Советы и рекомендации по проектированию высокоскоростных печатных плат

В этой статье мы рассмотрим несколько советов и рекомендаций по разработке высокоскоростных печатных плат.

Когда речь заходит о высокоскоростных конструкциях, нас обычно волнуют две области. Первая из них - это целостность сигнала (SI), и проблемы, связанные с перекрестными помехами из-за расстояния между дорожками, отражениями из-за несоответствия импедансов, ослаблением сигнала и проблемами, такими как звон. Конечно, мы хотели бы свести эти проблемы к минимуму по максимуму наших возможностей. Во-вторых, нас беспокоит электромагнитное вмешательство (EMI).

Прежде чем мы начнем, я должен порекомендовать фантастическое видео на YouTube-канале Altium от Рика Хартли о правильном проектировании печатных плат и о том, как добиться правильного заземления. Темы, подробно рассмотренные в этом видео, особенно важны для высокоскоростных цифровых и аналоговых конструкций. Обязательно посмотрите видео здесь.

Что такое "высокоскоростной" дизайн печатной платы?

Прежде чем мы перейдем к этим советам и рекомендациям по дизайну и компоновке высокоскоростных печатных плат, давайте посмотрим, когда нам действительно нужно беспокоиться обо всем этом!

Допустим, например, что в нашем проекте есть сигнал тактовой частоты 100 МГц, и мы наивно предполагаем, что это самая высокая частота в нашей системе. Оказывается, что проблема не в том, что сигнал тактовой частоты имеет основную частоту 100 МГц, а в том, что проблемы нашего проекта возникают из-за времени нарастания и спада этого почти квадратного сигнала тактовой частоты.

Эти резкие переходы от цифрового низкого к цифровому высокому уровню (или наоборот) содержат гораздо более высокочастотные составляющие, чем основная частота. Зная время нарастания и спада сигнала (в зависимости от того, какое из них быстрее), мы можем приблизительно рассчитать максимальную частоту в сигнале (или, скорее, полосу пропускания) с использованием следующей формулы:

Например, для сигнала тактовой частоты 100 МГц с временем нарастания 1 нс полоса пропускания этого сигнала составляет 500 МГц — довольно значительная разница!

Когда длина дорожки печатной платы превышает 1/12 длины волны в диэлектрике, нам нужно начать рассматривать наш проект печатной платы гораздо более детально. Это тот момент, когда наши дорожки начинают выглядеть как линии передачи с распределенной длиной, а не как сосредоточенные элементы. Мы называем эту длину «критической длиной».

Совет №1: Ссылочные плоскости

Мы всегда хотим иметь заземляющий слой или соответствующий слой питания рядом с сигнальным слоем, непосредственно под (или над) слоем, по которому проходит дорожка. В некоторых случаях вы можете использовать соответствующий слой питания вместо заземляющего слоя в качестве опоры. Здесь под "соответствующим" подразумевается, что напряжение опорного слоя совпадает с напряжением, от которого производится сигнал. Опорные слои важны не только для поддержания правильных путей возврата и минимизации распространения электромагнитного поля, но и при необходимости контроля импеданса дорожек. 

Для переменного тока, на частотах выше нескольких кГц, путь возврата фактически находится непосредственно под сигнальной дорожкой в опорном слое ниже. Очень важное правило заключается в том, что в опорном слое под дорожками не должно быть разрывов.

Совет №2: Структура платы

Мы хотим иметь заземляющий слой не только рядом с сигнальным слоем, но и рядом со слоем питания. Также хорошей идеей является наличие тонкого диэлектрика между слоями, что, в свою очередь, обеспечивает нам плотное соединение и позволяет использовать более тонкие дорожки для более плотных конструкций.

Более тонкие дорожки дополнительно дают нам больше места для работы и больше пространства между дорожками. Однако имейте в виду, что изготовление тонких дорожек может быть более сложным.

Совет №3: Управляемые линии с контролируемым импедансом

Как только длина нашей линии превышает критическую длину, обсуждаемую во введении этой статьи, нам необходимо контролировать импеданс наших линий. То есть, нам нужно подстроить ширину нашей линии — в зависимости от выбранного нами стека ПП и его построения — чтобы получить определённый импеданс линии передачи. Обычно это будет 50 Ом для однопроводных сигналов. Altium Designer предлагает мощный 2D решатель поля, который может рассчитать необходимую ширину линий в зависимости от вашего стека и построения всего за секунды!

Совет №4: Длина линии, расстояние между линиями и правило 3h

Нам нужно держать высокоскоростные линии как можно короче — это помогает с ЭМП и СИ. Кроме того, мы хотим держать разные высокоскоростные линии как можно дальше друг от друга, чтобы минимизировать перекрёстные помехи.

Кроме того, старайтесь держать высокоскоростные трассы подальше от компонентов, таких как индукторы или силовые части схемы. Типичное эмпирическое правило - это правило 3h, что означает, что трассы должны быть разделены как минимум в три раза большим расстоянием, чем высота диэлектрика между сигнальным слоем и следующим земляным или опорным слоем.

Для высокопроизводительных, высокоскоростных проектов, нам часто требуются инструменты симуляции, чтобы проверить, соответствуют ли мы требуемым параметрам целостности сигнала и ЭМИ.

Altium Designer на Altium 365 предоставляет беспрецедентный уровень интеграции для электронной промышленности, ранее доступный только в мире разработки программного обеспечения, позволяя дизайнерам работать из дома и достигать беспрецедентных уровней эффективности. Также доступно множество учебных материалов по проектированию высокоскоростных печатных плат, содержащих дополнительные рекомендации по проектированию и размещению высокоскоростных печатных плат, которыми вы можете воспользоваться.

Мы только начали раскрывать возможности использования Altium Designer на Altium 365. Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций или один из вебинаров по запросу для получения дополнительной информации о техниках проектирования и размещения высокоскоростных печатных плат.