Окончательное введение в высокоскоростную целостность сигналов для разработчиков печатных плат

Основы целостности сигнала

Целостность сигнала относится к качеству и надежности электрических сигналов при их прохождении через печатную плату (PCB). В дизайне высокоскоростных печатных плат поддержание целостности сигнала критически важно, поскольку даже незначительные искажения сигнала могут привести к повреждению данных, ошибкам связи и общему сбою системы. Факторы, такие как несоответствие импедансов, перекрестные помехи, отражения сигнала и колебания питания, могут значительно повлиять на целостность сигнала, что требует тщательного проектирования и анализа.

Понимание импеданса в печатных платах

Импеданс, в контексте дизайна печатных плат, это сопротивление, с которым сталкивается переменный ток при прохождении через цепь. Этот импеданс формируется различными факторами, включая ширину и толщину дорожек, тип диэлектрического материала, используемого между этими дорожками, и общую конфигурацию слоев печатной платы. Для приложений высокоскоростных печатных плат поддержание равномерного импеданса критически важно для избежания отражений сигнала и для обеспечения надежной передачи данных.

Для обеспечения постоянства импеданса в дизайне высокоскоростных печатных плат применяются несколько стратегических техник:

• Управляемые Импедансные Дорожки: Инженеры проектируют геометрию дорожек — в частности, их ширину и расстояние между ними — для достижения целевых значений импеданса. Для моделирования и проверки этих уровней импеданса до начала производства используются передовые инструменты симуляции. Например, требование к проектированию может заключаться в установлении импеданса 50 Ом для определенных сигнальных дорожек. С помощью симуляций размеры дорожек тонко настраиваются для того, чтобы последовательно соответствовать этой спецификации.

• Дифференциальные Пары: Для надежной передачи высокоскоростных сигналов сигналы часто маршрутизируются как дифференциальные пары, которые включают одновременную передачу двух дополняющих друг друга сигналов. Эта конфигурация не только стабилизирует импеданс, но и помогает снизить уровень шума. Распространенное применение находится в технологиях USB 3.0, где дифференциальные пары улучшают целостность сигнала и уменьшают электромагнитные помехи.

• Выбор Материала: Выбор материала подложки может значительно повлиять на стабильность импеданса. Выбор материалов с постоянными диэлектрическими свойствами обеспечивает, что импеданс не будет изменяться по всей печатной плате. Например, стандартный материал FR4, известный своей стабильной диэлектрической постоянной, часто выбирается для поддержания однородности импеданса по всей плате (для дорожек, которые не слишком длинные).

Редактор стека печатной платы в Altium Designer с интегрированным решателем электромагнитного поля

Отражение и Завершение Сигнала

Отражение сигнала происходит, когда сигнал встречает на своем пути несоответствие импедансов, вызывая отражение части сигнала обратно к источнику. Это отражение может исказить сигнал, вызвать ошибки данных и снизить общую целостность сигнала. Распространенные причины несоответствия импедансов включают резкие изменения ширины дорожки, переходные отверстия (виас) и разъемы.

Техники терминирования используются для согласования импеданса передающей линии с нагрузкой, тем самым минимизируя отражения:

• Последовательное терминирование: Это включает в себя размещение резистора последовательно с сигналом рядом с источником. Это простой и эффективный метод для коротких дорожек. Например, последовательный резистор на 33 ома может использоваться в интерфейсе высокоскоростной памяти для согласования импеданса дорожки и предотвращения отражений.

• Параллельное терминирование: Резистор размещается в конце дорожки для согласования импеданса линии. Этот метод обычно используется для более длинных дорожек и дифференциальных пар. Например, в длинных передающих линиях внутри печатной платы параллельный резистор на 50 ом может завершать дорожку и устранять отражения.

