Управление импедансом при трассировке плат в Altium Designer

Требования к вычислениям и приложения требуют обработки данных на более высоких скоростях, чем когда-либо прежде. По мере заполнения коммуникационных диапазонов и появления на рынке новых компонентов, печатные платы (PCB) будут должны работать на более высоких скоростях передачи данных и частотах. Приложения для сетей и центров обработки данных, такие как 100G и более быстрый Ethernet, а также передовые беспроводные протоколы, такие как 5G и 6G, будут продолжать работать в режиме миллиметровых волн и далее.

Эти факты означают, что проблемы целостности сигнала, такие как перекрестные помехи, ЭМИ, звон и контроль импеданса, становятся всё более критичными в продвинутых дизайнах PCB. Инструменты анализа должны быть способны определять и предоставлять некоторое представление о компенсации проблем целостности сигнала в PCB на этапе проектирования. Никто не хочет получать свою готовую плату от производителя, только чтобы при тестировании обнаружить, что уровни ошибок по битам критически высоки. Вот где становятся критически важными инструменты симуляции, позволяя вам находить источники проблем с целостностью сигнала до того, как ваш продукт выйдет на рынок.

Среда проектирования в Altium Designer^® теперь включает в себя продвинутый 3D решатель поля, который интегрируется с вашим менеджером стека слоев для точного контроля импеданса, извлечения паразитных параметров и расчета задержек распространения. Если вы не знакомы с использованием формул импеданса в продвинутых методах оптимизации, вы можете определить геометрию дорожки, которая вам нужна для контроля импеданса с помощью этого интегрированного инструмента проектирования. Вот как это работает в управляемом правилами рабочем процессе проектирования Altium Designer и как наилучшим образом использовать интегрированный утилит интегрированного 3D решателя поля.

Расчеты импеданса: Формулы против решателей поля

В продвинутых проектах с широкополосными сигналами, такими как каналы с высокой скоростью передачи данных на ламинатах с низкими потерями, дисперсия в диэлектрике является одной из сложностей в проектировании высокоскоростных печатных плат. Формулы импеданса для стандартных геометрий могут служить отличной отправной точкой для определения ширины дорожки, которая вам нужна для контролируемого маршрутизации импеданса. Наиболее точные уравнения получают с помощью конформного отображения и требуют численного метода для извлечения ширины дорожки для заданного импеданса.

Проблема использования этих уравнений заключается в том, что они затрудняют определение оптимальной ширины дорожки для маршрутизации широкополосных сигналов. Вы можете включить дисперсию в уравнение импеданса, но тогда извлеченная ширина дорожки будет функцией частоты, что создает сложную задачу оптимизации для определения лучшей дорожки для минимизации отклонений от целевого импеданса. По этой причине большинство инструментов проектирования печатных плат заставляют вас выбирать представительную частоту для расчета ширины дорожки (обычно это частота Найквиста). Эти другие инструменты проектирования и онлайн-калькуляторы могут не учитывать тангенс угла потерь, потери на скин-эффект и емкостную нагрузку при расчете импеданса.

К этому добавляются другие проблемы, возникающие при проектировании линий передачи для высокоскоростных сигналов, такие как шероховатость меди. Лучший метод определения идеальной ширины дорожки, соответствующей целевому импедансу, - использование интегрированного решателя поля, который включает широкополосную дисперсию, шероховатость меди и потери на скин-эффект. Ваш интерактивный маршрутизатор затем разместит дорожки с подходящей шириной таким образом, чтобы ваши дорожки имели определенное значение импеданса, которое вам нужно.

Настройка расчетов импеданса

Управление импедансом при трассировке в Altium Designer использует интегрированный решатель поля от Simberian. Это начинается после завершения ваших схем, но до того, как вы приступите к размещению компонентов на плате. Вы захотите настроить эту функцию при проектировании стека слоев вашей печатной платы. После создания пустого файла PcbDoc, вы можете перейти в меню «Design» и кликнуть на «Layer Stack Manager». После того как вы закончите создание стека слоев, вы можете начать проводить расчеты импеданса для различных пар слоев. Чтобы получить необходимое значение импеданса для различных пар слоев, вам нужно кликнуть на вкладку Impedance в нижней части окна Layer Stack Manager.

