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.
Главной задачей, которую решает разработчик линии передачи данных, является задача сохранить сигнал на входе приемника в целостности. Это значит, что форма напряжения не должна измениться в линии передачи, какой бы длинной и сложной она ни была.
Немного расскажу о возможных искажениях сигналов в проводниках.
Линия передачи — линия, где распространяется сигнал. В нашем случае — проводник печатной платы или провод кабеля. Но линия передачи — это не одиночный проводник. Это — условно два проводника, прямой и обратный. По прямому сигнал распространяется от ножки микросхемы (передатчика) к другой ножке (приемнику). По обратному проводнику сигнал должен вернуться назад. На высоких частотах энергия возвратного сигнала сосредотачивается под прямым проводником, и чем выше частота, тем более локально или плотно концентрируются возвратные токи.
Если путь протекания возвратного тока нигде не нарушен, на всем протяжении линии передачи опорный слой (именно в нем и протекает возвратный ток) будет непрерывен, сигнал уже гарантированно вернется назад по оптимальному и кратчайшему расстоянию. Что будет, если на пути протекания возвратного тока в опорном слое сделать вырез? Сигнал будет искать путь наименьшего сопротивления. И обязательно вернется назад — но дорога его будет витиевата и длинна. Более того — часть энергии сигнала неизбежно в месте разрыва опорного слоя будет излучаться на ближайшие точки конструкции с наименьшим потенциалом, на корпус, если он выполнен из металла. Это приведет к потере энергии и искажению формы передаваемого импульса.
При разводке печатной платы всегда отслеживайте путь прохождения возвратного тока. И лучше, если вы рядом с сигнальным слоем расположите опорный земляной слой — размером во всю печатную плату. Тогда правило выполнится само собой, и вы будете спокойны, что сигнал не излучится.
Чем опасны изгибы проводника, почему проводник должен быть прямым и коротким? Изгибы приводят к появлению индуктивности в линии передачи. Сопротивление или импеданс индуктивности растет с ростом частоты, потому любая индуктивность линии — враг быстрым изменениям сигнала, фронту и спаду импульса.
Одной из наиболее важных характеристик линии передачи является волновое сопротивление. Волновое сопротивление линии зависит от ее геометрии — размеров проводника, толщины и свойств диэлектрика, расстояния между проводником и опорным слоем. Однородная линия передачи — некий идеальный случай — когда волновое сопротивление по всей ее длине не изменяется. Тогда в линии нет неоднородностей, которые являются причиной отражений.
Любая неоднородность в линии приводит к появлению отраженной копии исходного сигнала, которая воздействует на исходный сигнал, искажает его форму, нарушает его первоначальный вид — целостность. Иногда это критично, иногда — не очень. Иногда отражение сильное, иногда — слабое. Есть понятие электрической длины линии передачи, есть понятие коэффициент отражения. Они позволяют оценить — насколько критична та, или иная неоднородность в линии. Добавлю, что неоднородность может быть вызвана и переходными отверстиями, и разрывом опорного слоя, и изменением геометрических размеров линии, и многими другими причинами. Если есть неоднородность, есть пути ее согласования. В схемотехнике применяется ряд методов согласования линии как с передатчиком, так и с нагрузкой.
Следующей важной характеристикой линии передачи является частотная, или амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Линия имеет и сопротивление постоянному току (омическое или активное), и импеданс, обусловленный наличием ее собственной индуктивности, емкости. В линии неизбежно присутствуют выходная емкость передатчика и входная емкость приемника. Все эти реактивные или частотно-зависимые элементы способны образовывать как фильтры, так и резонансные контуры, которые приводят к искажению идеальной горизонтальной прямой АЧХ. Чем опасны частотные искажения? Сигнал любой формы может быть представлен спектром гармоник. Меандр может быть «собран» из синусоидальных сигналов с кратными частотами, каждый из которых может иметь свои фазовые и амплитудные коэффициенты. Искажения любой из гармоник, к примеру, снижение амплитуды, вызванное неравномерностью АЧХ линии, приводят к искажению формы сигнала.
Следите за амплитудно-частотной характеристикой линии. Рассчитывайте частоту среза частотной характеристики, исходя из параметров линии, и добивайтесь, чтобы ширина полосы частот линии передачи превышала значение пятой гармоники основного сигнала (если он периодический). Если сигнал представлен отдельными прямоугольными импульсами, ширина полосы частот линии передачи должна быть не уже значения 0,35/tr, где tr — скорость нарастания фронта.
Но речь здесь не только о том, чтобы полоса была не уже. Иногда специально требуется ограничить скорость нарастания фронта на выходе передатчика для снижения излучающей способности линии передачи. Ограничить ток драйвера и скорость нарастания фронта можно установив в линию передачи последовательный согласующий резистор, который с паразитной емкостью линии образует ФНЧ и сгладит фронт импульса. Такое решение сильно улучшает ЭМС и снижает перекрестные искажения. Дополнительно резистор, установленный в паразитный колебательный контур, образованный индуктивностью и емкостью линии, снизит его добротность и уменьшит его влияние на АЧХ линии передачи.
К примеру, если линия длинная, ее емкость также увеличена, по сравнению с емкостью короткой линии, и фильтр нижних частот имеет более низкую частоту среза, ограничивает спектр сигнала. Или при установке в линию последовательного согласующего резистора образуется фильтр нижних частот, который будет иметь еще более низкую частоту среза и еще более ограничит полосу пропускания линии передачи. Если линия длинная и изогнутая, в ней присутствует индуктивность, которая вместе с емкостью может образовывать и фильтры, и резонансные контуры. При установке в разрыв линии конденсатора, с целью гальванической развязки, вы ограничите полосу частот уже снизу, образовав фильтр верхних частот, и площадка низкочастотного импульса будет завалена.
Сигналы в разных линиях способны оказывать влияние на соседние линии. Перекрестные наводки, шумы, как внешние так и внутренние, изучаются в разделе электромагнитной совместимости. Для практического применения есть ряд простых правил по организации зазоров между соседними линиями (правило 3d), установке земляных полигонов.
