Прохождение сигнала через разделенные слои и альтернативные методы последовательного согласования

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье рассматриваются особенности проектирования печатных плат с учетом разделения или функционального секционирования областей с разными компонентами, даются рекомендации по корректной реализации трактов обратного тока, контроля и управлению трассировкой, предлагаются способы уменьшения перекрестных помех. Кроме того, рассматриваются два случая последовательного согласования, с которыми имеет дело каждый разработчик печатных плат.

Высокоскоростной сигнал, пересекающий разделенный участок в опорной плоскости, является по крайней мере причиной ухудшения качества сигнала, возникновения перекрестной и электромагнитных помех. Так происходит из-за разрыва импеданса в тракте обратного сигнала, пересекающего щель. Любое нарушение непрерывности импеданса приводит к частичному возврату энергии в сторону источника, особенно высокочастотных составляющих сигнала. На высоких частотах обратный ток течет по пути с наименьшим импедансом. Этот тракт находится над или под сигнальным трактом с прорезью.

В этом случае обратный ток ищет альтернативный путь к источнику, создавая контур сравнительно большой площади. Мы рассмотрим два общих решения этой проблемы, а также рассмотрим оптимальный способ построения высокоскоростной схемы.

 

Сквозной зазор

В низкочастотных схемах, работающих в звуковом диапазоне, заземляющие слои часто делятся на части, но цифровые схемы нельзя эффективно изолировать от аналоговых цепей с помощью этого метода. Много лет назад подключение заземляющих соединений к одной общей точке позволяло успешно исключить шум в усилителях. Однако по мере роста частоты паразитная емкость и индуктивность начинают преобладать, и единственным способом избежать этого влияния является экран, защищающий от электромагнитных помех.

Основой успешного проектирования приложения со смешанными или цифровыми сигналами является использование функциональной разбивки с учетом тракта обратного тока, а также контроль и управление разводкой, а не разделение заземляющих слоев. Заземления аналоговых и цифровых систем должны соединяться друг с другом через низкоимпедансный тракт. Лучше всего, когда в системе имеется только одна-единственная заземляющая плоскость.

Когда на одной и той же печатной плате установлены аналоговые и цифровые компоненты, необходимо, как правило, секционировать (не расщепить!) заземляющий слой. Компоненты следует сгруппировать в соответствии с их функционалом и разместить так, чтоб цифровые сигналы не пересекали аналоговый заземляющий слой, а аналоговые сигналы не проходили над цифровым земляным слоем.

Точное секционирование минимизирует длины проводников, повышает качество сигналов, сводит к минимуму паразитные связи, уменьшает излучаемые помехи и чувствительность. Как правило, такое разделение осуществляется путем создания зон, где ни один проводник не может проходить по отгороженной площади. Однако в результате возникают проблемы, связанные с прохождением по этим чувствительным участкам платы сигналов данных и управления.

Особое внимание требуется уделять осцилляторам и импульсным источникам питания, которые генерируют высокочастотные электромагнитные поля. При наличии достаточной площади эти схемы следует размещать, по крайней мере, на расстоянии 6,35 мм от любых сигнальных проводников во избежание паразитной связи. Кроме того, для уменьшения паразитных связей используются тонкие проводники (ограждающие дорожки), которые неплохо изолируют отдельные области печатной платы и даже в лучшей мере, чем разделенные зоны, снижают взаимовлияние соединений. Заземляющий слой не должен содержать щелей: сквозные зазоры делаются в ограждающих дорожках так, чтобы сигналы данных и управления свободно проходили через эти зоны, как показано на рис. 1. На высоких частотах обратный ток протекает непосредственно под сигнальным проводником на опорной плоскости, проходя по проводнику через сквозной зазор.

Ограждающие проводники для контроля над межсоединениями и изоляцией

Рис. 1. Ограждающие проводники для контроля над межсоединениями и изоляцией

 

Соединение слоев с разными потенциалами

В современных приложениях не редкость, когда на одной печатной плате имеется несколько источников питания. Вместо того чтобы устанавливать один или два источника питания из расчета на один слой, рекомендуется воспользоваться слоями со сдвоенными полосковыми линиями, чтобы обеспечить поступление смешанных сигналов и питание, а также сократить количество слоев. Это позволяет также избежать наложения электромагнитных полей, которые создают перекрестную помеху.

