Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов и электропитания

Андрей Васильевич Трундов

В книге собраны материалы по теме сохранения целостности электрических сигналов и электропитания, которые позволят радиолюбителям и инженерам осознанно применять известные правила при проектировании печатных плат высокоскоростных устройств. Для начинающих радиолюбителей и студентов книга может стать справочным пособием по разработке печатных плат с набором правил «хорошего тона».

Предисловие

В марте 2015 г. в РФ был введен в действие межгосударственный стандарт ГОСТ IEC 61188-1-2-2013 «Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение». В документе внимание разработчиков радиоэлектронной аппаратуры обращено на серьезные требования, предъявляемые радиоэлектронной промышленностью к проектированию высокоскоростных печатных плат, предложен набор правил и рекомендаций для обеспечения выполнения требований сохранения целостности сигналов и питания.

Методы и правила сохранения целостности электрических сигналов в стандарте представлены без объяснений принципов их работы. Для правильного их применения в соответствии с реальной ситуацией требуется углубленное изучение.

Отечественная литература по данной тематике практически отсутствует. В различных ВУЗах нашей страны существуют разрозненные методические пособия и материалы, преподаваемые в рамках курса «Радиотехника». Некоторые доступные работы зарубежных авторов по данной тематике перечислены в разделе «Список рекомендуемой литературы и указателей», представленном в конце книги.

Отсутствие систематизированной информации по теме сохранения целостности сигналов и питания и невнимательность к данной теме руководителей проектов приводит к пренебрежению в использовании достаточно простых, но важных правил перед началом эскизного и в процессе рабочего проектирования печатных плат.

В конечном итоге серьезные недостатки в области электромагнитной совместимости да и просто в работоспособности проявляются только в процессе испытаний электрических макетов, что приводит к значительному увеличению сроков разработки и стоимости изделий.

В книге сделана попытка объяснить и систематизировать известные правила проектирования печатных плат.

Огромную помощь в понимании электрофизических процессов и «проверке знаний» дала возможность применения систем моделирования, проектирования и анализа печатных плат HyperLynx SI/PI компании Mentor (A Siemens Business) и Sigrity фирмы «Cadence Design Systems» как в предтопологическом, так и в посттопологическом режиме после разработки конструкций плат до момента их изготовления.

Именно хорошая сходимость результатов моделирования с результатами реальных измерений, накопленных за время практической деятельности, позволили представить в книге правила и методики повышения качества печатных плат без строгого математического обоснования.

Прочитав книгу вы познакомитесь с понятиями:

— электромагнитное поле и электромагнитная волна,

— цифровой сигнал,

— пассивные элементы и типовые звенья на их основе,

— линия передачи,

— волновое сопротивление линии передачи,

— однородность линии передачи,

— виды и причины неоднородностей линии передачи,

— методы согласования сопротивлений,

— собственная частота резонанса линии передачи,

— скорость распространения электромагнитной волны

в различных средах и типах линий передачи,

— матрица конденсаторов для снижения уровня шумов,"дребезга земли"и"эффекта хлопающих крыльев"в системе электропитания печатной платы.

Вы узнаете почему «нельзя» и в каких случаях «можно»:

— использовать длинные проводники,

— трассировать соседние проводники близко друг к другу

— располагать сигнальные проводники близко

к проводникам или полигонам земли и питания,

— изменять ширину проводника по ходу трассы,

— допускать разрывы полигона земли (опорного слоя)

под сигнальными проводниками или линиями передачи,

— допускать изгибы проводников,

— допускать создание «контуров» и «петель»,

— допускать установку переходных отверстий,

— допускать ветвление проводников.

Вы научитесь:

— применять методы согласования сопротивлений,

— организовывать однородные линии передачи,

— организовывать стек печатной платы,

— организовывать классы цепей,

— разрабатывать правила для отдельных классов цепей,

— оптимально размещать элементы на плате,

— применять электрическое и магнитное экранирование,

— применять методы улучшения электромагнитной совместимости разрабатываемых устройств,

— оценивать необходимость выравнивания проводников в шинах и дифференциальных парах,

— устанавливать «матрицы конденсаторов»,

— снижать плотности токов в проводниках и полигонах питания,

— обеспечивать низкий и равномерный импеданс цепей питания в требуемом диапазоне частот.