Трех указанных разделов достаточно для понимания физики прохождения электрических сигналов в линиях передачи. Выше представлен мини алгоритм, позволяющий выполнить анализ или проектирование линии передачи практически в любом диапазоне частот.
Отдельно есть еще ряд вопросов, связанных с целостностью питания и земли, необходимостью выравнивания линий в шинах, дифференциальными линиями. Есть стандарты электрических сигналов, изучать и применять которые необходимо при решении конкретных задач. Учитывайте все элементы линии передачи — от точки передатчика до точки приемника (и проводники печатной платы, и провода кабелей, и контакты соединителей).
Почему важно начинать работу над проектом, понимая представленные физические основы?! Дело в том, что иначе вы не сможете расставлять приоритеты. Даже если вы изучите массу литературы, узнаете сотни правил правильной разводки высокоскоростных плат, без знания основ вы не сможете принять грамотное решение в той или иной ситуации. Иногда приходиться чем-то жертвовать. Важно — сделать правильный выбор! В книгах зарубежных авторов этому уделяется большое внимание и приводится пример, когда студенты одного ВУЗа разводят одну и ту же плату, имея одинаковый набор правил. И каждый — делает это по своему. Лучше получается у того — кто знает и применяет знания физики, а не просто наугад выбирает правила из ряда предложенных.
Кратко, именно для практического применения уже в Ваших разработках, повторю здесь ряд правил, выполнение которых поможет сэкономить время и не допустить обидных ошибок.
Пакеты проектирования очень дороги. Требуйте их приобретения у своих работодателей. Цена ошибки на каждом этапе вырастает многократно, и лучше сразу вложить средства в правильное проектирование, чем потом вкладывать бОльшие средства на поиск и устранение ошибок.
Ниже на примере дифференциальных стыков покажу, как применять показанные выше правила.
Кроме лини передачи с одиночным проводником и опорным слоем есть и другой вид — дифференциальная линия. Дифференциальные линии применяются в известных стыках RS422, RS485, USB, LVDS, Ethernet и других.
В дифференциальной паре сигнал одинаковой формы и разной полярности передается одновременно по двум проводникам. Приемник реагирует на разность напряжений между ними. Благодаря тому, что поля вокруг проводников компенсируются, получается низкий уровень излучения диф. линии. Из-за того, что приемник измеряет только дифференциальное напряжение и не учитывает синфазное, получается высокая помехоустойчивость. Приемникам уже не так важна полная форма импульса. Возможные искажения на площадках, связанные с помехами, пульсациями питания, дребезгом земли, не влияют на качество приема. Важно сохранить только монотонность фронта и спада и достаточную амплитуду на входе приемника, чтобы он был способен правильно распознать момент перехода сигнала через заданные стандартом пороговые уровни. Искажения фронта «ступенька» или «звон на фронте» могут привести к ложному срабатыванию.
Отсюда можно сделать один важный практический вывод. Форма сигнала уже не должна быть строго прямоугольной. Требования к крутизне фронта определяются лишь возможностью правильно принять сигнал заданной частоты с заданной амплитудой. Может ли приемник правильно принять пилообразный сигнал, если из-за снижения скорости нарастания амплитуда на входе будет достаточна для его правильного срабатывания? Да, может. Потому, в некоторых случаях, например для еще большего снижения излучения в условиях жестких требований ЭМС, можно дополнительно ограничивать спектр сигнала применением фильтров (установка согласующего резистора вместе с дополнительной емкостью). Речь идет только о цифровых сигналах, состоящих из последовательности импульсов.
Разводка дифференциальной линии в печатной плате вроде бы всем понятна. Попробуем рассмотреть на примере LVDS. Волновое сопротивление диф. линии должно быть равно 100 Ом. Линия, организованная токовой петлей с током 3,5 мА требует установки на стороне нагрузки терминирующего резистора, сопротивлением 100 Ом. Падение напряжения на резисторе составляет 350 мВ. Размах сигнала на входе приемника не должен быть ниже 100 мВ. Дифференциальное напряжение изменяется относительно постоянного синфазного напряжения, диапазон которого может изменяться от 300 мВ до 2,3 В. Уточнить значения напряжений вы сможете в стандарте TIA/EIA-644 (LVDS). Терминирующий резистор выполняет роль и согласующего резистора на стороне нагрузки. При волновом сопротивлении диф. линии 100 Ом равном сопротивлению нагрузки 100 Ом получается почти идеальное согласование и режим бегущей волны. Вся энергия сигнала поглощается нагрузкой и практически не излучается. Дополнительным плюсом по сравнению с одиночными или синфазными линиями передачи является низкий размах напряжения 400 мВ, что почти в 10 раз ниже уровня КМОП 3,3В. Это также приводит к серьезному снижению уровней излучения. Информация, представленная выше, не несет ничего нового тем, кто работал с сигналами LVDS. Какие вопросы, касающиеся сохранения целостности сигнала тут могут быть.
1. Вы знаете, что можно для получения диф. волнового сопротивления использовать разные геометрические размеры проводников, расстояния между ними. К примеру, можно выбрать проводники шириной 500 мкм и разнести их на расстояние 500 мкм, а можно выбрать проводники шириной 200 мкм и сблизить их уже на расстояние 100 мкм. Вариантов бесчисленное множество. Разводчики печатных плат либо используют кем-то придуманные значения по принципу у них заработало и у меня получится, либо используют рекомендации заданные в стандартах но при этом вынуждены также и применять заданные параметры стека, либо вообще не задумываются, выбирают первое пришедшее на ум значение ширины, рассчитывают в программах TXLINE или аналогичных расстояние между проводниками исходя из значения 100 Ом, и делают получившуюся топологию. Некоторые, исходят из того, что если проводники расположены близко друг к другу (сильная связь), то это повышает помехоустойчивость и снижает уровень излучений, и нужно делать именно так. Другие — наоборот, разносят проводники подальше друг от друга (слабая связь), чтобы упростить обход препятствий на плате, к примеру штырек разъема. И тот, и другой способ является правильным, и действительно, в зависимости от задачи нужно и выбирать решение.
К примеру, мне пришлось выполнить дифференциальную линию из двух коаксиальных кабелей. Линия получилась экзотическая. С одной стороны она была дифференциальная, поскольку использовался драйвер LVDS, а с другой стороны два коаксиальных кабеля практически не связанных по полям, что уже не является диф. линией. Линия прекрасно работала на 2,5 ГГц и имела длину 5 метров. Этот пример также показывает, что решения задачи есть и не в области стандартных решений.
На печатной плате, как предлагает Говард Дж. и его соавтор в своей знаменитой книге, при обходе препятствий при «разнесении линий» рекомендуется увеличивать их ширину для снижения волнового сопротивления каждой из них (синфазное волновое сопротивление). При сближении двух линий наоборот рекомендуется уменьшать ширину проводников, поскольку связь получается более сильной, суммарное или диф. сопротивление при этом уменьшается, и для его увеличения требуется увеличить синфазное волн. сопротивление каждого из проводников.
2. Если диф. линия однородная, а для LVDS она изначально предлагается как точка-точка и не должна содержать ответвлений, как в M-LVDS, длина ее определяется фактически только емкостной компонентой печатных проводников или кабеля. Именно поэтому для длины провода 1-2 метра по обычной витой паре вряд ли получится передать сигналы частотой выше 800 МГц, по коаксиалке, как я уже писал выше — можно получить и гигагерцы. Возможные неоднородности можно скомпенсировать. Если они вызваны переходными отверстиями из-за отсутствия (точнее разрыва) опорного слоя, рядом нужно на минимальном расстоянии расположить земляные отверстия. В СВЧ диапазоне есть засада, связанная с ненагруженным ответвлением (stub). Это если проводник из верхнего слоя платы проходит через переходное отверстие в о внутренний слой платы, а оставшийся «кусочек» переходной втулки является ненагруженным ответвлением, от которого происходит отражений сигнала и искажение импульса. Могут быть и другие неоднородности, вызванные изгибами диф. линии и пр. Если есть желание защититься от любых возможных неоднородностей, терминирующий резистор 100 Ом располагают не только на стороне нагрузки, но и на стороне источника сигнала. При параллельном соединении уже двух резисторов сопротивление будет равно уже 50 Ом, амплитуда сигнала из-за этого уменьшится, но согласование не допустит серьезных искажений сигнала даже при непредсказуемых неоднородностях в линии. Кстати, серьезные неоднородности могут быть вызваны неправильным или осознанно неправильным применением кабеля с другим волновым сопротивлением, отличным от рекомендованного стандартом, а также и применением разъема, также с другим волновым сопротивлением.
3. С частотной характеристикой и возможными влияниями отражений разобрались. Следуя методике, предложенной в начале темы, осталось разобраться и с возможными помехами. Самое простое но очень эффективное средство — экранирование диф. линии передачи. На печатной плате между соседними диф. парами, например, в Ethernet стыке, можно расположить земляные полигоны, на расстоянии не менее 5d от края каждой диф. пары. d — ширина проводника. В кабеле применяется экран, но не как в коаксиальном, как сделал я, а применяют специальный твинаксиальный или квадраксиальный кабель, где одна или две диф. пары, каждая с волновым сопротивлением 100 Ом, расположены внутри одного экрана. Чтобы понять, чем твинаксиальный кабель отличается от обычного CAT-5E, пришлось потрудиться. Конструктивно, вроде бы ничем, ну похожи они во всем (кроме цены ). Разница оказалась в том, что в CAT-5e внутри расположена обычная витая пара, по которой, как писал выше, нельзя передать сигналы частотой выше 800 МГц. А вот внутри твинаксиального кабеля расположены внутри общего экрана два коаксиальных кабеля. Если ооочень пристально посмотреть, разница в материале и толщине диэлектрика. Потому наверно и разница в цене так высока. Твинаксиальный кабель позволяет передавать сигналы с частотами в единицы и даже десятки ГГц и является альтернативной оптическим линиям передачи, где стоимость кабелей также высока, в сравнении с витой парой.
Если не изобретать велосипед, в общем то и все. Велосипедом, к примеру в LVDS, может стать попытка установки в линию дополнительных последовательных согласующих резисторов с целью снижения излучения, см. выше, либо установка разделительных конденсаторов для гальванической развязки. При установке конденсаторов в линию LVDS требуется на входе приемника восстанавливать постоянную составляющую 1,2В. Обычно это делается простым резистивным делителем из трех резисторов. Вот здесь могут быть «грабли». Дифференциальные сигналы очень чувствительны к джиттеру, да и не только они. Причиной джиттера могут быть внешние воздействия (шумы), внутренние (нестабильность тактирующего источника и нестабильность питания). Вот нестабильность питания при установке резистивного делителя и может сыграть злую шутку, приведя к значительному увеличению джиттера.
Какие еще особенности дифференциальных стыков. В USB из-за высоких требований опять же к стабильности положения фронтов при работе в режиме Hi-Speed рекомендуется установка RC ФНЧ с низкоомными резисторами, которые также выполняют роль согласующих — сглаживают фронты и поглощают возможные отражения. Такие же последовательные резисторы я рекомендую устанавливать и в стыки RS422, RS485. В этом есть еще один плюс — защита передатчика от возможного короткого замыкания проводников линии передачи. При замыкании передатчик будет нагружен на сумму двух сопротивлений и не выйдет из строя.
1. Выравнивание проводников в дифференциальной линии передачи. Если, как уже писал ранее, в параллельной шине иногда можно позволить себе не выравнивать проводники с точностью до миллиметра, то в дифференциальной линии ситуация немного другая. Нарисуйте на одной строчке прямоугольный импульс, а строчкой ниже нарисуйте в том же месте инвертированную копию. Геометрически вычитая из формы одного сигнала форму другого, вы получите почти такой же идеальный прямоугольный импульс, разностный сигнал, который и обрабатывает приемник. А теперь сделайте то же самое, но нижнюю инвертированную копию сдвиньте на немного по оси времени. И произведите то же геометрическое вычитание. Если Вам лень это делать, что-то похожее можно найти на ютубе, набрав в строке поиска Signal Integrity или лучше differential skew, что означает разбег сигналов в диф. линии. Вы увидите, что форма результирующего сигнала будет не похожа на прямоугольник. Потому для диф. сигнала выравнивание обязательно, опять же не до фанатизма, но примерно так. Когда я резал 5 метровые кабели а потом распаивал их на SMA, старался выровнять длину, при этом на печатной плате длины были выровнены в нуль. Это важно.
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!
Автор статьи: Андрей Трундов
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.
Главной задачей, которую решает разработчик линии передачи данных, является задача сохранить сигнал на входе приемника в целостности. Это значит, что форма напряжения не должна измениться в линии передачи, какой бы длинной и сложной она ни была.
Немного расскажу о возможных искажениях сигналов в проводниках.
Линия передачи — линия, где распространяется сигнал. В нашем случае — проводник печатной платы или провод кабеля. Но линия передачи — это не одиночный проводник. Это — условно два проводника, прямой и обратный. По прямому сигнал распространяется от ножки микросхемы (передатчика) к другой ножке (приемнику). По обратному проводнику сигнал должен вернуться назад. На высоких частотах энергия возвратного сигнала сосредотачивается под прямым проводником, и чем выше частота, тем более локально или плотно концентрируются возвратные токи.
Если путь протекания возвратного тока нигде не нарушен, на всем протяжении линии передачи опорный слой (именно в нем и протекает возвратный ток) будет непрерывен, сигнал уже гарантированно вернется назад по оптимальному и кратчайшему расстоянию. Что будет, если на пути протекания возвратного тока в опорном слое сделать вырез? Сигнал будет искать путь наименьшего сопротивления. И обязательно вернется назад — но дорога его будет витиевата и длинна. Более того — часть энергии сигнала неизбежно в месте разрыва опорного слоя будет излучаться на ближайшие точки конструкции с наименьшим потенциалом, на корпус, если он выполнен из металла. Это приведет к потере энергии и искажению формы передаваемого импульса.
Отсюда первое простое, но самое важное правило
При разводке печатной платы всегда отслеживайте путь прохождения возвратного тока. И лучше, если вы рядом с сигнальным слоем расположите опорный земляной слой — размером во всю печатную плату. Тогда правило выполнится само собой, и вы будете спокойны, что сигнал не излучится.
Чем опасны изгибы проводника, почему проводник должен быть прямым и коротким? Изгибы приводят к появлению индуктивности в линии передачи. Сопротивление или импеданс индуктивности растет с ростом частоты, потому любая индуктивность линии — враг быстрым изменениям сигнала, фронту и спаду импульса.
Одной из наиболее важных характеристик линии передачи является волновое сопротивление. Волновое сопротивление линии зависит от ее геометрии — размеров проводника, толщины и свойств диэлектрика, расстояния между проводником и опорным слоем. Однородная линия передачи — некий идеальный случай — когда волновое сопротивление по всей ее длине не изменяется. Тогда в линии нет неоднородностей, которые являются причиной отражений.
Любая неоднородность в линии приводит к появлению отраженной копии исходного сигнала, которая воздействует на исходный сигнал, искажает его форму, нарушает его первоначальный вид — целостность. Иногда это критично, иногда — не очень. Иногда отражение сильное, иногда — слабое. Есть понятие электрической длины линии передачи, есть понятие коэффициент отражения. Они позволяют оценить — насколько критична та, или иная неоднородность в линии. Добавлю, что неоднородность может быть вызвана и переходными отверстиями, и разрывом опорного слоя, и изменением геометрических размеров линии, и многими другими причинами. Если есть неоднородность, есть пути ее согласования. В схемотехнике применяется ряд методов согласования линии как с передатчиком, так и с нагрузкой.
Следующей важной характеристикой линии передачи является частотная, или амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Линия имеет и сопротивление постоянному току (омическое или активное), и импеданс, обусловленный наличием ее собственной индуктивности, емкости. В линии неизбежно присутствуют выходная емкость передатчика и входная емкость приемника. Все эти реактивные или частотно-зависимые элементы способны образовывать как фильтры, так и резонансные контуры, которые приводят к искажению идеальной горизонтальной прямой АЧХ. Чем опасны частотные искажения? Сигнал любой формы может быть представлен спектром гармоник. Меандр может быть «собран» из синусоидальных сигналов с кратными частотами, каждый из которых может иметь свои фазовые и амплитудные коэффициенты. Искажения любой из гармоник, к примеру, снижение амплитуды, вызванное неравномерностью АЧХ линии, приводят к искажению формы сигнала.
Отсюда второе важное правило
Следите за амплитудно-частотной характеристикой линии. Рассчитывайте частоту среза частотной характеристики, исходя из параметров линии, и добивайтесь, чтобы ширина полосы частот линии передачи превышала значение пятой гармоники основного сигнала (если он периодический). Если сигнал представлен отдельными прямоугольными импульсами, ширина полосы частот линии передачи должна быть не уже значения 0,35/tr, где tr — скорость нарастания фронта.
Но речь здесь не только о том, чтобы полоса была не уже. Иногда специально требуется ограничить скорость нарастания фронта на выходе передатчика для снижения излучающей способности линии передачи. Ограничить ток драйвера и скорость нарастания фронта можно установив в линию передачи последовательный согласующий резистор, который с паразитной емкостью линии образует ФНЧ и сгладит фронт импульса. Такое решение сильно улучшает ЭМС и снижает перекрестные искажения. Дополнительно резистор, установленный в паразитный колебательный контур, образованный индуктивностью и емкостью линии, снизит его добротность и уменьшит его влияние на АЧХ линии передачи.
К примеру, если линия длинная, ее емкость также увеличена, по сравнению с емкостью короткой линии, и фильтр нижних частот имеет более низкую частоту среза, ограничивает спектр сигнала. Или при установке в линию последовательного согласующего резистора образуется фильтр нижних частот, который будет иметь еще более низкую частоту среза и еще более ограничит полосу пропускания линии передачи. Если линия длинная и изогнутая, в ней присутствует индуктивность, которая вместе с емкостью может образовывать и фильтры, и резонансные контуры. При установке в разрыв линии конденсатора, с целью гальванической развязки, вы ограничите полосу частот уже снизу, образовав фильтр верхних частот, и площадка низкочастотного импульса будет завалена.