Особенно важна такая мера в случае двойных несимметричных конфигураций, где один или два сигнальных слоя неравномерно размещены между двумя плоскостями (рис. 2). Необходимо четко определить тракт обратного тока, чтобы иметь ясное представление о том, где он будет протекать. Вопрос не о том, по какой плоскости течет обратный ток, а о том, как он распределяется по каждой из них. Кроме того, если в обратном тракте имеется разрыв, ток отклоняется от этого пути, что увеличивает площадь токового контура, индуктивность и задержку.

Плотность тока в обратном тракте в случае двойной несимметричной полосковой линии

Рис. 2. Плотность тока в обратном тракте в случае двойной несимметричной полосковой линии

Из-за переходного отверстия, через которое осуществляется соединение между сигнальными слоями с опорными плоскостями, имеющими разные потенциалы по постоянному току, возникают разрывы импеданса в тракте обратного тока. Другими словами, чтобы замкнуть контур, обратному току приходится проходить между плоскостями, что ухудшает качество сигнала в результате увеличения индуктивности. Этот обратный ток может стать причиной появления резонанса между параллельными слоями и последующего возникновения значительных краевых полей. Если опорные плоскости имеют одинаковый потенциал по постоянному току, их можно соединить с помощью «сшивающих» переходных отверстий, расположенных рядом с отверстием для сигнала, чтобы сократить длину тракта обратного тока.

Однако если плоскости имеют разные потенциалы по постоянному току, между ними устанавливается шунтирующий конденсатор, как показано на рис. 3 (слева). К сожалению, между двумя источниками питания в этом случае может проходить шум по переменному току. Два шунтирующих конденсатора, как видно из рис. 3 (справа), представляют собой намного лучшее решение, поскольку их использование исключает передачу шума от одного источника питания другому. И хотя в таком решении площадь токового контура больше, оно обеспечивает дополнительную развязку между плоскостями за счет меньшего импеданса схемы распределения питания.

Исключение шума в обратном тракте плоскостей питания с щелями

Рис. 3. Исключение шума в обратном тракте плоскостей питания с щелями

 

Планарная емкость

Описанные решения применяются в большинстве схем. Являются ли они оптимальными для обеспечения прохождения высокоскоростного сигнала через разделенную плоскость? Щель в этой плоскости под двумя и более близко расположенными сигнальными проводниками, как правило, побуждает обратные токи течь по одному тракту, что в некоторой степени способствует появлению перекрестной помехи. Поскольку в схемах с высокой плотностью размещения элементов количество областей питания может достигать двух десятков и более, что соответствует пяти и более парам плоскостей, трассировку большинства сложных схемы нельзя выполнить, не проведя сигнальные тракты через щели. В результате установки керамических конденсаторов емкостью 100 нФ на щели свободное место на плате становится меньше, а площадь токового контура увеличивается, что, в свою очередь, приводит к появлению нежелательных излучений.

В рассматриваемом случае при проектировании многослойной платы вместо шунтирующих конденсаторов используется планарная емкость, благодаря которой каждая область VDD/VCC сильно связывается со сплошной заземляющей плоскостью. Как правило, пара плоскостей представляет собой обкладки большого конденсатора, эффективность которого повышается по мере утончения диэлектрического слоя. Сигнальные слои тоже должны иметь по соседству сплошную заземляющую плоскость для обратного тока с целью обеспечения корректного управления электромагнитной волной. Как видно из рис. 4, в комбинации из трех слоев планарная емкость обеспечивает альтернативный обратный тракт, расположенный поперек зазора. Количество плоскостей не увеличивается, т. к. следующий сигнальный уровень в этой конфигурации тоже может использовать дополнительную заземляющую плоскость. Поскольку на высоких частотах плотность тока возрастает в направлении от оси к поверхности проводника, фактически возникают две независимые заземляющие плоскости на верхней и нижней поверхностях; при этом перекрестная помеха в обратном тракте отсутствует, хотя, по сути, данная плоскость представляет собой один медный слой.

