Правила трассировки печатных плат для дифференциальных пар и однопроводных сигналов

Иногда различие между тем, что считается "медленным" или "быстрым" сигналом, может показаться произвольным, и это может зависеть от того, кого вы спросите. Связанная тема - считается ли дорожка печатной платы (PCB) электрически "короткой" или "длинной", и здесь вы можете найти такое же количество разногласий. Независимо от того, нужно ли вам маршрутизировать медленные или быстрые сигналы на вашей печатной плате, ваши дорожки должны следовать определенным правилам маршрутизации PCB, чтобы обеспечить надлежащую функциональность вашей платы.

Как и многие другие программы, Altium Designer® облегчает этот процесс, но Altium Designer идет немного дальше и разделяет правила маршрутизации PCB для медленных и быстрых сигналов на отдельные категории. Прежде чем начать маршрутизацию сигналов между компонентами, вам нужно будет взглянуть на ваши правила проектирования и настроить их в соответствии со стандартами сигнализации. Вот важные правила маршрутизации PCB, которые вам нужно установить, прежде чем начать маршрутизацию сигналов по вашей печатной плате.

Правила маршрутизации PCB для однопроводных сигналов

Возможно, самым важным моментом, который следует отметить касательно правил трассировки печатных плат, является то, что стандарты трассировки не обязательно определяют себя как «низкоскоростные» или «высокоскоростные». Это различие во многом было создано и поддерживается конструкторами печатных плат, и в значительной степени возникло из-за проблем с целостностью сигнала, которые возникают, когда времена нарастания сигнала становятся очень быстрыми (менее ~1 нс). Таким образом, более важно понимать ограничения ваших стандартов сигнализации при настройке правил проектирования, независимо от того, имеете ли вы дело с медленными или быстрыми скоростями сигналов.

Первым местом, где следует искать необходимые вам правила проектирования, является документация к вашим стандартам сигнализации. Документация для большинства стандартов свободно доступна в интернете. По мере создания большего количества проектов вы станете более знакомы с этими стандартами и будете знать, какие правила устанавливать в ваших проектах. Некоторые из наиболее распространенных правил трассировки печатных плат, которые применимы к многим стандартам для однопроводных сигналов, включают:

• Согласованные длины. Для стандартов шины или параллельной передачи данных с синхронизацией по источнику часового сигнала вам потребуется обеспечить согласование длин всех сетей в группе в пределах некоторой допускаемой погрешности. Во время трассировки это делается путем добавления структур настройки длины к сети.
• Переходы через переходные отверстия.Некоторые стандарты рекомендуют ограничивать количество переходов через переходные отверстия, чтобы предотвратить избыточные потери, отражения и другие паразитные эффекты.
• Максимальная длина. Иногда для заданного значения тангенса угла потерь указывается максимальная длина сети, чтобы предотвратить чрезмерное ослабление сигнала. Если вы используете ламинат с низкими потерями, вы можете увеличить длину в зависимости от разницы в значениях тангенса угла потерь.
• Расстояния. Дорожки необходимо держать на расстоянии от других объектов, не являющихся частью сети (площадки, компоненты, слои и т.д.). Это обеспечивает возможность производства, снижает нежелательные паразитные эффекты и обеспечивает защиту от электростатического разряда в дизайне высокого напряжения.
• Ширина и импеданс.Эти две величины взаимосвязаны и используются для контролируемого импеданса в высокоскоростном дизайне. Ознакомьтесь с этой статьей, чтобы узнать, как вы можете указать импеданс и ширину трассы как правила трассировки печатной платы.

Все эти правила дизайна и многие другие доступны в Редакторе правил и ограничений печатной платы в Altium Designer. Если вам нужно назначить одни и те же правила трассировки для группы сетей (что очень распространено для групп однопроводных сигналов), самый быстрый способ - назначить все сети в группе в Класс сетей. Вы можете получить доступ к этой функции из опции Дизайн → Классы (см. ниже) в окне Редактора печатной платы. После того, как вы назначили сети классам, вы можете использовать Редактор правил и ограничений печатной платы для назначения правил дизайна индивидуальным сетям или Классу сетей.

Другие правила трассировки печатной платы, которые могут не относиться к конкретным стандартам сигнализации, используются для того, чтобы помочь вам поддерживать организованность вашего дизайна. Два ярких примера - топология трассировки и ограничение слоя трассировки. Для более продвинутых дизайнов, таких как компоненты с BGA-контактной площадкой, вы можете использовать правила дизайна для конфигурации вашей стратегии разветвления. Работа с дифференциальными парами требует своего набора правил дизайна, как показано в следующем разделе.