И третье важное замечание
Сигналы в разных линиях способны оказывать влияние на соседние линии. Перекрестные наводки, шумы, как внешние так и внутренние, изучаются в разделе электромагнитной совместимости. Для практического применения есть ряд простых правил по организации зазоров между соседними линиями (правило 3d), установке земляных полигонов.
Трех указанных разделов достаточно для понимания физики прохождения электрических сигналов в линиях передачи. Выше представлен мини алгоритм, позволяющий выполнить анализ или проектирование линии передачи практически в любом диапазоне частот.
Отдельно есть еще ряд вопросов, связанных с целостностью питания и земли, необходимостью выравнивания линий в шинах, дифференциальными линиями. Есть стандарты электрических сигналов, изучать и применять которые необходимо при решении конкретных задач. Учитывайте все элементы линии передачи — от точки передатчика до точки приемника (и проводники печатной платы, и провода кабелей, и контакты соединителей).
Почему важно начинать работу над проектом, понимая представленные физические основы?! Дело в том, что иначе вы не сможете расставлять приоритеты. Даже если вы изучите массу литературы, узнаете сотни правил правильной разводки высокоскоростных плат, без знания основ вы не сможете принять грамотное решение в той или иной ситуации. Иногда приходиться чем-то жертвовать. Важно — сделать правильный выбор! В книгах зарубежных авторов этому уделяется большое внимание и приводится пример, когда студенты одного ВУЗа разводят одну и ту же плату, имея одинаковый набор правил. И каждый — делает это по своему. Лучше получается у того — кто знает и применяет знания физики, а не просто наугад выбирает правила из ряда предложенных.
В данной теме обзорно показаны лишь некоторые правила, касающиеся правильной разводки высокоскоростных печатных плат. Большая часть этих вопросов, а также авторских правил и общеизвестных методик собраны в одном издании «Сохранение целостности электрических сигналов. Пособие схемотехникам и конструкторам печатных плат» (книга официально издана, найти книгу вы сможете самостоятельно, набрав ее название в строке поиска любой поисковой системы — чтобы не было бана за прямую рекламу).
Кратко, именно для практического применения уже в Ваших разработках, повторю здесь ряд правил, выполнение которых поможет сэкономить время и не допустить обидных ошибок.
- При заказе плат заказывайте контроль волнового сопротивления. Учитывайте, что соответствовать заданному оно будет только на прямых проводниках без переходных отверстий, ответвлений — на эталонных образцах. В реальных платах оно может немного отличаться от заданного. Это не беда, если в линию вы установите последовательный согласующий резистор, который «сгладит» неоднородность на стыке между передатчиком и линией, поглотит энергию отраженных волн, ограничит частотную характеристику (до того значения частоты среза, которую вы не забудете учесть), снизит добротность возможных паразитных контуров, уменьшит ток сигнала в линии и снизит ее излучение в случае недостаточного согласования. Вот такая маленькая незаметная деталь поможет справиться с множеством задач, даже в линиях с низкочастотными сигналами, НО! с крутыми фронтами.
- Волновое сопротивление определяется геометрией линии. Правильно организуйте стек печатной платы. Рядом с сигнальным слоем обязательно размещайте опорный земляной слой, в котором, как в зеркале, отразятся все возвратные токи. Помните, что зеркало не должно иметь изъянов и трещин. Наличие разрывов в опорном слое неминуемо испортит Вам настроение в будущем, приведя к случайным ошибкам в передаваемых пакетах данных. Не используйте слои питания в качестве опорных. поскольку в них могут размещаться полигоны нескольких цепей питания, разделенные нежелательными для опорного слоя разрывами.
- Применяйте правило 3d и в особо критичных случаях разделяйте проводники агрессора и жертвы земляными проводниками и полигонами для снижения перекрестных искажений.
- С той же целью применяйте дифференциальные стыки и экранированные кабели.
- Не старайтесь фанатично выровнять по длине все проводники шины данных, адреса. Делайте необходимые расчеты, и принимайте решение о степени выравнивания на их основе.
- Не заостряйте внимание на диэлектрической проницаемости материала, если верхняя граница спектра сигнала не превышает значения 1 ГГц. Для расчетов и моделирования используйте значение e=4 для диэлектрика FR4.
- Используйте программы моделирования Hyperlynx Mentor Graphics и/или Sigrity Cadence Orcad. Для практического применения они одинаково хороши в умелых руках, при условии, что вы четко представляете физические основы. Более того, пакеты моделирования помогут вам увидеть глазами то, что вы еще никогда не видели на экране осциллографа. Это и плотность тока, и распределение токов по печатной плате, и трехмерное изображение цепи или полигона питания в анализе падения напряжения. Вы увидите, как критична бывает нехватка переходных отверстий между соседними слоями питания, поскольку это приводит к значительному локальному увеличению сопротивления в отверстиях, а также увеличению плотности тока, возможному перегреву и даже «выгоранию» отверстия.
Пакеты проектирования очень дороги. Требуйте их приобретения у своих работодателей. Цена ошибки на каждом этапе вырастает многократно, и лучше сразу вложить средства в правильное проектирование, чем потом вкладывать бОльшие средства на поиск и устранение ошибок.
Ниже на примере дифференциальных стыков покажу, как применять показанные выше правила.
Кроме лини передачи с одиночным проводником и опорным слоем есть и другой вид — дифференциальная линия. Дифференциальные линии применяются в известных стыках RS422, RS485, USB, LVDS, Ethernet и других.
В дифференциальной паре сигнал одинаковой формы и разной полярности передается одновременно по двум проводникам. Приемник реагирует на разность напряжений между ними. Благодаря тому, что поля вокруг проводников компенсируются, получается низкий уровень излучения диф. линии. Из-за того, что приемник измеряет только дифференциальное напряжение и не учитывает синфазное, получается высокая помехоустойчивость. Приемникам уже не так важна полная форма импульса. Возможные искажения на площадках, связанные с помехами, пульсациями питания, дребезгом земли, не влияют на качество приема. Важно сохранить только монотонность фронта и спада и достаточную амплитуду на входе приемника, чтобы он был способен правильно распознать момент перехода сигнала через заданные стандартом пороговые уровни. Искажения фронта «ступенька» или «звон на фронте» могут привести к ложному срабатыванию.
Отсюда можно сделать один важный практический вывод. Форма сигнала уже не должна быть строго прямоугольной. Требования к крутизне фронта определяются лишь возможностью правильно принять сигнал заданной частоты с заданной амплитудой. Может ли приемник правильно принять пилообразный сигнал, если из-за снижения скорости нарастания амплитуда на входе будет достаточна для его правильного срабатывания? Да, может. Потому, в некоторых случаях, например для еще большего снижения излучения в условиях жестких требований ЭМС, можно дополнительно ограничивать спектр сигнала применением фильтров (установка согласующего резистора вместе с дополнительной емкостью). Речь идет только о цифровых сигналах, состоящих из последовательности импульсов.
Разводка дифференциальной линии в печатной плате вроде бы всем понятна. Попробуем рассмотреть на примере LVDS. Волновое сопротивление диф. линии должно быть равно 100 Ом. Линия, организованная токовой петлей с током 3,5 мА требует установки на стороне нагрузки терминирующего резистора, сопротивлением 100 Ом. Падение напряжения на резисторе составляет 350 мВ. Размах сигнала на входе приемника не должен быть ниже 100 мВ. Дифференциальное напряжение изменяется относительно постоянного синфазного напряжения, диапазон которого может изменяться от 300 мВ до 2,3 В. Уточнить значения напряжений вы сможете в стандарте TIA/EIA-644 (LVDS). Терминирующий резистор выполняет роль и согласующего резистора на стороне нагрузки. При волновом сопротивлении диф. линии 100 Ом равном сопротивлению нагрузки 100 Ом получается почти идеальное согласование и режим бегущей волны. Вся энергия сигнала поглощается нагрузкой и практически не излучается. Дополнительным плюсом по сравнению с одиночными или синфазными линиями передачи является низкий размах напряжения 400 мВ, что почти в 10 раз ниже уровня КМОП 3,3В. Это также приводит к серьезному снижению уровней излучения. Информация, представленная выше, не несет ничего нового тем, кто работал с сигналами LVDS. Какие вопросы, касающиеся сохранения целостности сигнала тут могут быть.
1. Вы знаете, что можно для получения диф. волнового сопротивления использовать разные геометрические размеры проводников, расстояния между ними. К примеру, можно выбрать проводники шириной 500 мкм и разнести их на расстояние 500 мкм, а можно выбрать проводники шириной 200 мкм и сблизить их уже на расстояние 100 мкм. Вариантов бесчисленное множество. Разводчики печатных плат либо используют кем-то придуманные значения по принципу у них заработало и у меня получится, либо используют рекомендации заданные в стандартах но при этом вынуждены также и применять заданные параметры стека, либо вообще не задумываются, выбирают первое пришедшее на ум значение ширины, рассчитывают в программах TXLINE или аналогичных расстояние между проводниками исходя из значения 100 Ом, и делают получившуюся топологию. Некоторые, исходят из того, что если проводники расположены близко друг к другу (сильная связь), то это повышает помехоустойчивость и снижает уровень излучений, и нужно делать именно так. Другие — наоборот, разносят проводники подальше друг от друга (слабая связь), чтобы упростить обход препятствий на плате, к примеру штырек разъема. И тот, и другой способ является правильным, и действительно, в зависимости от задачи нужно и выбирать решение.
К примеру, мне пришлось выполнить дифференциальную линию из двух коаксиальных кабелей. Линия получилась экзотическая. С одной стороны она была дифференциальная, поскольку использовался драйвер LVDS, а с другой стороны два коаксиальных кабеля практически не связанных по полям, что уже не является диф. линией. Линия прекрасно работала на 2,5 ГГц и имела длину 5 метров. Этот пример также показывает, что решения задачи есть и не в области стандартных решений.
На печатной плате, как предлагает Говард Дж. и его соавтор в своей знаменитой книге, при обходе препятствий при «разнесении линий» рекомендуется увеличивать их ширину для снижения волнового сопротивления каждой из них (синфазное волновое сопротивление). При сближении двух линий наоборот рекомендуется уменьшать ширину проводников, поскольку связь получается более сильной, суммарное или диф. сопротивление при этом уменьшается, и для его увеличения требуется увеличить синфазное волн. сопротивление каждого из проводников.
2. Если диф. линия однородная, а для LVDS она изначально предлагается как точка-точка и не должна содержать ответвлений, как в M-LVDS, длина ее определяется фактически только емкостной компонентой печатных проводников или кабеля. Именно поэтому для длины провода 1-2 метра по обычной витой паре вряд ли получится передать сигналы частотой выше 800 МГц, по коаксиалке, как я уже писал выше — можно получить и гигагерцы. Возможные неоднородности можно скомпенсировать. Если они вызваны переходными отверстиями из-за отсутствия (точнее разрыва) опорного слоя, рядом нужно на минимальном расстоянии расположить земляные отверстия. В СВЧ диапазоне есть засада, связанная с ненагруженным ответвлением (stub). Это если проводник из верхнего слоя платы проходит через переходное отверстие в о внутренний слой платы, а оставшийся «кусочек» переходной втулки является ненагруженным ответвлением, от которого происходит отражений сигнала и искажение импульса. Могут быть и другие неоднородности, вызванные изгибами диф. линии и пр. Если есть желание защититься от любых возможных неоднородностей, терминирующий резистор 100 Ом располагают не только на стороне нагрузки, но и на стороне источника сигнала. При параллельном соединении уже двух резисторов сопротивление будет равно уже 50 Ом, амплитуда сигнала из-за этого уменьшится, но согласование не допустит серьезных искажений сигнала даже при непредсказуемых неоднородностях в линии. Кстати, серьезные неоднородности могут быть вызваны неправильным или осознанно неправильным применением кабеля с другим волновым сопротивлением, отличным от рекомендованного стандартом, а также и применением разъема, также с другим волновым сопротивлением.
