Целостность сигнала в многослойных печатных платах: Полное руководство

Многослойный дизайн печатных плат на первый взгляд кажется очень простым. Вы разрабатываете сборку из нескольких плат и соединяете их между собой с помощью кабелей, краевых соединений, мезонинных разъемов, контактных пинов и т.д. Многослойные печатные платы имеют ряд проблем с целостностью сигнала, которые не всегда встречаются в системах с одной печатной платой. Независимо от того, имеете ли вы одну плату или сборку из нескольких плат, необходимо поддерживать целостность сигнала, особенно в передовых системах, используемых в таких областях, как военное дело, аэрокосмическая отрасль, высокопроизводительные вычисления и искусственный интеллект.

Где же тогда применять принципы целостности сигнала в сборке из нескольких печатных плат? Существует несколько областей, где необходимо поддерживать целостность сигнала и часто это требует экспериментальной проверки:

• Распиновка и интерфейсы разъемов
• Дизайн кабелей и гарнитур
• Соединения с оболочкой, например, с металлизированной оболочкой

Проблемы с целостностью сигнала в этих областях также могут превратиться в проблемы ЭМП/ЭМС, и это особенно актуально для многослойных печатных плат.

В этом руководстве я постараюсь показать, как выбирать компоненты и проектировать соединения таким образом, чтобы сохранить целостность сигнала при использовании нескольких плат. Эти шаги все равно не исключают необходимость обеспечения целостности сигнала на печатной плате; обе области важны в системах и помогают предотвратить проблемы с электромагнитными помехами.

Сигналы и излучения при многосоставных соединениях

Когда речь идет о проектировании печатных плат для нескольких плат, очевидно, что мы передаем сигналы между двумя печатными платами, поэтому нам следует знать кое-что о сигналах и потенциальных излучениях, которые они могут создавать. Это упоминание об излучениях является одной из ключевых связей между EMI/EMC и проектированием печатных плат для нескольких плат.

Тип излучений и шума, которые вы можете ожидать, зависит от типа сигнала, который вам нужно передать между двумя печатными платами:

• Дифференциальные сигналы, которые являются самореферентными
• Однополярные сигналы, требующие ссылки
• Синусоидальные или узкополосные сигналы, которые обычно являются однополярными

Тип сигнала и скорость изменения фронта сигнала определят проектирование вашего вывода, при условии, что вывод не был предопределен для вас. Если вы можете соответствующим образом спроектировать ваш вывод и выбрать подходящий разъем, вы можете обеспечить целостность сигнала через интерфейс разъема.

Помимо разработки распиновки, сам разъем может быть причиной проблем с целостностью сигнала. Основная проблема целостности сигнала, которая может возникнуть при соединении платы с платой, - это избыточное отражение, приводящее к излучению. В ближнем поле излучение может быть прямо связано с корпусом разъема, в особенности из-за отсутствия постоянной земляной опоры, которая бы содержала сигнал. Наконец, хотя конкретный разъем может иметь подходящую распиновку и быть рассчитан на определенную скорость передачи данных, неправильный вход трассы в корпус разъема или остаточные штыри могут создавать избыточные потери.

Давайте сначала рассмотрим типы разъемов, которые могут потребоваться в ситуациях, когда целостность сигнала является основной проблемой.

Лучшие типы разъемов для целостности сигнала

Крупные производители разъемов разработали множество систем соединения платы с платой, которые были проверены на использование при очень высоких скоростях передачи данных. Другими словами, было показано, что эти системы разъемов успешно работают на очень высоких пропускных способностях каналов, определенных по параметрам устройств. Некоторые примеры этих типов разъемов включают:

• Коннекторы краевого монтажа платы к плате со скользящими контактными штырями
• Коннекторы типа "лезвие" (вертикальные и краевые)
• Системы коннекторов с монтажом через отверстие, например, в системах VPX
• Системы коннекторов со скользящими штырями
• Коаксиальные коннекторы для массивов коннекторов
• Коннекторы с высокой плотностью монтажа BGA

Отличным примером детали, поддерживающей эти очень высокие скорости сигналов, является пара соединителей Samtec на 40 контактов QTE/QSE, более известная как коннектор SYZYGY.

Номер детали: Samtec QTE-020-01-F-D-A

В области РЧ-систем, особенно систем миллиметрового диапазона, также существуют продукты с групповыми коаксиальными коннекторами, которые могут монтироваться на печатную плату и соединяться с кабелем. Например, групповой коннектор SMPM ниже.

