Что такое целостность сигнала?

Многие из используемых сегодня рекомендаций по компоновке и трассировке печатных плат, создаются для обеспечения целостности сигналов даже для сигналов и устройств со средней скоростью передачи данных. Если вы новичок в проектировании печатных плат и никогда не сталкивались с проблемами целостности сигнала, концепция обеспечения целостности сигнала с помощью конструкции может показаться неясной. Современные печатные платы могут испытывать множество проблем, которые можно решить или предотвратить с помощью соблюдения простых правил компоновки и трассировки. Практика обеспечения целостности сигнала сосредоточена на выявлении и устранении этих проблем при проектировании печатной платы, чтобы цифровой или аналоговый сигнал не искажался во время распространения и мог быть восстановлен во время прохождения через плату.

В этом руководстве мы хотим дать краткий обзор некоторых проблем с целостностью сигналов, которые могут возникнуть в результате неоптимальной компоновки печатной платы, а также некоторых основных решений, помогающих решить эти проблемы. Реализуя некоторые из этих основных приемов на ранних стадиях проектирования, будет намного проще обеспечить целостность сигнала после трассировки платы.

• Основы целостности сигнала
• Важность импеданса и трассировки
• Выявление проблем целостности сигналов

Основы целостности сигнала

В самом простом смысле цель применения принципов обеспечения целостности сигналов при компоновке и трассировке печатных плат заключается в том, чтобы исключить искажение сигнала при его прохождении от источника к приемнику. Другими словами, мы хотим гарантировать, что сигнал в конце соединения, будет соответствовать сигналу, который был в начале. Хотя сигнал никогда не будет передан идеально, некоторые базовые методы могут помочь минимизировать любое возможное искажение сигнала, чтобы приемник всегда регистрировал правильный сигнал.

Есть несколько стандартных приемов проектирования, которые помогут обеспечить это. Начать следует с создания электрической схемы и проектирования структуры слоев печатной платы. Фактически, многие проблемы целостности сигналов, питания и электромагнитных помех/электромагнитной совместимости можно устранить с помощью соответствующего проектирования стека и назначения слоев питания, заземления и выполнения трассировки сигнальных проводников. К другим простым решениям относятся соответствующий выбор конденсаторов, расчет импеданса и понимание ограничений одиночных цепей и дифференциальных пар.

Когда следует заниматься обеспечением целостности сигналов?

Технически в любом проекте будут иметься некоторые проблемы с целостностью сигналов, но обычно они не влияют на функциональность продукта и не создают чрезмерных помех. Это работает пока вы не начнёте использовать высокоскоростные цифровые сигналы или высокочастотные аналоговые устройства. В этих случаях необходимо будет решить несколько нетривиальных задач:

• Провести точный расчет импеданса для предотвращения отражения сигналов
• Минимизировать потери и дисперсию при распространении через длинные соединения
• Устранить перекрестные помехи вследствие быстрого переключения цифровых сигналов
• Ограничить чрезмерные потери на излучение, которые могут проявляться в виде сильного шума при тестировании на ЭМС
• Выход за установленные пределы уровней цифровых сигналов из-за избыточной индуктивности (дребезг заземления)
• Связь высокочастотных сигналов через паразитные компоненты
• Перекос и резонансные потери сигнала из-за типа плетения волокон материалов платы
• Джиттер, либо из-за случайных флуктуаций при переключениях, либо из-за проблем SI/PI/EMI
• Дополнительные потери из-за шероховатости меди по всей длине соединения

С этими задачами справиться труднее всего, при работе над высокочастотными проектами или при более высоких скоростях переключения, осуществляемых в высокоскоростных цифровых платах. Однако, чтобы проект не пострадал из-за этих явлений, можно соблюдать несколько простых этапов проектирования, с помощью которых можно обеспечить целостность сигналов.

Начните со структуры слоев

Важной частью обеспечения целостности сигналов является четкое определение заземления и его размещение рядом с важными сигнальными проводниками во время трассировки. Правильно спроектированная структура слоев, выбор слоев питания и заземления, а также обозначение сигнальных слоев помогут решить большинство проблем, связанных с электромагнитными помехами и целостностью сигналов. Правильно спроектированные структуры слоев также оказывают важное положительное влияние на целостность питания.

В структуре слоев ниже показана типичная конструкция с чередующимися слоями для трассировки сигналов, питания и заземления. В этом примере структуры показаны слои заземления, смежные с сигнальными слоями, для обеспечения экранирования и пути протекания обратного тока с низким импедансом, и с возможностью определить линии с контролируемым импедансом (полосковые или микрополосковые). Обеспечение низкоомного пути протекания обратного тока с четко определенным импедансом проводника и заземлением вблизи сигналов помогает предотвратить отражения, уменьшает излучение и восприимчивость к электромагнитным помехам и обеспечивает экранирование от воздействия сигналов в других слоях.

Хорошо известно, что толщина материала для микрополосковых линий, полосковых линий или компланарных схем будет влиять на потери в цифровых или аналоговых сигналах. Разумный выбор толщины диэлектрика в сигнальных слоях, которые должны обеспечивать передачу высокоскоростных/высокочастотных сигналов, позволяет решить одну из проблем связанную с потерями, упомянутую выше. Кроме того, выбор подходящих материалов и материалов покрытий для открытых проводников в наружных слоях может обеспечить более низкие потери на высоких частотах, например в проектах с волнами миллиметрового диапазона, для которых требуется высокоточная целостность сигналов. Вместе эти меры могут помочь обеспечить низкие потери при передаче сигналов через проводники печатной платы.

• Узнайте больше о проектировании проводников для трассировки с контролем импеданса
• Подробнее о высокочастотных материалах для сложных высокочастотных печатных плат

Важность импеданса и трассировки

После определения структуры слоев и размещения важных компонентов выполняется трассировка проводников. Стандарты передачи данных, используемые в цифровых интерфейсах и высокочастотные аналоговые сигналы, будут определять требования к импедансу, которые необходимо соблюдать, чтобы гарантировать целостность сигналов и предотвратить проблемы в высокоскоростных линиях передач. При трассировке необходимо уделять особое внимание некоторым важным геометрическим характеристикам проводников на печатной плате:

• Импеданс одиночных цепей и дифференциальных пар
• Стабильные допуски на шаг размещения и длину для дифференциальных пар
• Обеспечение кратчайшего пути протекания обратного тока по всей длине цепи с заземленными переходными отверстиями и однородными полигонами
• Минимизация числа переходных отверстий и излишних изгибов проводников на высоких частотах (более 10 ГГц)
• Удаление неиспользуемых частей переходных отверстий в цепях с максимальной скоростью/частотой

Первые два пункта позволяют гарантировать, что импеданс проводника не будет отклоняться от расчетного значения, указанного в соответствующем стандарте передачи данных. Третий пункт ориентирован на устранение электромагнитных помех и паразитной связи, гарантируя, что обратный ток, генерируемый высокоскоростными/высокочастотными сигналами, будет иметь низкую индуктивность. Последние два пункта относятся к необходимости устранения потерь и отражений при любом разрыве импеданса в цепи. Такие элементы, как соединители и переходные отверстия, могут иметь входной импеданс, который отклоняется от требуемого значения импеданса, поэтому используются правила проектирования, чтобы гарантировать достижение целевых значений в пределах проекта.

Инструменты трассировки программного обеспечения для проектирования печатных плат могут обработать ваши требования и закодировать их в виде правил проектирования, чтобы обеспечить соответствие требованиям по импедансу, зазорам, количеству переходных отверстий и обратному пути протекания тока. Применение обратного высверливания представляет собой компромисс между стоимостью и целостностью сигналов, поэтому его следует применять только к самым быстрым цифровым сигналам и только в том случае, если не может быть реализована какая-либо альтернативная схема трассировки, чтобы устранить необходимость в обратном высверливании. В целом, эти меры могут решить проблемы, возникающие из-за отражений, такие как межсимвольные помехи на глазковой диаграмме и стоячие волны на отличных по конфигурации линиях передачи.

Выявление проблем целостности сигналов

Проблемы целостности сигналов необходимо выявлять на этапе моделирования или испытаний. В идеале моделирование следует проводить в процессе проектирования, чтобы выявить любые проблемы целостности сигналов до создания прототипов. Распространенной практикой является создание испытательных плат для проекта, чтобы можно было провести измерения до того, как проект будет запущен в массовое производство. Независимо от того, как вы планируете выявлять проблемы целостности сигналов, эти задачи должны быть выполнены до перевода проекта на этап крупносерийного производства.

