачивающиеся в вашу телефонную линию. Высокоскоростные печатные платы сталкиваются с той же проблемой перекрестных помех, и это связано с поведением цифровых сигналов, распространяющихся по дорожкам на плате.

Понимание перекрестных помех и ЭМИ в целом, будь то внутри печатной платы или из какого-либо внешнего источника, требует понимания взаимодействия сигнала в одной дорожке с другой. Если вы можете оценить перекрестные помехи в реальном высокоскоростном дизайне, легко определить, как должен измениться дизайн, чтобы уменьшить ЭМИ и перекрестные помехи. Существует несколько общих правил, которые хорошо работают на дизайнах средней скорости, но использование симуляций помогает лучше понять, как ваш высокоскоростной дизайн будет испытывать перекрестные помехи, прежде чем вы приступите к изменению платы.

Разбор термина "Высокоскоростной дизайн"

Мы уже упоминали об этом на нашем блоге, но стоит повторить и здесь: высокоскоростной дизайн не означает высокую частоту тактирования или высокую скорость передачи данных. Высокоскоростные сигналы имеют быстрое время нарастания, то есть быстрый переход между двумя уровнями напряжения. То же самое относится к многоуровневым сигналам, где происходит очень быстрый переход между различными уровнями сигнала. Более быстрое время нарастания/спада сигнала может создавать более сильные проблемы с электромагнитными помехами, особенно перекрестные помехи, в различных частях печатной платы. Это верно даже если частота системного такта довольно низкая. Более высокая частота тактирования просто означает, что любые помехи из-за ЭМИ будут возникать чаще.

Основные проблемы с ЭМИ в высокоскоростном дизайне включают:

• Перекрестные помехи, в основном из-за индуктивной связи на низких частотах и из-за емкостной связи на значительно высоких частотах
• Излучаемые ЭМП, когда ЭМП от цифровых сигналов излучается на широком диапазоне частот, начиная от постоянного тока до множества гармоник системного тактового сигнала
• Сбои в шине питания, которые включают отскок питания и отскок мощности, создавая пульсации в постоянном токе, измеряемые между шинами питания и землей
• Проводимые ЭМП, когда шум на одном соединении передается в другой компонент, цепь или соединение, хотя это менее проблематично для цифровых компонентов

Обратите внимание, что те же эффекты возникают при маршрутизации пар с дифференциальным сопротивлением, что приводит к дифференциальным перекрестным помехам и ЭМП. Эти аспекты ЭМП в высокоскоростных цифровых печатных платах связаны со временем нарастания/спада перехода сигнала.

ЭМП и скорость коммутации

Это все относится к скорости переключения сигнала на печатной плате. Эти аспекты ЭМП становятся сложными в высокоскоростном дизайне из-за полосы пропускания типичного цифрового сигнала. Мощность в цифровом сигнале сосредоточена от постоянного тока до очень высоких (технически бесконечных) частот. В частности, грубое приближение заключается в том, что 70% мощности сосредоточено от постоянного тока до частоты излома, которая равна примерно одной трети обратного значения времени нарастания/спада сигнала (от 10% до 90%).

Плотность спектральной мощности примера цифрового сигнала.

Все это означает, что при более быстром времени нарастания ЭМП становится более интенсивной. Поскольку в любой ситуации вы обычно не можете просто выбрать более медленные компоненты, разработчикам необходимо предпринять некоторые простые шаги для подавления ЭМП в высокоскоростном дизайне.

Аналоговая сигнализация высокой частоты против цифровой сигнализации высокой скорости

Многие инженеры, которым я преподавал в прошлом, не воспринимают цифровые сигналы как волны, а скорее рассматривают их как включенные или выключенные, где электрическое поле существует повсюду вдоль соединения, по которому передается цифровой сигнал. При очень небольших длинах соединений это технически верно, но это не означает, что короткие соединения излучают больше или меньше электромагнитных помех (ЭМП). Возрастающий переход сигнала все равно создает ЭМП в диапазоне частот, а не на одной частоте.

По сравнению с цифровыми сигналами, аналоговые сигналы просты. Основной фактор, о котором следует беспокоиться, это частота сигнала и задержка распространения из-за конечной скорости электромагнитных волн. Сравнение периода колебаний (т.е. обратной величины частоты сигнала) и задержки распространения в данном соединении определяет, нужно ли вам беспокоиться о поведении линии передачи и становится ли критически важным завершение трассы.

Возможные решения: Волшебного пули нет

Хотя ЭМП в цифровой передаче высокой скорости полностью устранить нельзя, его можно подавить с помощью ряда методов:

• Размеры дорожек: Прокладка критически важных дорожек непосредственно над земляным слоем и использование чуть более широких дорожек снижает индуктивность петли, что уменьшает количество генерируемых и принимаемых перекрестных помех
• Заземленная медь: Заземленную дорожку можно проложить между агрессивной и пострадавшей дорожками на печатной плате, что может обеспечить примерно 20 дБ снижения перекрестных помех. Обратите внимание, что эта заземленная дорожка должна соответствовать земляному контуру как для агрессивной, так и для пострадавшей дорожек. Заземленное заливание полигоном также может быть использовано для заполнения пространства между дорожками и различными блоками схемы.
• Структуры изоляции: Некоторые уникальные структуры на поверхностном слое печатной платы могут обеспечивать изоляцию на очень высоких частотах. Эти структуры могут быть такими простыми, как заземленные медные стенки вокруг критически важных блоков схемы, или сложными структурами электромагнитной запрещенной зоны, используемыми в современных смартфонах.
• Внутренние слои: Не бойтесь прокладывать дорожки на внутренних слоях, но обязательно применяйте правила проектирования контроля импеданса, чтобы убедиться, что внутренние стриплайны будут иметь правильный импеданс.

Синяя печатная плата с плотными дорожками

Попытки подавить ЭМП в высокоскоростных конструкциях из-за перекрестных помех представляют собой ряд вызовов. К счастью, вы можете убедиться, что ваша трассировка не будет испытывать чрезмерных перекрестных помех, если используете лучшие в отрасли инструменты проектирования печатных плат, доступные в Altium Designer^®. Вы получите доступ к лучшим инструментам проектирования и размещения печатных плат, которые помогут автоматизировать трассировку и документацию по плате, а также к инструментам анализа целостности сигнала, которые помогут вам проектировать с учетом устойчивости к ЭМП.

Если вас интересуют возможности трассировки в Altium Designer, скачайте бесплатную пробную версию. Свяжитесь с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше.