Высокоскоростные печатные платы. Примеры применения правил сохранения целостности электрических сигналов и электропитания

Андрей Васильевич Трундов

В книге представлены результаты моделирования линий передачи с различными типами неоднородностей. Отдельный раздел посвящен анализу целостности электропитания. Большое количество иллюстраций позволит читателю лучше увидеть и понять, как именно «работают» правила сохранения целостности электрических сигналов и электропитания в реальных конструкциях.

Пример расчета параметров однородной микрополосковой линии передачи

По ранее предложенным методикам [9] выполним расчет основных параметров и характеристик однородной микрополосковой линии передачи.

Это именно то, что можно сделать при помощи карандаша и бумаги без использования мощной среды моделирования/анализа конструкции печатной платы. Много это или мало, вы сможете оценить самостоятельно после прочтения книги.

В следующих главах представлены результаты анализа характеристик всех линий передачи, полученные в среде моделирования/анализа HyperLynx SI/PI Mentor (A Siemens Business).

Скорость распространения электромагнитной волны в полосковой линии передачи

Скорость распространения электромагнитной волны в линии передачи определяется типом линии и электрической проницаемостью диэлектрика.

В полосковой линии передачи сигнальный проводник полностью находится внутри диэлектрика. Скорость распространения электромагнитной волны может быть определена из выражения.

V = c/SQR (ɛμ)

,где SQR — символьное обозначение корня квадратного, μ — магнитная проницаемость (при отсутствии магнитного поля может быть принята равной единице), ɛ — электрическая проницаемость диэлектрика (принята равной четырем для упрощения вычислений), с — скорость света (равна 3х10⁸ м/с).

Для полосковой линии передачи значение скорости распространения волны при указанных параметрах равно половине значения скорости света

V_{полос. л.п.} = 1,5х10⁸ м/с

Скорость распространения электромагнитной волны в микрополосковой линии передачи

В микрополосковой линии передачи с одной стороны от сигнального проводника расположен диэлектрик FR-4. С другой стороны диэлектрик отсутствует. Расчет скорости распространения электромагнитной волны может быть затруднен, поскольку точно определить «усредненное» значение электрической проницаемости невозможно без выполнения сложных математических вычислений.

Типовое значение скорости распространения, применяемое для расчетов, может быть принято равным от

1,6х10⁸ м/с до 1,8х10⁸ м/с.

Более точное значение можно определить по параметрам, полученным в среде моделирования/анализа HyperLynx.

Рис. 8 Краткий набор характеристик сегмента однородной микрополосковой линии передачи

Используя набор характеристик сегмента прямой однородной линии передачи, разделим длину линии передачи L = 10 см на время распространения сигнала tраспр. = 604 пс. Получим значение скорости распространения волны, равное

V_{микрополос. л.п. =} L/tраспр. = 1,66х10⁸ м/с

Частота среза амплитудно-частотной характеристики линии передачи или верхнее значение полосы пропускания линии без учета влияния параметров источника и приемника сигнала

Омическое или погонное сопротивление сигнального проводника линии передачи R = 0,3 Ом и значение емкости C = 12 пФ, образованной между сигнальным проводником и опорным слоем с учетом электрической проницаемости диэлектрика между ними, позволяют рассчитать предельно допустимую частоту среза RC фильтра нижних частот (ФНЧ).

Fср = 1/2?RC = 44 ГГц

Частота среза амплитудно-частотной характеристики линии передачи или верхнее значение полосы пропускания линии с учетом влияния параметров источника и приемника сигнала

С учетом выходного сопротивления источника сигнала (для упрощения расчета принимается равным 10 Ом), выходной емкости источника сигнала (принимается равной 10 пФ), входной емкости приемника сигнала (принимается равной 10 пФ) получим значение частоты среза

Fср = 1/2?RC = 530 МГц

Для расширения полосы частот линии передачи производители микросхем стремятся уменьшить емкости передатчика и приемника сигнала до минимально возможных значений.

При минимальных значениях емкостей передатчика и приемника определяющим для получения максимальной полосы пропускания линии передачи становится собственное значение емкости линии, которое в большей степени зависит от длины линии передачи. В примере оно равно 12 пФ для длины 10 см при заданной ширине проводника 0,5 мм и толщине диэлектрика 100 мкм.

Для указанных параметров получим

Fср = 1/2?RC = 1327 МГц

Таким образом, можно определить примерные границы полосы пропускания однородной микрополосковой линии передачи длиной 10 см, которые составляют 500 — 1500 МГц.

Для полосковой линии передачи с меньшим значением скорости распространения электромагнитной волны из-за большего значения потерь в диэлектрике верхние значения частот полосы пропускания будут ниже, определенных ранее. Чем выше потери энергии сигнала в диэлектрике, тем ниже частота среза амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

Для линии передачи с высокочастотным диэлектриком со значением электрической проницаемости близким к единице скорость распространения электромагнитной волны может приблизиться к скорости света. В результате верхняя граница полосы частот для аналогичной линии передачи длиной 10 см может достигнуть значения 2500 МГц.

Таким образом для выбранной линии передачи верхняя граница полосы частот может изменяться от 500 до 2500 МГц в зависимости от типа диэлектрика и типа конструкции синфазной линии передачи.

Максимальная частота периодического сигнала (меандра)

с гарантией прохождения в полосе пропускания до 5 гармоники основного сигнала включительно ограничена значением

F _{меандр max} = 500 МГц/5 = 100 МГц (для полосы частот 500 МГц)

F _{меандр max} = 1500 МГц/5 = 300 МГц (для полосы частот 1500 МГц)

F _{меандр max} = 2500 МГц/5 = 500 МГц (для полосы частот 2500 МГц)

То есть, передача меандра (или периодической последовательности импульсов) с частотой выше 300 МГц при организации микрополосковой линии передачи с диэлектриком FR-4 длиной 10 см становится практически невозможна.

Для кратного увеличения частоты передаваемого сигнала следует кратно уменьшить емкость линии передачи, а значит — ее длину.

При рассмотрении неоднородной линии передачи важно помнить, что в случае использования метода последовательного согласования установка в линию последовательных согласующих резисторов серьезно ограничит полосу пропускания и частоту периодической последовательности импульсов.

Поэтому максимальное внимание должно быть уделено обеспечению однородности линии передачи.

Для еще большего увеличения частоты передаваемых сигналов применяются дифференциальные стандарты и интерфейсы.

Во-первых, они обеспечивают значительно лучшую помехоустойчивость по сравнению с синфазными линиями передачи.

Во-вторых, размах напряжения на входе приемника в дифференциальных интерфейсах может быть в несколько раз ниже по сравнению с размахом сигнала на выходе передатчика.

Например, для стандарта LVDS, размах напряжения на выходе дифференциального драйвера может достигать 600 мВ. При этом размах сигнала на входе дифференциального приемника не должен быть ниже 100 мВ, что допускает ослабление исходного сигнала до шести раз. Учитывая спад АЧХ RC фильтра нижних частот первого порядка, равный — 20дБ/декада (в 10 раз при изменении частоты в 10 раз), можно оценить, что при частоте среза АЧХ с границами 500—1500 МГц по уровню — 3дБ линия передачи может пропускать полосу частот до значения около 10 ГГц с заданным ослаблением — 15дБ (в 6 раз).

Время нарастания/спада прямоугольного импульса

определяется из выражения

F_верх. = 0,35/t_нар/сп

и составит:

— 660 пс (для полосы пропускания с верхней границей на частоте 500 МГц) — стандартный FR-4, длина линии передачи 10 см,

— 230 пс (для полосы пропускания с верхней границей на частоте 1500 МГц) — высококачественный диэлектрик с меньшими потерями,

— 140 пс (для полосы пропускания с верхней границей на частоте 2500 МГц) — стандартный FR-4 — длина линии передачи уменьшена до 2 см.

Собственная частота резонанса несогласованного сегмента линии передачи

Определим собственную частоту резонанса прямой линии передачи длиной L=10 см.

F₀ = V/4L = 1,66х10⁸ / 0,4 = 415 МГц

Где L — длина линии передачи, равная четверти длины волны ?

? = 4l = 0,4 м

Результаты расчета

Расчетным путем определены основные параметры однородной микрополосковой линии передачи длиной 10 см выполненной в печатной плате с диэлектриком

FR-4 с электрической проницаемостью равной 4, а именно:

— собственная частота резонанса 415 МГц,

— минимальная верхняя граница полосы частот 530 МГц,

— максимальная частота сигнала меандр не менее 100 МГц,

— минимальное время нарастания/спада прямоугольного импульса 660 пс.