Сигналы на печатных платах: ключевые элементы проектирования высокоскоростных печатных плат

• Понимание задачи
  • Сколько времени слишком много?
  • Соответствие импедансов
  • Куда течет возвращенная энергия?
  • Дифференциальные пары
  • Что насчет vias?
  • Перекрестные помехи
  • Танец во времени
  • Плата
    • Материалы
    • Слои
    • Возможные комбинации слоев
       

Понимание задачи

Цель этой статьи — представить ключевые элементы разработки высокоскоростных схем и обсудить, как каждый из этих элементов решается в Altium Designer. Эта статья не претендует на полный обзор разработки высокоскоростных схем; для этого существует множество опытных и ученых дизайнеров и инженеров, которые написали отличные справочные статьи и книги по этой теме. Ознакомьтесь с разделом Справочные материалы для ссылок на этих авторов и статьи, использованные в процессе исследования для этой статьи.

Так что же делает проект печатной платы (PCB) проектом высокоскоростной разработки? Конечно, это связано с тем, что процессы происходят быстро, но это не только о тактовой частоте, используемой на плате. Проект становится высокоскоростным, когда он включает в себя устройства с быстрыми фронтами — устройства, которые переключаются настолько быстро, что переход завершается до того, как сигнал успеет пройти по маршруту и достичь целевого контакта. В такой ситуации сигнал может отразиться обратно к исходному контакту, ухудшая или разрушая исходные данные сигнала. Сигнал с быстрым фронтом также может излучать из маршрута и влиять на соседние маршруты или излучать дальше и превращаться в электромагнитные помехи (ЭМП), что приведет к тому, что продукт не будет соответствовать обязательным стандартам эмиссии.

Когда сигнал имеет быстрые фронты, это меняет способ, которым энергия распространяется по маршрутам. В цепи, где скорость изменения фронтов сигнала медленная, можно представить себе, что энергия течет через маршруты как вода по трубе. Да, часть энергии теряется из-за трения, когда вода проходит по трубе, но в целом большая часть энергии доходит до другого конца. Для цепи с постоянным током или низкой частотой переключений можно рассчитать сопротивление маршрута и убедиться, что потеря энергии по пути не влияет на работу схемы.

В высокоскоростной разработке все не так просто, потому что помимо энергии, которая течет как электроны через медь маршрутов, в быстро переключающемся сигнале часть этой энергии также распространяется как электромагнитная энергия вокруг медных проводников маршрутов. Теперь вы уже не проектируете медные пути для электронов; вы проектируете серию линий передачи, встроенных в печатную плату.

Какая длина считается слишком большой?

По мере увеличения скорости переключения фронта сигнала, энергия, проходящая по маршруту, ведет себя иначе. Она больше не перемещается как вода в трубе. Вместо этого большая часть энергии концентрируется на самой поверхности маршрута (это называется скин-эффектом), при этом часть энергии фактически передается в виде электромагнитного излучения. Не перемещаясь через сам проводник, эта электромагнитная энергия передается через материал вокруг маршрута. Как при ведении ноги через воду, когда энергия перемещается таким образом, сигнал на самом деле замедляется. Теперь именно свойства материала вокруг маршрута определяют, насколько быстро будет передаваться сигнал и насколько его прибытие будет задержано.

Итак, когда это становится проблемой, время, необходимое сигналу для распространения по маршруту к целевому контакту? Как волна, ударяющая о стену, когда сигнал достигает целевого входного контакта, часть энергии в сигнале отражается обратно к исходному контакту. Если эта отраженная энергия возвращается к исходному контакту, пока край сигнала еще переходит, оригинальный сигнал будет достаточно сильным, чтобы подавить отражение, поскольку он завершает свой переход, и ваш сигнал будет в порядке. Но если переход края завершается до того, как отраженная энергия возвращается, подобно эху в каньоне, эта отраженная энергия будет взаимодействовать с оригинальным сигналом и изменять его, возможно, настолько, что вы не сможете разобрать, что именно было крикнуто в каньон.

Конструирование высокоскоростных печатных плат

Простые решения для сложных задач проектирования высокоскоростных печатных плат

Изучите предлагаемые решения

Подводя итог, когда время в пути вдоль этого кругового маршрута равно или превышает время нарастания сигнала, целостность этого сигнала под вопросом, и ваша разработка теперь является разработкой для высокоскоростных устройств! Длина этого маршрута называется критической длиной - маршруты короче этой длины не должны испытывать проблем с целостностью сигнала, в то время как маршруты длиннее этой могут.

Для анализа вашего проекта часто используется общее правило ¹/₃ времени нарастания, согласно которому, если трасса длиннее, чем ¹/₃ времени нарастания, могут возникнуть отражения. Например, если время нарастания сигнала на исходном выводе составляет 1 нСек, то трасса длиннее 0,33 нСек - что примерно равно 2 дюймам в FR4 - должна рассматриваться как линия передачи и, следовательно, как кандидат на проблемы с целостностью сигнала.

Исходя из того, что диэлектрическая проницаемость ε_R FR4 равна 4, скорость сигнала в FR4 определяется как:

V_p(FR4) = (299.792458 / √4) мм/нс

              =149.89 мм/нс (примерно 6 дюймов/нс)

Для FR4 длина маршрута, при которой необходимо учитывать эффекты передачи линии, может быть рассчитана как:

L_R ≥ T_R × 49.965 мм

Если T_R = 1нс

L_R ≈ 50 мм (2 дюйма)

Если T_R = 100пС

L_R ≈ 5 мм (0,2 дюйма)!! На плате с сигналами, переключающимися на этих скоростях, большинство трасс будут линиями передачи.

Согласование импедансов

Поскольку невозможно обеспечить, чтобы все трассы были короче критической длины, как же вы можете гарантировать, что информация, закодированная в ваших сигналах, будет принята корректно и не будет заглушена отражениями? Вы делаете это, минимизируя количество энергии, отраженной обратно. Идеально, вы хотите, чтобы вся энергия, прибывшая к целевому входному контакту, прошла в этот компонент и ничего не было отражено обратно. Как же добиться этого?

Чтобы предотвратить отражения, необходимо продумать и спроектировать трассировку, как если бы она была линией передачи. Почему? Потому что линия передачи обладает особым свойством: когда она завершается импедансом, равным собственному импедансу, энергия не отражается. Теперь у вас есть метод обработки тех трасс, которые длиннее критической длины; трассируйте их как линию передачи. Это означает, что вы трассируете их так, чтобы они имели определенный импеданс, а затем завершаете их тем же импедансом.

Импеданс трассировки определяется размерами трассировки (шириной и высотой трубы) и свойствами и размерами окружающих материалов, которыми будут окружающий воздух или диэлектрические слои. Чтобы функционировать как линия передачи, слой, прилегающий к слою сигнала, должен быть плоским слоем. Тщательно организуя слои в стеке слоев и рассчитывая размеры и свойства, можно достичь определенного импеданса для трассировки. Такой подход к трассировке называется трассировкой с контролируемым импедансом, где целевой импеданс поддерживается постоянным, а размеры и свойства материала выбираются и корректируются для достижения этого.

Для достижения контролируемого импеданса печатной платы недостаточно только трассировки. Здесь две составляющие задачи - контроль импеданса трассировки и согласование этого импеданса с контактами в сети. Для достижения такого согласования часто требуется добавление компонентов завершения. Завершающие компоненты могут быть добавлены рядом с исходным контактом или рядом с целевым контактом. Хороший подход к определению необходимости завершения для высокоскоростной сети - анализ дизайна с помощью симулятора целостности сигнала. В отличие от симулятора схем, который моделирует и симулирует поведение и взаимодействие компонентов, симулятор целостности сигнала моделирует поведение трассировки и ее взаимодействие с контактами компонентов. Для симуляции целостности сигнала компоненты моделируются только с точки зрения характеристик ввода/вывода их контактов.

Инструмент анализа целостности сигнала должен:

• Определять сети, которые могут иметь неприемлемые уровни отражений (звон)
• Прогнозировать потенциальные уровни отражения сигнала и перекрестных помех в виде волновых форм
• Позволять проводить анализ "что если" для потенциальных компонентов завершения и помогать выбирать подходящие компоненты завершения

Серия наложенных волновых форм, которые представляют поведение сети при просмотре диапазона возможных значений завершения. Слева - без завершения, справа - с теоретическим последовательным завершителем на 40 Ом.