Трехмерное изображение полосковой конфигурации с разделенной плоскостью

Рис. 4. Трехмерное изображение полосковой конфигурации с разделенной плоскостью

Однако эта методология также зависит от частоты и от геометрии конфигурации. С ростом частоты большее количество мощности инжектируется в полость слоя, распространяясь по всей щели. Излучение от щели с частотой выше 10 ГГц попадает в соседние проводники. В правильно разработанных схемах распределения питания слои питания сильно связаны с соответствующими заземляющими слоями, образуя планарную емкость. Разумеется, этого не происходит, если две плоскости находятся друг от друга на большом расстоянии. Данные о многослойной плате можно отправить в планировщик iCD PDN, чтобы оценить влияние планарной емкости на резонанс в плоскостях в разных конфигурациях.

Если между силовой и заземляющей плоскостями имеются очень тонкие диэлектрические слои (0,051–0,076 мм), плоскости с щелями оказывают минимальное влияние на качество передачи сигналов при корректно выполненном проектировании. Если в полосковой конфигурации разделенная плоскость сверху и снизу покрыта сплошными заземляющими слоями, проблем с излучением не возникает.

Заметим, что эти выводы относятся также к дифференциальным парам, пересекающим разделенную плоскость. Обратный ток в этом случае течет по опорным плоскостям, а не в направлении, противоположном направлению сигнала в проводнике, особенно если данная пара не очень сильно связана. Для изоляции плоскостей с разными потенциалами рекомендуется, как правило, использовать минимальный зазор величиной 0,51 мм. Однако с учетом современных методов травления достаточно сделать зазор в два раза меньшей толщины в случае низковольтных приложений. В заземляющих плоскостях никогда не должно быть щелей за исключением приложений, работающих на звуковых частотах, специализированных ВЧ/СВЧ-приложений и систем с гальванической развязкой высоковольтных цепей. Функциональное разделение и контролируемая трассировка — основа успешного проектирования приложений со смешанными сигналами, а использование планарной емкости представляет собой отличное решение для высокоскоростных цифровых приложений, работающих на частоте до 10 ГГц.

Итак, мы рассмотрели возможные проблемы, возникающие при прохождении высокоскоростных сигналов между слоями печатной платы. К сожалению, этими проблемами не исчерпываются все трудности проектирования печатных плат с высокоскоростными интерфейсами. Не менее важно обеспечить согласование сигнала с линией передачи. Мы подробно рассмотрим два отдельных случая последовательного согласования, с которыми имеет дело каждый разработчик печатных плат.


На заметку

  • Щель в заземляющей плоскости вызывает разрыв импеданса в тракте обратного сигнала.
  • В низкочастотных цепях в диапазоне звуковых частот заземляющие плоскости часто разделяются.
  • Ключевое требование к успешному проектированию приложений со смешанными сигналами состоит в функциональном секционировании, понимании того, как корректно реализовать тракт обратного тока, контроль и управление трассировкой.
  • Для уменьшения перекрестных помех используются ограждающие проводники (дорожки).
  • Заземляющую плоскость нельзя разделять. Для прохождения сигналов данных и управления в ограждениях делаются сквозные зазоры.
  • Для прохождения смешанных сигналов, подачи питания и сокращения количества слоев используются сдвоенные полосковые линии.

Альтернативные методы последовательного согласования

В статье [1] обсуждались три самых распространенных метода согласования: последовательное, оконечное и дифференциальное. Эти методы исключают рассогласование импедансов и, следовательно, отражения, позволяя избежать перекрестных и электромагнитных помех. Как правило, согласование линии передачи (проводников) требуется, когда время прохождения сигнала в прямом и обратном направлениях равно или больше длительности переднего или заднего фронтов импульса источника сигналов. В противном случае возможно появление ошибок, вызванных деградацией сигнала.

 

Распределение синхросигналов по нескольким нагрузкам

Поскольку в запоминающих устройствах тактовый сигнал запускает передачу входных и выходных данных, его следует синхронизовать так, чтобы перед каждым последующим циклом обеспечивалась стабилизация. Для этого задержки в тактовых линиях синхронизации и линиях данных в точности должны соответствовать заданной конфигурации и времени выдержки. Поскольку передачу цифровых сигналов нельзя ускорить, единственный способ обеспечить соответствие времени поступления сигнала по самым длинным линиям шины состоит в увеличении длины коротких линий. Однако задержка синхросигнала должна быть наибольшей среди всех задержек, чтобы сигналы данных имели возможность установиться до начала синхронизации.

Трассировка синхросигналов при наличии нескольких нагрузок осуществляется многими способами. Например, для каждого отдельного приемника можно использовать буфер или выделенное синхронизующее устройство с цепью ФАПЧ для согласования по времени. При этом повышается стоимость конечного приложения, и уменьшается место, занимаемое на плате.

Звездообразная трассировка отлично подходит для подачи тактового сигнала нескольким нагрузкам в линиях с малой и средними скоростями передачи. В этом случае линии передачи располагаются веером относительно одного источника сигналов, и в каждую из них устанавливается последовательный резистор. Такой подход уменьшает отражения. Задержка в каждой цепи согласуется в соответствии с каждой нагрузкой. В случае использования нескольких приемников в линиях синхронизации рекомендуется сначала определить время задержки для самого удаленного приемника от источника сигналов, а затем согласовать ее с задержками других приемников.

Как правило, поскольку у тактовых сигналов малая длительность переднего фронта, они создают достаточно высокий шум из-за большого количества гармоник. Следовательно, их необходимо изолировать от остальной части схемы. Чтобы уменьшить влияние схемы с шумными синхросигналами, рекомендуется поместить ее в центре печатной платы, откуда осуществляется подача этих сигналов в нагрузки с учетом конфигураций и заданного времени задержки.

Часть электромагнитных полей вокруг микрополоскового проводника (на внешнем слое) находится внутри диэлектриков, а часть — в воздушном пространстве. Поскольку ди­электрическая проницаемость воздуха равна единице и всегда меньше проницаемостей стеклотекстолита и паяльной маски (4,3 и 3,3, соответственно), воздух уменьшает эффективную диэлектрическую проницаемость и ускоряет распространение сигналов. Даже если значения ширины проводников корректируются на каждом слое для уравнивания их импедансов, скорость распространения сигналов по микрополосковой линии всегда выше, чем по полосковой примерно на 13–17%. Скорость распространения цифровых сигналов зависит не от геометрии проводников и импеданса, а от диэлектрической проницаемости материалов. Следовательно, время задержки сигнала в разных слоях многослойной конфигурации тоже разное.

Зная об этой проблеме, можно подобрать времена задержки (рис. 5), чтобы компенсировать изменение времени распространения, благодаря чему при номинальной температуре все сигналы, проходящие по микрополосковой или полосковой линии, станут поступать в приемник одновременно. Разработчики всегда должны учитывать время задержки, а не длину проводников. Перед размещением компонентов и трассировкой следует определить имеющиеся ограничения на трассировку межсоединений. Эти требования, включая ограничения по результатам предварительной симуляции, технологические допуски, рекомендации производителей и руководящие установки, определяют размещение компонентов и трассировку. Проверка проектных норм в режиме онлайн позволяет выявить нарушения этих требований и условий.

Относительная скорость распространения сигналов в микрополосковой и полосковой линиях (симуляция в iCD Design Integrity)

Рис. 5. Относительная скорость распространения сигналов в микрополосковой и полосковой линиях (симуляция в iCD Design Integrity)

На многослойной печатной плате тактовые сигналы должны проходить по полосковой линии (внутреннему слою) между двумя сплошными опорными плоскостями, что позволяет уменьшить помеху. Зазор между сигнальным проводником и плоскостями с обратным сигналом должен по возможности быть малым, чтобы усилить связь и уменьшить площадь контура. Необходимо соблюдать три следующих требования.

  1.  Проводники с тактовыми сигналами должны веерообразно расходиться рядом с выходом драйвера. Точка ветвления должна отстоять от источника сигнала на расстоянии не более 5 мм и переходить на внутренний слой, а затем возвращаться к нагрузке. Каждой нагрузке требуется последовательное согласующее сопротивление.
  2.  Для обратного сигнала используется одна и та же опорная плоскость (по возможности, заземляющая), что уменьшает площадь токового контура и, следовательно, электромагнитное излучение.
  3.  Для минимизации перекрестной помехи требуется, чтобы расстояние между проводниками с чувствительными к помехам сигналами, по крайней мере, в три раза превышало ширину проводника.