3. С частотной характеристикой и возможными влияниями отражений разобрались. Следуя методике, предложенной в начале темы, осталось разобраться и с возможными помехами. Самое простое но очень эффективное средство — экранирование диф. линии передачи. На печатной плате между соседними диф. парами, например, в Ethernet стыке, можно расположить земляные полигоны, на расстоянии не менее 5d от края каждой диф. пары. d — ширина проводника. В кабеле применяется экран, но не как в коаксиальном, как сделал я, а применяют специальный твинаксиальный или квадраксиальный кабель, где одна или две диф. пары, каждая с волновым сопротивлением 100 Ом, расположены внутри одного экрана. Чтобы понять, чем твинаксиальный кабель отличается от обычного CAT-5E, пришлось потрудиться. Конструктивно, вроде бы ничем, ну похожи они во всем (кроме цены ). Разница оказалась в том, что в CAT-5e внутри расположена обычная витая пара, по которой, как писал выше, нельзя передать сигналы частотой выше 800 МГц. А вот внутри твинаксиального кабеля расположены внутри общего экрана два коаксиальных кабеля. Если ооочень пристально посмотреть, разница в материале и толщине диэлектрика. Потому наверно и разница в цене так высока. Твинаксиальный кабель позволяет передавать сигналы с частотами в единицы и даже десятки ГГц и является альтернативной оптическим линиям передачи, где стоимость кабелей также высока, в сравнении с витой парой.
Если не изобретать велосипед, в общем то и все. Велосипедом, к примеру в LVDS, может стать попытка установки в линию дополнительных последовательных согласующих резисторов с целью снижения излучения, см. выше, либо установка разделительных конденсаторов для гальванической развязки. При установке конденсаторов в линию LVDS требуется на входе приемника восстанавливать постоянную составляющую 1,2В. Обычно это делается простым резистивным делителем из трех резисторов. Вот здесь могут быть «грабли». Дифференциальные сигналы очень чувствительны к джиттеру, да и не только они. Причиной джиттера могут быть внешние воздействия (шумы), внутренние (нестабильность тактирующего источника и нестабильность питания). Вот нестабильность питания при установке резистивного делителя и может сыграть злую шутку, приведя к значительному увеличению джиттера.
Какие еще особенности дифференциальных стыков. В USB из-за высоких требований опять же к стабильности положения фронтов при работе в режиме Hi-Speed рекомендуется установка RC ФНЧ с низкоомными резисторами, которые также выполняют роль согласующих — сглаживают фронты и поглощают возможные отражения. Такие же последовательные резисторы я рекомендую устанавливать и в стыки RS422, RS485. В этом есть еще один плюс — защита передатчика от возможного короткого замыкания проводников линии передачи. При замыкании передатчик будет нагружен на сумму двух сопротивлений и не выйдет из строя.
Есть еще пара моментов, которые я обязан рассмотреть в данной теме
1. Выравнивание проводников в дифференциальной линии передачи. Если, как уже писал ранее, в параллельной шине иногда можно позволить себе не выравнивать проводники с точностью до миллиметра, то в дифференциальной линии ситуация немного другая. Нарисуйте на одной строчке прямоугольный импульс, а строчкой ниже нарисуйте в том же месте инвертированную копию. Геометрически вычитая из формы одного сигнала форму другого, вы получите почти такой же идеальный прямоугольный импульс, разностный сигнал, который и обрабатывает приемник. А теперь сделайте то же самое, но нижнюю инвертированную копию сдвиньте на немного по оси времени. И произведите то же геометрическое вычитание. Если Вам лень это делать, что-то похожее можно найти на ютубе, набрав в строке поиска Signal Integrity или лучше differential skew, что означает разбег сигналов в диф. линии. Вы увидите, что форма результирующего сигнала будет не похожа на прямоугольник. Потому для диф. сигнала выравнивание обязательно, опять же не до фанатизма, но примерно так. Когда я резал 5 метровые кабели а потом распаивал их на SMA, старался выровнять длину, при этом на печатной плате длины были выровнены в нуль. Это важно.
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!
Автор статьи: Андрей Трундов
UPD
Автор статьи опубликовал серию книг "Высокоскоростные печатные платы".В далеком 2014 году российское гик-сообщество всколыхнула публикация пользователя под ником @Biochemist на популярном среди инженеров и программистов ресурсе www.habr.com. Публикация называлась «Инженерная культура, которую мы потеряли» и представляла собой настоящий крик души работодателя, который решил нанять в штат молодого инженера-электронщика, вчерашнего выпускника технического вуза.Аннотация представителя компании Mentor (A Siemens Business)
Почтенный @Biochemist был до глубины души поражен тем фактом, что обладатели дипломов ведущих технических ВУЗов страны неспособны нарисовать диодный мост и ответить на вопрос, что такое триггер. Публикация вызвала бурное обсуждение, которое вышло далеко за пределы мировой сети.
В курилках московских НИИ бывалые инженеры клеймили позором молодых и заслуженных коллег, предлагая тем аналогичные задачи. Если те допускали ошибки, следовали горькие рассуждения о том, насколько всё плохо в отечественной электронике и как же мы теперь будем жить. Сам @Biochemist пришёл в итоге к выводу, что современный российский студент технического ВУЗа к старшим курсам впадает в тяжёлую депрессию от непонимания, зачем именно ему нужен весь этот массив теоретических и неочевидно-практических знаний.
Обусловлено это, опять же, по мнению автора публикации, отсутствием спроса на инженеров-электронщиков со стороны реального сектора экономики. И единственный способ заполучить в штат толкового работника — это взять студента на 2—3 курсе с ещё горящими глазами и давать ему реальные задачи, то есть совместить его обучение непосредственно с реальной производственной практикой.
Возможно, научно-скептически подкованный читатель подвергнет вышеописанное, критике. Позвольте! — заметит он, — Но ведь мы не знаем выборки, мы не знаем условий, которые предлагали молодым инженерам, мы не знаем, все ли ведущие ВУЗы были охвачены.
Всё это, безусловно, так. Однако рассуждения уводят нас в сторону от основной мысли и, как следствие, от направленности данной книги. Вся проблематика состоит в том, что современный молодой специалист зачастую действительно дезориентирован.
Для него совершенно неочевидны практические применения всего того массива знаний из области общей физики, электротехники, цифровой и аналоговой электроники, импульсной техники и ЗТТТ (зонной теории твёрдых тел).
Он совершенно искренне не связывает переходные отверстия и паразитную индуктивность, теорию четырехполюсников и S-параметры, витую пару и дифференциальные буферы микросхем. И, на мой взгляд, это большой недостаток современной системы обучения, который нам, российским инженерам, жизненно необходимо преодолеть в ближайшие годы.
Другой аспект дезориентации специалиста состоит в том, что он попадает, как говорится, «с корабля на бал». Он только что изучил, фигурально выражаясь, все свойства кирпича и бетона, имеет за плечами курсовую о влиянии геометрии арматуры на тепловое распределение панельных построек, и тут попадает на реальную стройку, где ему дают раствор, кирпич, мастерок и говорят: «Строй!». «Позвольте», — говорит молодой инженер, «Но как же… Нас этому не учили». На что седоусый прораб резко отвечает, что учить его некогда, что нужно работать, выполнять план, иначе сорвутся сроки. Всё это не может не вогнать нэофита в ещё большее уныние, и данная проблема является комплексной. Тут и отрыв ВУЗовской программы от реальных потребностей производства и экономики, и формальный подход к производственной практике, и перекос в количестве учебных часов в сторону теории. Что же остаётся молодому специалисту в этой ситуации?
Его спасает только самообразование. Долгие часы за книгами, многие сотни видео на Youtube (Логос, благослови цивилизацию, что такие возможности сейчас у нас есть!) Всё это вдобавок к основной работе, в которой тоже следует разбираться вдумчиво, не стесняясь учиться у старших товарищей по ремеслу, и методом проб и ошибок выстраивать свою дорогу.
Вот тут мы приходим к третьей и очень важной проблеме российской электроники. Ни для кого не секрет, что сложность печатных плат и микросхем растёт год от года. Появляются новые интерфейсы, растут частоты, скорости передачи информации.
Появляются новые подходы к трассировке, анализу и технологии изготовления печатных плат и кристаллов. А главное — сохраняется тенденция к миниатюризации, что в конечном итоге не может не привести к неизбежному взаимовлиянию высокоскоростных цепей друг на друга. Так вот, проблема именно российского рынка электроники состоит в том, что литературы на русском языке по проблемам высокочастотного проектирования и целостности сигналов чрезвычайно мало. Все новые статьи и книги традиционно выходят на английском языке, что является для многих российских инженеров тяжелым психологическим барьером.
В контексте всего вышесказанного книга Андрея Васильевича Трундова является настоящей находкой для инженера-электронщика, желающего самостоятельно освоить благородное искусство «черной магии» — искусство анализа целостности сигналов на плате, но не знающих, как к этой страшной бездне подступиться.
Не скрою, я получил истинное удовольствие от прочтения рукописи Андрея Васильевича, несмотря даже на свой обширный опыт проектирования и анализа печатных плат. И вот почему. Автор замечательно комбинирует теоретические выкладки с их практическим применением, создавая именно те ментальные мостики, которых так не хватает молодым специалистам.
Уже с первых глав к читателю приходит понимание того, как именно физические основы из курса электромагнетизма влияют на аспекты трассировки печатных плат. Баланс фаз, колебательный контур, объёмный резонатор — все эти эфемерные понятия моментально обретают плоть. Отдельно хочется отметить иллюстративный материал. Визуализация аспектов схемотехники и сопутствующей трассировки очень важна именно в комплексе, что блестяще реализовано в описываемой работе.
Автор предоставляет пытливому читателю большое число таблиц, которые будут весьма полезны в повседневной практике. Например, зависимость частоты последовательного/параллельного резонансов в различных типах линий передач от длины линии. Другое семейство полезных таблиц представляет собой зависимость ряда важных характеристик различных линий передачи от критической длины линии. Например, минимальной длительности одиночного импульса или частоты первой гармоники.
Основная ценность книги — структурированный личный опыт. Пошаговые советы будут очень полезны как молодым инженерам, так и специалистам, чей опыт лежит в плоскости несколько отличной от трассировки и анализа PCB. Например, библиотекарям или схемотехникам. Под библиотекарями я подразумеваю не только инженеров, которые создают библиотечные элементы для печатных плат, но и специалистов по Spice, AMS, IBIS и Valydate моделированию.
Читателя не должно ни в коей мере смущать то, что автор приводит в пример скриншоты из старой версии HyperLynx 9.2. Текущая версия продукта называется HyperLynx SI, PI, Thermal VX2.6. Она, конечно, значительно отличается в лучшую сторону от своего предка, однако приведённые в книге пути анализа никуда не исчезли. Изменилось только относительное месторасположение некоторых меню. Следовательно, разобраться в новой версии у пользователя не составит труда.
Гораздо важнее то, что автор, будучи, безусловно, талантливейшим самоучкой, находится в негативной информационной среде, которую российские компании, к сожалению, унаследовали от СССР.
И дело здесь не в том, что советская инженерная школа была в чем-то плоха. Она была великолепна. Проблема в том, что наследие устаревших подходов и ГОСТов никак не может адаптироваться к вызовам современного мира. В частности, читатель не найдет в данной работе руководства по анализу S-параметров, несмотря на то, что это остриё, настоящий мейнстрим современной науки о целостности сигналов. Надеюсь, этот недочёт сможет в ближайшее время восполнить Ваш покорный слуга.
Поэтому, я призываю Вас посещать веб-сайты: https://www.mentor.com, http://www.xpads.ru/, где в скором времени будут в большом количестве появляться мои вебинары по данной тематике. С уважением, Ведущий технический консультант, PCB, Никеев Кирилл Михайлович. Технический представитель компании Mentor (A Siemens Business) в России, Турции, Пакистане и на Ближнем Востоке.