Куда течет возвращаемая энергия?

Но подождите, это еще не все (или это Мур?). Электрическая энергия течет только тогда, когда существует замкнутый контур, так что энергия, течущая вдоль маршрута сигнала, также должна иметь путь возврата. Этот путь возврата обычно обеспечивается заземляющими трассами, которые должны предоставлять путь возврата для всех сигналов в конструкции. Существует интересное явление, происходящее с сигналами с быстрыми переключающими краями. Возвращаемая энергия сигнала стремится течь обратно по тому же извилистому и поворотному пути, который маршрут сигнала принял на плате. Почему? Потому что это путь наименьшего импеданса для этого сигнала. Хотя она могла бы течь по кратчайшему расстоянию от целевого компонента обратно к исходному компоненту, она этого не делает.

Когда высокоскоростной сигнал пересекает разрыв в плоскости, создается петля, вызывающая появление ЭМИ у этого сигнала.

Таким образом, помимо продумывания пути для сигнала, вы также должны убедиться, что существует непрерывный путь для возвратного тока непосредственно под маршрутом сигнала. Если возвратной энергии приходится отклоняться от пути под сигналом, чтобы обойти препятствие, например, отверстие в плате (пробой), то создается петля. Петля - это разрыв между двумя путями, когда вы смотрите внутрь платы, и площадь этой петли пропорциональна количеству энергии, которое теперь будет излучаться этим сигналом. Если в плате есть неизбежный пробой, рассмотрите возможность перенаправления трассы сигнала так, чтобы она соответствовала пути возврата, поскольку уменьшение площади петли обычно считается более важным, чем минимизация длины маршрута.

Дифференциальные пары

Современные технологии сигнализации, такие как дифференциальные пары, помогают уменьшить необходимость в высококачественной возвратной плоскости, путем маршрутизации пути сигнала и возвратного пути вместе как пары, обеспечивая их тесную связь как по разделению, так и по общей длине. Помимо сильной связности и уменьшенной зависимости от высококачественной опорной земли, дифференциальные пары предлагают еще одно большое преимущество - отличную устойчивость к помехам.

Электромагнитная энергия, которая перемещается по маршруту как часть каждого сигнала, не полностью связывается с целевым входным контактом; часть её уходит и мешает соседним сигналам. Эта ушедшая энергия становится тем, что называется электромагнитными помехами (EMI), и когда она связывается с соседним сигналом, это создаёт то, что называется перекрёстными помехами. Дифференциальные пары хорошо справляются с перекрёстными помехами, потому что излучаемая энергия связывается как с исходящим сигналом, так и с возвращаемым сигналом, создавая то, что называется шумом общего режима (шум общий для обоих путей сигнала). Если бы был только один сигнал, эти перекрёстные помехи добавились бы к этому сигналу и исказили его. Но входные контакты дифференциальной пары разработаны так, чтобы смотреть на разницу между контактами в паре, и поэтому способны отклонять шум общего режима.

Эти два качества - способность точно согласовывать длины сигнала и его возвратного пути, а также способность выдерживать воздействие перекрёстных помех - делают дифференциальные пары предпочтительным решением для высокоскоростной передачи сигналов, которая может поддерживать скорости передачи данных свыше 10 Гб/с на печатной плате.

Что насчет переходных отверстий?

Если тщательный контроль импеданса и обеспечение высококачественного возвратного пути являются первыми двумя сторонами треугольника высокоскоростного дизайна, то переходные отверстия являются третьей стороной этого треугольника. На низких частотах переходное отверстие мало влияет на качество сигнала и может использоваться без учета его воздействия на производительность схемы. Однако, если ваша конструкция функционирует как высокоскоростной дизайн, переходные отверстия могут влиять на производительность схемы и качество сигнала.

Переходные отверстия выступают как емкостные и индуктивные разрывы, поэтому их присутствие влияет на импеданс сигнального пути. Помимо влияния на импеданс, неиспользуемая длина барреля переходного отверстия выступает как штырь, который может создавать отражения. Количественные исследования показали, что их воздействие можно снизить, уделяя внимание каждой из следующих областей:

• Уменьшение размера кольцевого зазора, где трасса сигнала соединяется с переходным отверстием.
• Удаление неиспользуемых кольцевых зазоров на слоях, к которым переходное отверстие не подключено.
• Увеличение зазора между баррелем переходного отверстия и соседними слоями плоскостей.
• Размещение стежковых переходных отверстий рядом с сигнальными переходными отверстиями для обеспечения пути для возврата сигнального тока при переключении слоев плоскостей.
• Тщательное размещение развязывающих конденсаторов рядом с переходным отверстием, когда для передачи возврата сигнала будет использоваться другая плоскость напряжения.
• Удаление остаточных частей переходных отверстий (лишней, неиспользуемой длины переходного отверстия, выступающей за пределы слоя, который трасса сигнала использует для доступа к переходному отверстию). Это делается путем:
  • дизайна переходных отверстий и тщательного назначения слоев в соответствии с процессом изготовления, и
  • контролируемого сверления на глубину (обратное сверление) для удаления неиспользуемой части барреля переходного отверстия.

Использование процесса контролируемого сверления на глубину, часто называемого обратным сверлением, позволяет удалять неиспользуемые баррели переходных отверстий.

Другой подход к минимизации влияния переходных отверстий в высокоскоростных конструкциях заключается в использовании микровиас. Микровиа - это маленькое переходное отверстие. Стандарты IPC (IPC/JPCA-2315 и IPC-2226) определяют микровиас как скрытые или зарытые переходные отверстия с диаметром равным или меньшим 6 мил (0.15 мм). Диаметр в 6 мил является пределом для механического сверления, поэтому микровиас обычно сверлятся лазером. Также используются гибридные лазерные модифицированные + контролируемые методы сверления отверстий на определенную глубину как описано в данной статье, что предлагает преимущества в производстве.

Микровиас предлагают ряд преимуществ:

• Уменьшение паразитных эффектов (примерно в десять раз меньше, чем у сверленных сквозных переходных отверстий), что приводит к снижению индуктивности.
• Меньшие геометрические размеры, что приводит к уменьшению размера кольцевой зоны.
• Уменьшение размера выдувания на слоях плоскостей, через которые они проходят.
• Удаление или уменьшение длины выступа. Поскольку они создаются как часть процесса стекирования слоев во время производства, они могут соединять определенные начальные и конечные слои. Хотя они не могут соединять любую пару слоев, тщательный выбор сигнальных слоев, используемых для высокоскоростных сигналов, может гарантировать, что эти слои имеют доступ к начальному/конечному слою микровиас.

Перекрестные помехи

Поскольку часть энергии высокоскоростного сигнала передается через материал, окружающий трассу, неизбежно, что некоторая часть этой энергии будет передаваться на соседние трассы. Это явление, известное как перекрестные помехи, ухудшает качество сигнала. В терминах целостности сигнала излучающий энергию сигнал называется агрессивной сетью, а сигнал, получающий энергию перекрестных помех, называется пострадавшей сетью. Так как же уменьшить количество энергии, уходящей от агрессивной трассы, и как уменьшить количество этой энергии, передающейся на пострадавшую? Основной подход заключается в уменьшении количества энергии, уходящей от агрессивной трассы за счет согласования импеданса и правильного проектирования пути возврата сигнала, а также в удалении потенциально пострадавших сетей от агрессоров.

Сигналы тактовой частоты и другие периодические сигналы являются основными источниками перекрестных помех в проекте. Часто используемое эмпирическое правило заключается в том, чтобы обеспечить разделение потенциальных агрессоров, таких как тактовые сигналы, от потенциальных жертв в три раза больше ширины трассировки (измеряется от центра до центра). Это известно как правило 3-W. Или, если говорить о расстоянии от края до края, разделение должно быть не менее чем в два раза больше ширины трассировки. Это большой зазор, поэтому вам нужно будет выборочно применять его к сетям. Высокоугрожающие агрессоры, такие как тактовые сигналы, составляют одну группу. Другая основная группа, которую следует учитывать, - это более чувствительные потенциальные жертвы, такие как дифференциальные пары; эта группа также выигрывает от разделения пары от других сигналов на 3-W.

 
Предсказанное звонение на незавершенной трассе агрессора (зеленая волновая форма) и результатирующие перекрестные помехи на соседней трассе жертвы (синяя волновая форма). Обратите внимание, что каждый график имеет разный масштаб напряжения.

Танцы во времени

Наконец, необходимо учитывать время, которое требуется сигналу, чтобы добраться до своего конечного входного контакта. В общем случае сигнал не существует в изоляции. Он работает в гармонии с множеством других сигналов. Простым примером может служить 8 бит в байте данных. Не только весь байт должен прибыть в отведенное время, но и все биты в байте должны прибыть вместе. Время, необходимое сигналу для прохождения от выхода к входу, называется временем полета, а любое различие во времени прибытия битов называется сдвигом сигнала.

Ключевые факторы, влияющие как на время полета, так и на сдвиг, включают:

• Длину маршрутов сигнала, т.е. насколько далеко сигналам нужно передвигаться.
• Материалы, через которые проходят сигналы; это влияет на скорость их передачи.

Управление этим требует учета:

• Размещение компонентов - хорошее размещение компонентов является ключевым элементом успешного проектирования высокоскоростных устройств. Используйте манхэттенское расстояние для начального размещения различных компонентов, которым необходимы схожие длины маршрутов, например, устройств памяти DDR3, сконфигурированных в топологии T-ветвления. 
• Выбор материала - материал, из которого изготовлена печатная плата, является критически важным фактором в высокоскоростном дизайне. FR4 хорошо служил индустрии печатных плат на протяжении десятилетий, но его использование становится ограничивающим фактором в высокоскоростных проектах, поскольку неоднородная диэлектрическая постоянная FR4 создает сдвиг. Материал обсуждается более подробно в следующем разделе.
• Общая длина маршрута - наряду с влиянием на время полета, общие длины также важны при прокладке групп связанных сетей. Например, требования к времени DDR указывают, что маршрут сигнала часов должен быть длиннее, чем маршруты адреса и управления. Эти требования управляются правилами дизайна по длине.
• Согласованные длины маршрутов - сдвиг управляется путем согласования длин маршрутов. Это самый длинный маршрут в наборе сигналов, который определяет длину маршрута для каждой сети в этом наборе. Длины согласуются путем определения правил дизайна для Согласованных Длин, затем удлинение каждого более короткого маршрута для соответствия указанной длине.

Дифференциальные пары - длины согласованы внутри пар и также между парами (изображение предоставлено FEDEVEL Open Source, www.fedevel.com).

Печатная плата

Все это происходит на печатной плате. С тех пор, как они были впервые созданы в 1940-х годах, скромная печатная плата прошла огромные уровни усовершенствования в технологии изготовления и материалах. Это привело к значительному уменьшению размеров элементов, включая трассировку и переходные отверстия. Треки больше не изготавливаются шириной в 20 милов. Теперь они могут быть всего в 2 мила шириной; и маленькое переходное отверстие больше не 30/18 мил (площадка/отверстие) - теперь это 12/6 мил. Было создано новое название для описания конструкций, использующих такие маленькие элементы - Техники высокоплотного межсоединения (HDI). Хотя создание меньших элементов на платах HDI стоит дороже, их меньший размер означает, что готовый дизайн может использовать меньше слоев, иметь более короткие маршруты и улучшенную целостность сигнала, что в конечном итоге может привести к плате, которая может не стоить дороже в изготовлении (но может быть гораздо сложнее в тестировании и ремонте).

Материалы

Большая часть сложности при проектировании высокоскоростных устройств заключается в управлении средой, через которую проходят сигналы. Традиционный FR4 на протяжении десятилетий служил дешевым и эффективным материалом для подложки плат, но неоднородная структура стеклоткани, встроенной в смолу, становится ограничивающим фактором для высокоскоростных конструкций. Смола имеет другую диэлектрическую постоянную (≈3) по сравнению со стеклотканью (≈6), и поскольку стеклоткань является тканой структурой с промежутками в переплетении, сигнал видит изменяющуюся диэлектрическую постоянную по мере своего движения по плате. Из-за этого существует ряд материалов FR4. Лучшие материалы имеют более плотную структуру ткани, что обеспечивает более стабильную диэлектрическую постоянную. Диэлектрическая постоянная FR4 также изменяется с температурой настолько, что может достигать ± 20%.

Существуют более качественные материалы для изготовления печатных плат, такие как тефлон или керамика, но они обходятся дороже. Материал, из которого изготавливается плата, должен быть выбран на раннем этапе процесса проектирования печатной платы в консультации с производителем. Чтобы сбалансировать выбор материала и его стоимость, многие производители печатных плат позволяют использовать комбинацию материалов, так что дорогие материалы используются только для слоев, по которым проходят высокоскоростные сигналы.

Слои

Как и многие аспекты проектирования печатных плат, определение оптимального количества слоев является столько же искусством, сколько и математикой. Распределение и маршрутизация выходов плотных BGA сильно влияют на количество слоев маршрутизации. Выполнение тестового распределения и маршрутизации для проверки самого плотного BGA в проекте может помочь убедиться, что имеется достаточное количество сигнальных слоев. Другой подход, который рекомендует Барри Олни из In-Circuit Design, заключается в выполнении тестовой автоматической трассировки на плате. Он предлагает, что если автотрассировка завершается как минимум на 85%, то плату можно будет трассировать вручную, используя текущую конфигурацию слоев.

Добавление и назначение слоев производится парами. Обычно, для каждой пары сигнальных слоев будет либо пара слоев питания, либо одна пара слоев питания на каждые две пары сигнальных слоев. Таким образом, четырехслойная плата будет иметь два слоя питания и два сигнальных слоя; шестислойная плата - два слоя питания и четыре сигнальных, восьмислойная плата - четыре слоя питания и четыре сигнальных, а десятислойная плата - четыре слоя питания и шесть сигнальных слоев. Заметьте, что это только рекомендация; главная цель - обеспечить, чтобы каждый слой с высокоскоростными сигналами был смежен со слоем питания.

Не все сигналы являются высокоскоростными, и не все слои могут быть настроены как слои для высокоскоростной трассировки, поэтому стандартной практикой является назначение и трассировка высокоскоростных сигналов на определенных парах слоев. Каждая пара слоев сигналов должна иметь один слой, назначенный для вертикальной трассировки, и другой - для горизонтальной, и эти правила следует соблюдать как можно лучше, чтобы уменьшить перекрестные помехи между соседними слоями. Пара высокоскоростных слоев может располагаться либо по обе стороны от слоя плоскости, либо между двумя слоями плоскостей. 

Толщина диэлектрика между слоями высокоскоростных сигналов и слоем опорной плоскости будет установлена в соответствии с требуемым характеристическим импедансом; обычно это будет менее 10 mils (0,25 мм). Чтобы достичь общей толщины платы, необходимой по механическим причинам, отрегулируйте толщину диэлектрического слоя(ев), который не примыкает к слою высокоскоростного сигнала, например, центрального основного слоя.

Возможные варианты стека слоев

В таблице ниже показано несколько возможных вариантов стека слоев и назначения слоев. Расположение пар высокой скорости и пар общего назначения может быть изменено, например, если ваш дизайн только с сквозными отверстиями на шести слоях может иметь сигналы высокой скорости, проложенные на верхнем слое, это хороший вариант, если это означает, что сигналам высокой скорости не нужно использовать переходные отверстия (vias). Держите каждый слой высокой скорости рядом со слоем плоскости, и толщины окружающих диэлектриков одинаковыми для слоев высокой скорости.

Рекомендуемые стеки слоев для плат на 4, 6, 8, 10 и 12 слоев.

Теперь, когда вы понимаете сложности проектирования высокоскоростных печатных плат, узнайте больше:

• Функции Altium Designer для высокоскоростного проектирования
• Документация по прямому решению этих задач в Altium Designer