Правила трассировки дифференциальных пар

Дифференциальные пары уникальны тем, что медленные и быстрые сигналы могут быть проложены как дифференциальные пары. Независимо от того, быстрые или медленные сигналы передаются, ваши дифференциальные пары все равно должны соблюдать некоторые правила проектирования, которые обычно применяются к однополярным сигналам. Четыре важных правила проектирования для дифференциальных пар:

• Допуск по импедансу. Даже если вы прокладываете трассу меньше критической длины, лучше всего создать профиль импеданса для ваших дифференциальных пар, если только стандарт сигнализации не указывает иное. Другие геометрические ограничения будут зависеть от допустимого изменения импеданса вдоль дифференциальной пары.
• Максимальная несвязанная длина. Это указывает на самое большое расстояние, на котором две стороны дифференциальной пары могут оставаться несвязанными (т.е., разделенными большим расстоянием). Это важно, поскольку несвязанный участок будет выглядеть как разрыв импеданса, поэтому он должен быть достаточно коротким.
• Согласование длин.Помните, дифференциальный сигнал считывается путем вычитания одного сигнала из другого, поэтому оба сигнала должны прибывать к приемнику одновременно. Более быстрые сигналы требуют меньших допусков по длине согласования.
• Максимальная длина сети. Как и в случае с однополярными сигналами, для дифференциальных сигналов могут существовать ограничения максимальной длины. Возьмем, к примеру, шину CAN; хотя это стандарт низкой скорости, максимальная длина соединения (дорожки на ПП + кабель) будет зависеть от скорости передачи данных, которую вы будете использовать в вашей системе.

В Altium Designer вы можете настроить правила проектирования для первых двух пунктов выше в разделе Routing → Differential Pairs Routing области редактора правил и ограничений печатной платы. Другие два пункта можно учесть в области High Speed. Это показано на изображении ниже:

Если вы работаете с высокоскоростными дифференциальными парами, любые другие стандартные правила проектирования высокоскоростных схем, обсуждаемые выше, могут быть применены к дифференциальным парам. Обратите внимание, что самый простой способ сделать это - назначить соответствующие дифференциальные пары классу Differential Pair Class, а затем выбрать класс, который будет регулироваться каждым правилом проектирования.

Если правило проектирования не настроено на прием Класса Дифференциальной Пары в выпадающем меню "Где Объект Соответствует", вы можете создать Пользовательский Запрос с помощью конструктора запросов. Ниже показано, как назначить максимальную длину Классу Дифференциальной Пары (найдено в разделе Высокоскоростных областей редактора Правил и Ограничений ПП).

Так же, как и с однопроводными сетями, прочтите документацию по вашему стандарту сигнализации, прежде чем начать устанавливать правила трассировки ПП. Здесь вы найдете соответствующую информацию о правилах проектирования для стандартов дифференциальной сигнализации (обычно в разделе Физического Уровня стандарта). Посмотрите эту статью, чтобы узнать, как создать профиль импеданса, назначить сети Классам Дифференциальных Пар и установить некоторые правила проектирования для этих классов, прежде чем начать трассировку дифференциальных пар.

Мы все еще не рассмотрели правила целостности сигнала для быстрых сигналов, и к этому моменту вы, вероятно, заметили, что Altium Designer включает в себя ограничения проектирования, специально предназначенные для решения проблем целостности сигнала. Вы можете назначить эти правила трассировки ПП, следуя тому же процессу, что и при добавлении правил проектирования для однопроводных сетей и дифференциальных пар. Эти функции в Altium Designer дают вам полный контроль над вашим проектом и помогают успешно провести трассировку.

Какие значения следует использовать для правил проектирования?

Это всегда сложный вопрос, потому что он зависит от множества факторов. В первую очередь, это зависит от интерфейса, который вы используете; USB будет иметь другие ограничения, чем PCIe, например.

Предполагая, что у вас есть спецификация для вашего интерфейса и сигналов, вы можете быстро вывести некоторые ограничения и пределы правил проектирования, либо рассчитав вручную, либо через некоторую оценку худшего случая.

Для некоторых из этих значений, таких как потери на вставке, вам может потребоваться использовать внешний симулятор линии передачи, чтобы получить точное значение потерь, или вам придется оценить значение на основе некоторых расчетов. Для других правил проектирования, таких как преобразование режимов, симуляция может быть проведена после завершения трассировки, чтобы диагностировать наличие проблем в трассировке.

Altium Designer на Altium 365® обеспечивает беспрецедентный уровень интеграции для индустрии электроники, который до сих пор был ограничен миром разработки программного обеспечения, позволяя дизайнерам работать из дома и достигать беспрецедентных уровней эффективности.

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.