Резонанс в полостях печатной платы

При протекании обратного тока через импеданс полостей, образованных двумя слоями, возникает напряжение. И хотя оно очень мало (как правило, не превышает 5 мВ), суммарный шум от одновременно переключающихся устройств становится заметным. Причем, он увеличивается с ростом напряжения.

На рис. 1 показано электромагнитное поле, возникающее в межслойной полости при резонансе. Волна от площадки с сигнальным отверстием под напряжением проникает в полость, образованную, например, параллельными медными участками на заземляющих плоскостях платы. При определенных условиях эта волна вызывает резонансные явления. Перекрестные помехи от напряжения в переходном процессе проникают в остальные сигнальные отверстия, которые проходят через полость.

Рис. 1. Электромагнитное поле, распространяющееся в межслойной полости

Чем больше коммутационных сигналов проходят через полость, тем больший шум поступает в другие сигналы. Шум от полости проникает во все отверстия, которые через нее проходят. В результате появляются стоячие волны, распространяющиеся по всей паре слоев.

Таким образом, проникновение ВЧ-шума в полости осуществляется через сигналы, которые проходят через эти полости, поскольку каждый слой последовательно используется как обратный сигнальный тракт. На низких частотах импеданс полости (рис. 2) имеет индуктивный характер из-за индуктивного характера импеданса преобразователя напряжения. Однако индуктивность этого преобразователя в сочетании с резонансом плоскости создает в рассматриваемом случае антирезонансный пик на частоте 35 МГц. Параметры резонанса зависят от ряда факторов, в т. ч. от потерь в проводнике, площади участка на плоскости, диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрика между парами слоев. В данном случае слои, как правило, резонируют на частоте около 300 МГц с гармоническими составляющими на частоте от 1 ГГц.

Рис. 2. Частотная характеристика суммарного импеданса полости и преобразователя напряжения

Если импеданс велик по переменному току на основной частоте или любой нечетной гармонике, на краях плоскостей печатной платы появляются поля.

Необходимо, чтобы сигнальные тракты были резонаторами с низкой добротностью, благодаря чему уменьшается звон и увеличивается ширина полосы пропускания. Однако если полость образована силовым и заземляющим слоями, у нее очень высокая добротность. Это значит, что даже незначительные помехи от сигнальных трактов могут стать причиной резонансов и шума, который распространяется внутри полости на большие расстояния. Зная величину резонансной частоты полости, можно предвидеть возможные проблемы.

У полости с открытыми торцами резонанс возникает в том случае, когда между ними образуется целое число полуволн. Из рис. 3, на котором показана зависимость резонанса межслойной полости от частоты, видно, что резонанс возникает на 1 ГГц. Если величина тактовой частоты сигнала (или ее гармоник) кратна 1 ГГц, шум проникает в межслойную полость. Если частоты гармоник сигналов синхронизации или данных накладываются на резонансные частоты полости, возникает взаимодействие между любыми сигналами, проходящими через полость. Это одна из причин, по которой все слои с обратными трактами должны быть заземляющими, позволяя разместить между ними сквозные отверстия (stitching vias). Такие отверстия образуют экран (клетку) Фарадея, благодаря чему электромагнитные помехи минимизируются при резонансе.

Рис. 3. Амплитуда на дальнем конце плоскостей в зависимости от частоты входного сигнала

В первую очередь, межслойные резонансы нарушают целостность сигнала, но усиленный резонансный эффект при прохождении через полость сигналов с малым временем нарастания фронтов также вносит свой вклад в электромагнитные помехи (ЭМП). Частотные компоненты шума напряжения связаны с пиковым значением импеданса полости и частотными компонентами возвратных токов. В любой сложной системе с типовыми значениями плотности межсоединений неизбежно имеются переходы между сигнальными слоями, что, разу­меется, создает соответствующие проблемы для разработчиков.

Однако можно избежать чрезмерного шума в полостях или, по крайней мере, минимизировать их влияние. При проектировании многослойных печатных плат максимальная величина импеданса полостей не должна превышать заданного значения, а частота гармоник – находиться вне полосы пропускания сигналов.

Приведем несколько рекомендаций, позволяющих уменьшить межслойные резонансные явления и соответствующие ЭМП.

Использование тонкого диэлектрического слоя в полости, образованной двумя плоскостями, является наиболее эффективным способом уменьшить амплитуду резонанса. Этот слой уменьшает распределенную индуктивность и импеданс полости, а также резонансные пики путем ослабления высокочастотных составляющих сигнала. Чем меньше расстояние между соседними слоями, тем меньше площадь, через которую проходит эквивалентный магнитный поток на краю пары слоев, благодаря чему помехи становятся меньше при заданной напряженности поля.

Материал с высокой диэлектрической проницаемостью (Dk) позволяет увеличить планарную емкость. Заметим, что обычно для высокоскоростных приложений выбираются материалы с малым показателем Dk. В данном случае диэлектрический слой между двумя плоскостями практически не оказывает влияния на параметры сигналов.

Частоту параллельного резонанса можно вывести за максимальную ширину полосы сигнала, уменьшив размер слоев и добавив экранирующие сквозные отверстия между слоями, которые образуют полость.

В тех случаях, когда длина (Д) слоев прямоугольной формы превышает их ширину (Ш) в 1; 1,5 или 2 раза, резонансные частоты в двух этих направлениях совпадают при некоторых значениях, что приводит к более выраженным резонансным явлениям, чем обычно. Следует избегать использования слоев квадратной формы и выбирать иррациональные числа для отношения Д/Ш.

При резонансе межслойной полости возникают помехи на краях платы. При использовании пары слоев заземление/питание краевые помехи можно уменьшить за счет большего разделения этих слоев. Однако такой подход не годится для многослойных плат. Как вариант, предлагается немного не доводить до конца платы слои питания (примерно на 5 мм) по сравнению со слоями заземляющего слоя. Благодаря такой «хитрости» краевые поля ослабевают, что до некоторой степени уменьшает помехи.

Оптимизация схемы распределенного питания осуществляется путем проб и ошибок. Выбирая значения диэлектрической проницаемости и толщины слоев, материалы, а также корректируя размеры слоев, можно минимизировать резонансный эффект для заданной конфигурации. Аналитическое программное обеспечение для моделирования схем распределенного питания (рис. 4) позволяет визуализировать процесс выбора параметров.

Рис. 4. Оптимизация схемы распределенного питания с заданными уровнями ЭМП

НА ЗАМЕТКУ

• По сути, пары слоев в многослойных печатных платах представляют собой несогласованные линии передачи.
• В несогласованной линии передачи возникают стоячие волны, или звон.
• При протекании обратного тока через импеданс полостей, образованных двумя слоями, возникает напряжение, которое является причиной резонансных явлений в полости.
• Перекрестные помехи от напряжения в переходном процессе проникают в остальные сигнальные отверстия, которые проходят через полость.
• Шум от полости распространяется в виде стоячих волн по всей паре плоскостей.
• Даже незначительные помехи от сигнальных трактов могут стать причиной резонансов и шума, который распространяется внутри полости на большие расстояния.
• У полости с открытыми торцами резонанс возникает в том случае, когда между ними образуется целое число полуволн.
• Если частоты гармоник сигналов синхронизации или данных накладываются на резонансные частоты полости, возникает взаимодействие между любыми сигналами, проходящими через эту полость.
• Экранирующие сквозные отверстия (stitching vias) размещаются рядом с каждым сигнальным переходным отверстием, чтобы минимизировать возможность появления резонанса.
• Частотные компоненты шума напряжения связаны с пиковым значением импеданса полости и частотными компонентами возвратных токов.
• При проектировании многослойных печатных плат максимальная величина импеданса полостей не должна превышать заданного значения, а частота гармоник должна быть вне полосы пропускания сигналов.
• Использование тонкого диэлектрического слоя в полости между двумя плоскостями является наиболее эффективным способом уменьшить амплитуду резонанса.
• Материал с высокой диэлектрический проницаемостью (Dk) позволяет увеличить планарную емкость.
• Частоту параллельного резонанса можно вывести за максимальную полосу пропускания, уменьшив размер слоев и добавив экранирующие сквозные отверстия между слоями полости.
• Следует избегать использования слоев квадратной формы и выбирать иррациональные числа для отношения длины к ширине.
• Слои питания должны быть немного короче заземляющих слоев, чтобы «подтянуть» краевые поля ближе к печатной плате.