• AC Терминирование: Этот метод сочетает в себе резистивные и емкостные элементы для согласования импеданса на различных частотах. Например, AC терминирование может использовать 50-омный резистор, подключенный параллельно с конденсатором, для завершения высокоскоростных сигналов часов, обеспечивая согласование в широком диапазоне частот (с частотой среза (fc), где импеданс сети терминирования совпадает с импедансом линии передачи, определяется следующей формулой: fc=1/2πRC)

Инструмент Signal Integrity в Altium Designer позволяет разработчикам указывать подходящее терминирование трасс

Выбор материала печатной платы для высокоскоростных конструкций

Диэлектрическая постоянная (Dk) и тангенс угла потерь (Df) материалов печатных плат являются критическими факторами для поддержания целостности сигнала. Dk влияет на скорость распространения сигналов, в то время как Df влияет на потери сигнала на расстоянии. Для высокоскоростных конструкций предпочтительны материалы с низким Dk и низким Df, чтобы минимизировать искажение и потери сигнала.

Ключевые свойства материалов, влияющие на целостность сигнала, включают:

• Термическая стабильность: Материалы с высокой термической стабильностью обеспечивают стабильную работу при различных температурах. Например, материалы High-Tg FR4 часто используются в высокоскоростных конструкциях для обеспечения стабильной работы в условиях колебаний температур.

• Низкое поглощение влаги: Материалы, поглощающие меньше влаги, сохраняют постоянные диэлектрические свойства, что критически важно для высокоскоростных сигналов. Например, материалы вроде Rogers 3003, которые имеют низкое поглощение влаги, используются в высокоскоростных конструкциях для обеспечения сохранности целостности сигнала даже во влажных условиях.

• Механическая прочность: Прочные материалы выдерживают механические напряжения во время производства и эксплуатации, сохраняя пути сигналов. Полиимид является примером, и его часто выбирают для гибких печатных плат из-за его отличной механической прочности и стабильности.

Выбор материала печатной платы в продвинутом менеджере слоев Layer Stack Manager в Altium Designer

Энергетическая целостность и ее влияние на целостность сигнала

Энергетическая целостность относится к стабильной подаче энергии ко всем компонентам на печатной плате. Недостаточная энергетическая целостность может привести к колебаниям напряжения, которые, в свою очередь, вызывают проблемы с целостностью сигнала, такие как дрожание, шум и ошибки времени. Поддержание надежной энергетической целостности критически важно для обеспечения общей целостности сигнала в высокоскоростных конструкциях.

Техники обеспечения энергетической целостности:

• Разделительные Конденсаторы: Эти конденсаторы, размещенные рядом с питающими выводами интегральных схем, фильтруют помехи и обеспечивают стабильное питание. Например, разделительный конденсатор на 0,1 мкФ, установленный рядом с выводом питания высокоскоростного FPGA, может фильтровать высокочастотные помехи и обеспечивать стабильное напряжение питания.

• Силовые Плоскости: Специализированные силовые плоскости снижают импеданс и обеспечивают стабильную опору напряжения для высокоскоростных сигналов. Например, многослойная печатная плата может включать отдельные плоскости питания и земли для снижения импеданса и обеспечения постоянной подачи питания к высокоскоростным компонентам.

• Правильное Заземление: Обеспечение пути с низким импедансом для возвратных токов снижает помехи и улучшает целостность сигнала. Непрерывная земляная плоскость под слоями сигналов может обеспечить путь с низким импедансом для возврата, снижая помехи и улучшая целостность сигнала.

Анализатор Мощности от Keysight в Altium Designer

Заключение

Поддержание целостности высокоскоростных сигналов при проектировании печатных плат включает в себя контроль импеданса, отражение сигнала, выбор материала и целостность питания. Эти техники позволяют инженерам создавать надежные высокоскоростные печатные платы, которые обеспечивают точную передачу данных и надежную работу системы. С тщательным планированием, моделированием и сотрудничеством с производителями, дизайнеры могут эффективно решать проблемы высокоскоростных печатных плат.

Предстоящее расширение Анализатор сигналов от Keysight в Altium Designer предлагает продвинутые инструменты анализа для решения проблем с целостностью сигнала, предоставляя ценные данные для проектирования высокоскоростных печатных плат с уверенностью и точностью. Если вы хотите узнать больше об этой функции, посмотрите наше вводное видео здесь.