Номер детали: TE Connectivity 2441485-1

Наконец, мне всегда нравится приводить пример разъема с монтажом через отверстие, который можно найти на задних панелях VPX, чтобы продемонстрировать полезность этих соединителей, даже в высокоскоростных соединениях. Хотя разъем монтируется как компонент с монтажом через отверстие, интерфейс соединения платы с платой не использует контактные пины, какие вы могли бы найти в заголовке. Вместо этого используются разъемы с скользящим контактом, которые совместимы с очень высокими скоростями передачи данных.

Соединители Amphenol SpaceVPX VITA 78

Поскольку этот конкретный разъем монтируется через отверстие на печатной плате, вам потребуется выполнить обратное сверление для контактов с самой высокой скоростью передачи данных, или вам придется прокладывать трассы через весь стек. Другой вариант - использование виас-бумерангов, но обычно платы, в которых используется этот тип соединителя, не используют слои HDI-структуры из-за опасений по поводу надежности.

Поэтому, если разъемы с монтажом через отверстие будут использоваться для передачи сигналов в каналах высокоскоростной цифровой передачи, убедитесь, что вы тщательно спланировали маршруты, чтобы вы могли прокладывать сигналы через весь стек. Здесь также важно будет планирование распиновки, как мы увидим в ближайшее время.

Дизайн распиновки для высокоскоростных многослойных соединений

Распиновка для межплатных соединений, поддерживающих высокоскоростные сигналы, должна включать некоторую земляную ссылку через соединение плата-к плате. Это применимо как при использовании прямых соединений плата-к-плате, так и при соединениях плата-к-кабелю. Так же, как в стеке печатной платы, где мы выделяем определенные слои для земляных плоскостей, мы хотели бы выделить определенные контакты для заземления в распиновке разъема.

Очень простое правило - заземлять контакты между цифровыми сигналами. Один из общих примеров, который я показываю, находится в другой статье о трассировке в бэкплейнах, в частности, бэкплейнах VPX. На изображении ниже показана трассировка дифференциальной пары в распиновку, работающую на скорости в несколько гигабит в секунду. Обратите внимание, что этот разъем является вертикально монтируемым сквозным компонентом, а входящие трассы находятся рядом с задним слоем, чтобы оставить минимальный остаточный штырь.

Эти дифференциальные контакты Gbps идут по диагонали в этой распиновке и они разделены друг от друга землей. Хотя через этот разъем можно было бы пропустить гораздо больше сигналов, выделение многих контактов под землю является существенным для подавления дифференциальной перекрестной помехи и излучаемых помех.

Руководство по распиновке

Следуйте этим простым рекомендациям по дизайну распиновки, чтобы помочь обеспечить целостность сигнала:

• Используйте перемежающиеся заземляющие контакты, где это возможно
• Размещайте одиночные контакты рядом с заземляющими контактами
• В дифференциальных парах размещайте положительные и отрицательные контакты рядом друг с другом
• Избегайте перекрытия дифференциальных контактов на нескольких рядах
• Если есть неиспользуемые контакты, соедините их все с GND

Почему мы используем перемежающееся заземление на контактах

В приведенных выше примерах вы можете видеть, что входящие сигнальные контакты окружены заземляющими контактами. Это делается по трем причинам:

• Для минимизации перекрестных помех между контактами
• Для установления постоянного входного импеданса в разъеме
• Для подавления излучаемых помех от сигналов
• Для локализации общемодовых помех на дифференциальных контактах

Это основные причины, по которым мы включаем заземляющие контакты как в одиночных соединениях, так и в дифференциальных соединениях, входящих в многоконтактный разъем. Основная причина заключается в предоставлении заземления для одиночных сигналов, что снизит излучаемые помехи и независимые перекрестные помехи, особенно если сигнал выводится на кабель. Вторая причина заключается в том, что заземление часто необходимо в кабелях для установления импеданса кабеля, что верно для стандартизированных кабелей с витой парой, таких как USB кабели.

То же самое относится к разъемам и кабелям с дифференциальными сигналами. Хотя дифференциальные пары являются самореферентными, наличие земли изменяет электрическое поле вокруг дифференциальной пары, и именно поэтому это влияет на потенциал дифференциальной перекрестной помехи.

Маршрутизация входа в линию передачи

Разъемы для высокоскоростных сигналов могут не иметь конкретных рекомендаций по входу в линию передачи в техническом описании компонента, когда дорожки находятся на том же слое, что и контакты разъема. Разъем будет иметь некоторое входное сопротивление, смотрящее в ваш кабель или соединительный разъем, и это сопротивление необходимо согласовать с импедансом линии передачи. Обычно это просто импеданс 50 Ом для однопроводных дорожек или 100-омный дифференциальный импеданс для дифференциальных дорожек.