 

Согласование двунаправленных линий

Для последовательного согласования резистор устанавливается рядом с источником сигналов (рис. 6). Благодаря этому отраженный импульс «видит» собственный импеданс источника и величину последовательного сопротивления (как правило, 50 Ом). Поскольку в этом случае линия передачи согласована, она полностью поглощает отраженную энергию. Однако данные направляются от ЦП к памяти при записи в нее и обратно при чтении. Где установить последовательное согласующее сопротивление в двухточечной конфигурации – на одном из концов проводника или, может быть, в центре линии передачи?

Для последовательного согласования резистор, как правило, устанавливается рядом с источником сигналов

Рис. 6. Для последовательного согласования резистор, как правило, устанавливается рядом с источником сигналов

По привычке или, возможно, из-за боязни ошибиться, согласующий резистор, как правило, устанавливают рядом с центральным процессором, а не с нагрузкой. Однако результаты симуляции показывают, что место установки этого резистора не имеет большого значения.

При этом лучше придерживаться неписаного правила – размещать по одному согласующему резистору на каждом конце линии передачи, как показано на рис. 7. Из рис. 8 видно, что в циклах чтения и записи глазковая диаграмма стала лучше благодаря использованию этого решения. Синим цветом обозначен сигнал в линии, согласованной на двух концах, а красным и зеленым – сигналы на одном из концов линии передачи.

Последовательные согласующие резисторы на обоих концах линии (симуляция в HyperLynx)

Рис. 7. Последовательные согласующие резисторы на обоих концах линии (симуляция в HyperLynx)

Глазковые диаграммы линии передачи, согласованной на обоих концах (синим цветом), и линии с согласующим резистором на одном из концов

Рис. 8. Глазковые диаграммы линии передачи, согласованной на обоих концах (синим цветом), и линии с согласующим резистором на одном из концов

Решение, в котором резисторы установлены на обоих концах линии передачи рядом с источником и нагрузкой, является правильным, т. к. резистор и входная емкость нагрузки позволяют реализовать согласование по переменному току, или встроенную терминацию (AC termination), чтобы уменьшить отражения. Встроенное согласование (on-die termination, ODT) реализуется с помощью нескольких комбинаций резисторов с использованием DDR-памяти последних версий. Разработчики могут использовать комбинацию транзисторов с разными значениями сопротивления открытого канала. В случае памяти DDR2 можно задействовать внутренние резисторы на 150, 75 и 50 Ом. При встроенном согласовании в DDR3 используются номинал 120, 60, 40 Ом и т. д. В тех случаях, когда у устройств отсутствует встроенное согласование, достаточно воспользоваться двойным последовательным согласованием.


На заметку

  • К наиболее распространенным методам согласования относятся последовательное, оконечное согласование, а также согласование дифференциальной пары.
  • Согласование линии передачи необходимо в тех случаях, когда суммарное время распространения сигнала не меньше времени установления источника сигналов.
  • Назначение тактовых сигналов заключается в обеспечении временного режима работы схемы и соответствующей координации действий внутри системы.
  • При наличии нескольких приемников в линиях синхронизации рекомендуется сначала определить время задержки для самого удаленного приемника от источника сигналов, а затем согласовать ее с задержками других приемников.
  • Задержка синхросигнала должна быть наибольшей среди всех, чтобы сигналы данных имели возможность установиться до начала синхронизации.
  • Звездообразная трассировка отлично подходит для подачи тактового сигнала нескольким нагрузкам в линиях с малой и средней скоростями передачи.
  • Как правило, поскольку у тактовых сигналов – малая длительность переднего фронта, они создают достаточно большой шум из-за большого количества гармоник, и потому их следует изолировать от остальной части схемы.
  • Скорость распространения сигналов по микрополосковой линии всегда выше, чем по полосковой.
  • Скорость распространения цифровых сигналов не зависит от геометрии проводников и импеданса.
  • Разработчики всегда должны исходить из времени задержки, а не длины проводников.
  • Тактовые сигналы, проходящие по полосковой линии (внутреннему слою) между двумя сплошными опорными плоскостями, позволяют уменьшить помеху.
  • Резисторы устанавливаются на обоих концах линии передачи рядом с источником и нагрузкой для согласования двунаправленного сигнала.
Литература
  1.  Сергей Краснов. Согласование линий передачи. Электронные компоненты. № 6. 2020.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *