» » » Разработка высокоскоростных печатных плат глазами инженера-схемотехника. Сохранение целостности электрических сигналов

 

Разработка высокоскоростных печатных плат глазами инженера-схемотехника. Сохранение целостности электрических сигналов

Автор: admin от 28-05-2019, 19:10, посмотрело: 229

В данной теме я хочу поделиться моим опытом разработки высокоскоростных схем.

Имея успешный практический опыт (более 15 лет) разработки схем устройства, печатных плат, со скоростью передачи данных до нескольких гигагерц (по меди), опыт взаимодействия с конструкторами, разводчиками печатных плат, изучив большой объем литературы по теме сохранения целостности сигналов, мне удалось выработать ряд простых для понимания и повторения практических решений, которые хочу предложить Вашему вниманию.



Я понял, что без знания основ схемотехники, радиотехники, электроники — инженеры — конструкторы печатных плат часто не осознают важности тех или иных правил разводки, не могут правильно расставить приоритеты и делают досадные ошибки, приводящие к необходимости повторной разводки плат. Если повезет. Если причина сбоев в канале связи, причина искажений сигналов будет найдена верно.



Согласитесь, без понимания терминов стек, волновое сопротивление, опорный слой, дребезг земли, целостность сигналов и т.п. — сложно понять, о чем идет речь в той или иной главе, когда пытаетесь самостоятельно освоить P-CAD, Altium или другой пакет проектирования по очень хорошим книгам замечательных авторов. Ведь изначально авторы предполагают, что вы имеете достаточный запас знаний, для правильного понимания написанного.



Возможно вы тоже сталкивались с фразой, что в диапазоне СВЧ для разводки трасс высокоскоростных сигналов трассы должны быть выполнены как линии передачи. А что такое линии передачи — никто конструкторам не объяснил.



Важно знать необходимые понятия, начиная от емкостей, индуктивностей, резонансов, и заканчивая правилами группирования сигналов в классы и рекомендациями по правильной трассировке цепей каждого из них, а также критериями расстановки приоритетов. Думаю, что поняв основы сохранения целостности электрических сигналов (Signal Integrity), кратко представленные в данной теме, вы не будете допускать грубых неосмысленных ошибок в вашей работе.

Если вам интересны рекомендации по параметру Max Intra-Pair Skew посмотрите документ



Здесь четко указано, сколько вешать в граммах для всех высокоскоростных стандартов цифровых сигналов.



А ниже ссылка для простой и удобной программы для расчета волнового сопротивления различных линий передачи, организованных в печатной плате: www.awr.com/software/options/tx-line



2. И второй вопрос — который часто задается на зарубежных форумах. Нужен ли опорный слой в диф. линии?



Многие ответят сразу же — нет, не нужен. Есть же RS422 который работает по диф. паре. и земля там ни к чему, разве для повышения помехоустойчивости. Соглашусь, это правильный ответ. Но, есть рекомендации по применению опорного слоя в стандарте USB. LVDS также может работать без опорного слоя, в шлейфах лишь иногда встречаются земляные проводники, опять же для повышения помехоустойчивости. Сама физика диф. стыка такова, что опорный слой там не нужен. Но тут нужно также смотреть и на схемотехнику и стандарт сигналов в драйвере линии. Иногда, опорный слой нужен именно для правильной работы драйвера. Возможно, из-за этого в стандарте USB есть упоминание об опорном слое, а в стандарте 802.3 (Ethernet) вы не увидите прямой рекомендации по установке опорного слоя, да еще и согласующие изолирующие трансформаторы там стоят, некоторые из которых соединены центральной точкой с землей, а другие — нет.



Моя рекомендация — делайте опорный слой везде. Это точно не ухудшит работу диф. стыка, но повысит его помехоустойчивость. А это уже не мало! Единственный минус — при наличии земли рядом с сигнальным проводником между ними неминуемо будет емкость, которая при увеличении длины кабеля также увеличится и приведет к завалу фронтов, а нужно ли их заваливать или нет — решать вам.





Перекрестные искажения, наводки от внешних устройств, помехи по питанию, дребезг земли — все эти факторы могут приводить к искажению формы сигнала.



Защита от внешних наводок обычно выполняется применением экранировки самих разрабатываемых приборов, кабелей. Правильное заземление — на стороне источника сигнала, с двух сторон, через емкость и т.п. — является целой наукой и хорошо описано в книгах.



Из моего практического опыта могу отметить, что хорошо работает заземление кабелей между двумя устройствами с двух сторон. Такая непрерывная экранировка еще ни разу не подводила. Единственным опасным моментом может быть одновременное заземление внутренних экранов с двух сторон, и внешней экранирующей оболочки, также с двух сторон. При большой длине кабеля и сложной помеховой обстановке возможна ситуация, когда между двум приборами, соединенными таким образом, создается разность потенциалов (статический заряд на одном корпусе и его отсутствие на втором, к примеру). В этом случае по закону Ома ток, протекающий во внутреннему или внешнему экрану, может привести к его физическому разрушению (внутренние экраны в кабеле CAT5E и др. часто выполняют из тонкой фольги, которая при больших токах может расплавиться). В лабораторных условиях разрыв экранов можно назвать экзотикой. Но повреждение одного из двух оконечных устройств из-за разности потенциалов двух земель наблюдали многие. Даже широкий диапазон от 0,3 до 2,3 В для сигналов LVDS не спасает от выгорания драйвера. Для защиты от разрушения экрана применяется установка резистора сопротивлением 100 Ом-1 кОм между внутренним (сигнальным) экраном и внешним экраном (оплеткой кабеля). Внешняя экранирующая оболочка соединяется с корпусами устройств напрямую.



В печатной плате экранировка проводников может быть выполнена как расположением между ними земляного проводника, так и установкой проводников внутри пирога, ограниченного земляными слоями (полосковая симметричная и несимметричная линии, дифференциальная полосковая линия).



Опыт моделирования в HyperLynx Mentor Graphics позволил получить простое эмпирическое правило оценки расстоянии между двумя соседними проводниками, при котором линия агрессор будет наводить на линию жертву минимальную энергию сигнала. К примеру, между двумя линиями, расположенными параллельно друг относительно друга на расстоянии 1d, где d — ширина проводника, уровень наведенного сигнала составил примерно 350 мВ (размах) при распространении в линии агрессоре сигнала амплитудой 3,3В (уровни КМОП). При расположении тех же проводников на расстоянии 3d друг от друга, уровень наводки сократился до 100-150 мВ. При расстоянии 5 d — уровень наводки был менее 30 мВ. Это подтверждает известное правило 3d — рекомендуемое разработчиками пакетов моделирования Mentor Graphics, Cadence OrCad и другими источниками. Даже расстояние 1 d обеспечивает уровень наводки, приемлемый с точки зрения уровня логического нуля (менее 0,7-0,8 В). Но в данном эксперименте не учитывается, что линий агрессоров может быть несколько, и энергия сигналов может суммироваться.



Налицо емкостная связь между параллельными линиями — действительно, каждая из них является «обкладкой конденсатора». Диэлектриком может быть как воздух (для микрополосковой линии), так и слой диэлектрика печатной платы (для полосковой линии передачи.) Интересен и результат моделирования перекрестных искажений между двумя дифференциальными линиями — где уже на расстоянии 1d для диф. линий уровень наводки получается сравнимым с уровнем для одиночных синфазных проводников, расположенных на расстоянии 5d. Этим примером наглядно показывается преимущество использования дифференциальных линий по сравнению с одиночными линиями передачи.



Необходимо отметить, что правило 3d работает в ближней зоне. Многое определяется и скоростью нарастания фронта (чем круче фронт, тем шире спектр, тем больше уровень емкостной наводки, поскольку импеданс емкости снижается с ростом частоты), и длиной линии передачи (особенно в дальней зоне, где проводники являются одновременно и передающей и приемной антеннами). В области низких частот электрические поля не могут наводиться столь значительно (емкостная наводка малоэффективна из-за большого значения импеданса того же конденсатора в области НЧ). И большее значение на помеховую обстановку оказывает наличие магнитных полей (при установке дросселей, трансформаторов, реле и т.п.).



Особо сложно оценивать резонансные наводки, когда две цепи выполнены геометрически аналогично. К примеру, одна цепь представляет собой сильно изогнутую линию (чем больше изгибов, тем выше индуктивность), и вторая цепь топологически похожа на первую. Если они при этом выполнены в одном слое, между двумя драйверами-приемниками одной и той же микросхемы, суммарные емкости каждой из линий также имеют одинаковые значения. В результате формируется параллельный резонансный контур, и уже между контурами связь формируется не емкостная, а резонансная. Частота резонанса может быть расположена много выше спектра передаваемого сигнала и верхней граничной частоты линии передачи, но благодаря высокой добротности антенн, связанных с минимальным активным сопротивлением, эффективность передачи верхних гармоник сигнала в линии агрессора достаточно высока. Очень опасное явление. Не напоминает ли это линии в параллельно шине данных?!



Еще одно важное замечание. Если линия жертва не нагружена (а обычно КМОП вход приемника предполагает наличие только емкостной нагрузки для драйвера), благодаря удвоению напряжения за счет влияния отраженного сигнала от нагрузки в режиме холостого хода, уровень наводки возрастает в квадрате, поскольку уровень энергии пропорционален квадрату напряжения.



Именно поэтому, я рекомендую, выполнять согласование линии передачи хотя бы на стороне источника. В книге Сохранение целостности электрических сигналов (задайте поиск в книжных интернет магазинах), есть еще один пример, с применением как раз согласующего резистора для улучшения ЭМС и снижения перекрестных искажений и наводок. Если Вам интересно, насколько эффективно применение согласования во всех перечисленных случаях, вы знаете, где найти ответ.



Там же Вы сможете найти ответ и на вопрос, как защититься от дребезга земли, как обеспечить целостность питания, и другие практические правила и рекомендации, способствующие правильной разработке высокоскоростных печатных плат и устройств.



Дополнительно вы можете обратиться в раздел 5.1 ru.wikipedia.org/wiki/Целостность_сигналов и познакомиться с работами авторов из списка литературы.



Успехов в Ваших разработках, друзья!

Источник: Хабр / Интересные публикации

Категория: Веб-разработка

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Добавление комментария

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Полужирный Наклонный текст Подчеркнутый текст Зачеркнутый текст | Выравнивание по левому краю По центру Выравнивание по правому краю | Вставка смайликов Выбор цвета | Скрытый текст Вставка цитаты Преобразовать выбранный текст из транслитерации в кириллицу Вставка спойлера
Введите два слова, показанных на изображении: *