Важное замечание по дифференциальным дорожкам: 100-омный дифференциальный импеданс в данном случае действительно соответствует 50-омному нечетному импедансу. Если соединение дифференциальное, убедитесь, что вы согласуете его с дифференциальным импедансом разъема.

Пример входа в линию на двухрядном разъеме высокой плотности показан ниже. На изображении у нас есть однопроводные и дифференциальные дорожки.

На этом изображении следов видно, что дифференциальные пары, находящиеся далеко от разъема, расположены на расстоянии друг от друга, но следы сближаются при входе в разъем. Целесообразно сближать их по мере приближения к контактам разъема, так же, как вы бы сделали, если бы подходили к контактам на интегральной схеме. Другой заметной особенностью этого разъема является центральный контакт, который выделен под GND, и это позволяет использовать несколько дифференциальных пар внутри группы контактов.

Далее обратите внимание, что ширина следов схожа с размером площадки. След может быть шире, чем размер площадки, но вам, возможно, придется сужать след при подходе к площадке. Это может потребоваться, поскольку когда следы сближаются около контактов, вы можете нарушить допуски, и потребуется сужение. Помните, что это следы с контролируемым импедансом, так что если вам нужны более узкие следы, вам нужно будет сделать подложку тоньше или использовать материал с более высоким значением диэлектрической проницаемости.

Наконец, мы можем осуществлять вход следов через переходные отверстия (виас), и это можно сделать как через отверстие в площадке, так и с переходом, расположенным дальше от контактных выводов разъема. В зависимости от шага контактов, вам может потребоваться разнести виасы, чтобы избежать ошибки DRC по допускам.

Помните, что мы имеем дело с разъемом, рассчитанным на высокоскоростные сигналы, поэтому переход через переходное отверстие (via) также должен быть специально спроектирован. Цель состоит в том, чтобы согласовать характеристическое сопротивление переходного отверстия с входным сопротивлением контакта разъема, чтобы в результате совокупное входное сопротивление, наблюдаемое на переходном отверстии, соответствовало сопротивлению вашей линии передачи. Это означает правильный выбор размеров следующих элементов:

• Размер антипада
• Диаметр переходного отверстия
• Размер посадочной площадки переходного отверстия
• Наличие или удаление NFP
• Расположение и количество сшивающих переходных отверстий

Это обычно подход, который вы бы использовали при работе с однопроводной или дифференциальной переходной линией, требующей высокой пропускной способности канала. Это начинает иметь значение, когда вы работаете на частотах выше примерно 3 ГГц, что я подробно показал в другой статье.

Анализ высокоскоростных соединений с разъемами с использованием S-параметров

Так же, как и другие высокоскоростные соединения, S-параметры могут быть использованы для анализа линий передачи с разъемами и кабелями как часть соединения. Конечно, возможно построить всю геометрию соединения, используя 3D модель корпуса разъема, и даже 3D модель кабеля; затем вы бы использовали 3D решатель электромагнитного поля для определения S-параметров для всей связи. Очевидно, что это очень времязатратная задача, которая требует большого количества вычислительной мощности, а также специализированного программного обеспечения.

К счастью, производители разъемов, которые рекламируют свои продукты для использования в высокоскоростных цифровых связях или связях высокочастотного РЧ, часто предоставляют данные S-параметров для своих продуктов в файлах Touchstone. Вы можете затем использовать данные производителя разъемов для создания линейной сетевой модели соединения, а затем определить каскадные S-параметры.

Инструменты анализа, такие как Simbeor, MATLAB и Keysight ADS, могут определить каскадные S-параметры для этой модели. Это позволяет узнать о передаче мощности и потерях на всем протяжении соединения. Теперь вы можете предсказать, как будет функционировать связь, основываясь на других параметрах вашего проекта, которые вы можете контролировать, в частности, на дизайне линии передачи и дизайне входа соединителя. В этой сети должны быть известны S-параметры для каждого отдельного участка, после чего симулятор может рассчитать каскадную сеть и её S-параметры.

Что насчет обратной задачи, когда вы не знаете S-параметры соединителя? В этом случае вам потребуется использовать измерения для выделения S-параметров соединителя. Здесь соединитель формирует испытуемое устройство (DUT) в линейной сети, и S-параметры вашего соединителя определяются из каскадных S-параметров сети с использованием метода выделения. Те же программы анализа, что были перечислены выше, также могут быть использованы для выделения S-параметров соединителя, при условии, что известны S-параметры других компонентов в линейной сети.

Чтобы узнать больше, посмотрите следующее видео от Бена Джордана.