Создание профилей импеданса

Отсюда вы можете создать профили однопроводного импеданса и дифференциального импеданса для различных пар слоев в вашем стеке. Профиль импеданса позволяет вам установить заданный импеданс, и инструмент вернет ширину трассы, которая устанавливает импеданс до желаемого значения. Для дифференциальных сигналов вы можете создать дифференциальный профиль и указать расстояние между парами дифференциальных трасс, и профайлер импеданса вернет необходимую ширину трассы. Вы также можете настроить расстояние до желаемого значения, и профайлер импеданса скорректирует ширину трассы в ответ.

Использование инструмента профайлера импеданса для 10-слойной печатной платы в Altium Designer.

Совмещенный однопроводный и дифференциальный импеданс

При использовании стандартов высокоскоростной дифференциальной передачи сигналов часто требуется установить дифференциальный импеданс на определенное значение, одновременно задавая однопроводный импеданс каждого проводника в паре на свое значение (Ethernet - один из примеров). Для этого можно создать два профиля импеданса для соответствующих сигналов; один однопроводный и другой дифференциальный. Это происходит следующим образом:

1. Создайте профиль однопроводного импеданса, чтобы определить необходимую ширину для контроля импеданса в однопроводных сетях.
2. Создайте профиль дифференциального импеданса и установите желаемые значения импеданса и допуска.
3. Скопируйте ширину, определенную в профиле однопроводного импеданса, в профиль дифференциального импеданса на том же слое.
4. Вручную отрегулируйте расстояние до тех пор, пока дифференциальный импеданс не достигнет желаемого значения.

На изображении ниже показан этот тип контроля импеданса, где дифференциальный импеданс и однопроводный импеданс для дифференциального профиля соответствуют 85 Ом и 50 Ом соответственно.

Определение профилей маршрутизации с контролируемым однопроводным и дифференциальным импедансом в Altium Designer.

Теперь, когда соответствующие профили импеданса определены, пришло время включить их как правила проектирования для маршрутизации с контролируемым импедансом.

Использование правил проектирования для контроля импеданса

Однопроводные сети

Правила проектирования, которые вы определите далее, укажут необходимую ширину для поддержания требуемого импеданса. Чтобы начать настройку правил проектирования, откройте «Редактор правил и ограничений печатной платы». Кликните на меню «Проект» и затем выберите опцию «Правила». Если вы посмотрите на список с левой стороны редактора, вы увидите запись для «Трассировки». Кликните на Трассировка -> Ширина. На изображении ниже включен профиль однопроводного импеданса (профиль с именем S50), который заставит маршрутизатор размещать дорожки с шириной, определенной в вашем профиле импеданса.

Настройка управления импедансом в Altium Designer.

В этом диалоге есть два важных момента. Во-первых, вы можете выбрать применение контроля импеданса к дорожкам на конкретных слоях сигналов или с конкретными сетями сигналов. Здесь это было применено к "NetR_BIAS_1", который является однопроводной сетью (выбрано в верхней части диалога). Во-вторых, вы также можете применить профиль импеданса как общее правило проектирования ко всем сетям на всех слоях, выбрав опцию "Все сети". Эту опцию также можно применить к классу сетей, что автоматически применит правило к нескольким сетям в одном классе.

Обратите внимание, что в таблице в нижней части диалогового окна вы можете видеть, какие слои активированы в профиле импеданса. Здесь правило будет применяться только к верхнему слою (TopLayer) и нижнему слою (BottomLayer) во время трассировки. Чтобы активировать другие сигнальные слои, вернитесь в Менеджер Стека Слоев и откройте вкладку Импеданс. Отсюда вы можете активировать другие слои, где вы хотите применить это правило проектирования.

Дифференциальные Пары

Чтобы применить профиль дифференциального импеданса, перейдите в опцию Маршрутизация -> Маршрутизация Дифференциальных Пар в редакторе Правил и Ограничений ПП. Отсюда вы можете активировать профиль дифференциального импеданса, который вы настроили в менеджере стека слоев. В этом случае, когда вы используете интерактивный маршрутизатор для дифференциальных пар, маршрутизатор будет обеспечивать соблюдение требуемой ширины трассы и расстояния между трассами, которые вы определили в профиле импеданса.

Ниже показано изображение из редактора Правил и Ограничений ПП, где к дифференциальному профилю импеданса было применено правило, устанавливающее импеданс всех пар в классе Дифференциальных Пар равным 90 Ом.

Так же, как правило может быть применено к конкретным однопроводным сетям или классам сетей, управление дифференциальным импедансом может быть наложено на конкретные дифференциальные пары или классы дифференциальных пар, как показано выше. Вы можете выбрать конкретные сети или классы, к которым будет применяться это правило, в верхней части диалогового окна Правила и Ограничения PCB. Вы также можете включить конкретные слои, где будет применяться правило контроля дифференциального импеданса, так же, как это было сделано для однопроводных сетей.

Пора начинать трассировку

Теперь, когда стек слоев завершен и контроль импеданса включен через ваши правила проектирования, вы можете начать трассировку на макете печатной платы. Используя интерактивный маршрутизатор, вы заметите, что в строке состояния внизу экрана при трассировке появляется надпись "[Ширина от: Предпочтительное правило]". Ваши дорожки будут отображаться на плате с предопределенной шириной (и определенным расстоянием для дифференциальных пар).

Контроль импеданса автоматически определяет ширину вашей дорожки при трассировке

При использовании инструментов трассировки на сетях с контролируемым импедансом (как однопроводных, так и дифференциальных) инструмент трассировки автоматически будет придавать приоритет установленной вами ширине в правилах проектирования. Нет необходимости вручную корректировать ширину. Однако, если вы хотите применить другую ширину, существует несколько вариантов, таких как определение альтернативных ограничений приоритета по слоям или определение ограничений на основе помещений для конкретных сетей. Это позволит вам изменить ограничение ширины в различных регионах печатной платы, которое будет автоматически применено интерактивным маршрутизатором.

Наконец, трассировка с контролируемым импедансом на вашей печатной плате не будет точной, если вы не проведете симуляции целостности сигнала, чтобы определить подходящую ширину ваших дорожек. Некоторые из этих аспектов можно исследовать в Altium Designer, в то время как другие требуют внешнего программного обеспечения. Некоторые важные метрики целостности сигнала, которые вы можете рассмотреть, включают:

• Волновую форму отражения TDR
• Волновую форму ответа одиночного бита
• S-параметры (S11 и S21)
• Диаграммы глазков для высокоскоростных последовательных данных
• Преобразование режима (для дифференциальных пар)

В Altium Designer можно исследовать большие несоответствия импеданса на приемном конце интерконнекта, рассматривая волновую форму отражения. Это будет однобитовая волновая форма ответа, упомянутая выше. Это позволяет идентифицировать колебания и потенциальную возможность превышения верхнего/нижнего предела диапазонов напряжения для логического состояния ВЫСОКОГО. Для этого правильно требуется точно описать интерфейс для ваших сигнальных контактов, что требует знания семейства логики контакта или использования модели IBIS. Некоторые производители предоставляют модели IBIS для загрузки и использования в анализаторах целостности сигнала во временной области, таких как функция анализа целостности сигнала в Altium Designer.

Движок проектирования на основе правил в Altium Designer упрощает реализацию схемы управления импедансом с контролируемым маршрутизированием. Если у вас есть существующий дизайн с проблемами целостности сигнала, симулятор целостности сигнала может пройти через возможные схемы завершения и показать вам результаты, позволяя вам выбрать правильную схему для завершения ваших трасс.

Обратитесь к эксперту Altium сегодня, чтобы узнать больше о инструментах маршрутизации и целостности сигнала в Altium Designer.