Моделирование во время трассировки

На этапе проектирования для выявления проблем целостности сигналов и несложного моделирования можно использовать некоторые из наиболее мощных пакетов ECAD. Стандартными процессами моделирования, которые можно выполнять одновременно, являются расчет формы сигналов перекрестных помех звона/отражения. Для этих процессов требуется определение логики управляющего компонента в топологии печатной платы, которую можно найти в даташите. Данные процессы моделирования дают очень четкое представление об эффективности оконечных нагрузок и зазоров между проводниками, что можно увидеть на переходной характеристике соединения (см. ниже).

Во время трассировки также можно проверять следующее:

• Выход за установленные пределы
• Время нарастания/спада при переключении
• Перекос в параллельных шинах и дифференциальных парах
• Непрерывность пути протекания обратного тока

Это можно проверить с помощью инструментов онлайн-моделирования в мощных пакетах ECAD проектирования печатных плат. После трассировки проекта встроенный инструмент моделирования в приложении может выполнить расчет, чтобы гарантировать, что сигналы в каждом соединении находятся в допустимом диапазоне помех и обеспечивают требуемый отклик компонента приемника. Благодаря выявлению этих проблем на ранней стадии процесса проектирования многие проблемы целостности сигналов можно устранить на раннем этапе, что в идеале позволит устранить сложные процедуры перепроектирования, требующие много времени.

Проверка целостности сигналов

Хотя существует несколько тестов, которые могут быть выполнены для оценки целостности сигналов, наиболее важными для цифровых проектов являются измерение S-параметров с помощью векторного анализатора цепей (VNA) и тесты глазковых диаграмм с помощью стандартного тестового битового потока. Аналогом измерения S-параметров во временной области является выполнение рефлектометрии во временной области, для которой требуется специальный прибор, подающий импульс на соединение или на тестируемое устройство. Хотя глазковые диаграммы и расчеты коэффициента битовых ошибок обычно выполняются с помощью осциллографа, некоторые векторные анализаторы цепей могут создавать глазковые диаграммы.

Измерения глазковой диаграммы и частота выделенных битовых ошибок имеют решающее значение для оценки цифровых каналов. Они обеспечивают обобщенное измерение, которое позволяет количественно оценить джиттер, ISI из-за отражений сигнала, потери и необходимость компенсации посредством выравнивания. На основе результатов этих измерений можно определить некоторые несложные изменения в проекте, а выделенные показатели целостности сигналов можно сравнить с другими моделями или расчетами. 

Моделирование S-параметров, как и других параметров цепей, а также их измерения выполняются в частотной области. Они позволяют оценить проект с точки зрения максимально возможной скорости передачи данных, частоты передачи, потерь или отражений из-за несоответствия импеданса. Для длинных соединений более важной величиной является S21 или вносимые потери, поскольку в этих каналах преобладают потери в диэлектриках, меди и потери на излучение. В коротких каналах более важной величиной является S11 или возвратные потери, поскольку существует вероятность сильных отражений и резонанса в каналах малой и средней длины.

• Подробнее об основных задачах анализа целостности сигналов

Более сложное моделирование целостности сигналов (SI), целостности питания (PI) и электромагнитных помех (EMI)/электромагнитной совместимости (EMC)

После того как компоновка завершена и готова к утверждению, её следует сначала проверить с помощью сложного инструмента моделирования, который сможет выполнить моделирование всей системы, а не только отдельных соединений. Такие пакеты моделирования берут данные из готовой компоновки печатной платы и рассчитывают электромагнитное поле непосредственно с помощью уравнений Максвелла. Для импорта проектных данных во внешние программы моделирования могут использоваться стандартные форматы механических файлов (IDX) и специальные форматы файлов данных моделирования, что позволяет выявлять проблемы электромагнитных помех/электромагнитной совместимости, PI и SI на уровне системы до создания прототипа и производства.

• Подробнее об использовании моделирования для определения электромагнитных помех в ближнем поле
• Подробнее об обмене данными моделирования в облачной среде

Трассировка печатных плат становится намного проще при условии использования полного набора инструментов проектирования печатных плат Altium Designer®. Правила проектирования, интегрированные в Altium Designer, автоматически проверяют топологию во время трассировки, что позволяет выявлять и устранять ошибки до окончания проектирования платы. Каждый пользователь Altium Designer имеет доступ к выделенному рабочему пространству - Workspace в Altium 365 ™, где можно хранить проекты, данные о компонентах, производственные данные и любую другую проектную документацию, а также делиться ими с коллегами.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer и Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .