Совсем недавно слово «высокочастотная» не существовало в словаре конструкторов печатных плат. Но сейчас, похоже, всё перевернулось с ног на голову.
Раньше все заботы сводились к тому, чтобы собрать все детали головоломки вместе и продумать путь прохождения сигнала путем разработки топологии печатной платы. В чем же отличия при конструировании высокочастотных печатных плат? Необходимо беспокоиться о множестве невидимых сил, таких как электромагнитные помехи, взаимные помехи, отражение сигнала, и этот список можно продолжить. В этой статье мы предлагаем вам несколько практических советов, которые позволят добиться успеха при проектировании вашей первой высокочастотной печатной платы.
Больше данных - больше электромагнитных помех
В 2005 году скорость 3 Гбит/с считалась типичной для высокоскоростной передачи данных, но сегодня инженеры имеют дело со скоростями передачи в 10 Гбит/с и даже 25 Гбит/с. И делается это не только потому, что мы стремимся достичь все больших тактовых частот, но и потому, что мы стремимся уменьшать размеры устройств, чтобы поспевать за растущими запросами потребителей. Какое бы устройство вы не проектировали сегодня, скорее всего, вы уже включали в него различные узлы, работающие на высоких скоростях, будь то DDR, PCI Express, USB, SATA и т. д.
Сложность и плотность размещения компонентов на плате для применения
в высокоскоростных устройствах может слегка ошеломлять.
Основной задачей при конструировании высокочастотных печатных плат является устранение помех. Чем выше скорость передачи данных, тем сложнее становится сохранить целостность ваших сигналов. Большинство из этих проблем связано с излучением электромагнитных волн. Это излучение относительно безвредно при слабых взаимодействиях с электрической схемой. Однако когда оно начинает создавать помехи работе вашего электронного устройства в целом, то излучение превращается в помехи, открывающие перед вами новый мир задач, которые необходимо решать. Если вы когда-либо слышали или сталкивались с проблемами, связанными с шумом, то вы точно знаете, о чем мы говорим.
Любой ток создает магнитное поле. Так начинается распространение электромагнитного излучения.
Итак, вам может быть интересно, как вообще понять, что вы работаете над высокочастотным проектом, если при этом не обнаруживаются проблемы с электромагнитным излучением? Есть несколько научных теорий, но мы сократим их до 3 самых популярных:
Частота. Первая теория заключается в том, что высокочастотная конструкция является таковой вследствие рабочей частоты печатной платы, и ее способностью влиять на производительность электронной схемы. Некоторые считают, что этот порог начинается с 50 МГц. Другие делят скорости устройств на группы: низкочастотные (<25 МГц), среднечастотные (25-100 МГц), высокочастотные (100-1000 МГц), а выше – сверхвысокочастотные, которыми занимаются конструкторы радиопередающих устройств.
Токопроводящие дорожки. Существует теория, которая говорит о том, что можно использовать физические размеры токопроводящих дорожек для определения высокочастотности устройства. Ее руководящий принцип заключается в том, что если время прохождения сигнала по дорожке больше 1/3 времени переключения сигнала устройства, то вы имеете дело с высокочастотным устройством.
Модульность. Последняя точка зрения использует общий подход, в котором рассматривается конструкция схемы в целом и задается следующий вопрос – работает ли ваша система физически в виде единой системы? Или у вас набор подсхем, из которых собрана одна большая схема, в которой отдельные модули работают независимо? В последнем случае вы имеете дело с царством высокочастотных устройств.
Итак, вы определили, что ваш будущий проект является высокочастотным. Замечательно. Теперь рассмотрим все возможные «фоновые шумы», с которыми вам придется иметь дело. Давайте подробно рассмотрим 10 лучших советов для достижения успеха в конструировании устройств.
№ 1 – Всегда начинайте проектирование вашего высокочастотного устройства с планирования
Мы начнем с наиболее очевидного совета, но на это есть своя причина. Без плана и стратегии создания вашего высокочастотного проекта, вы, скорее всего, столкнетесь с задержками, затруднениями и неожиданными проблемами. Поэтому прежде чем нарисовать хоть один символ или выполнить одно соединение, вам нужно создать своего рода лист контрольных проверок. Вот ряд вопросов, которые прежде всего необходимо задать самому себе:
Организация системы – есть ли у меня визуальная диаграмма, которая поможет мне визуализировать взаимные соединения всех моих подсхем и надежное проведение обратного тока?
Скорость сигнала – известна ли мне максимальная частота и наибольшая скорость переключения каждого из моих сигналов?
Источник питания – отражено ли в документации каждое требуемое напряжение и требуемая мощность для питания всех моих интегральных схем, и нужно ли мне разделить слои питания?
Чувствительные сигналы – есть ли у меня план по выполнению требований к дифференциальным сигналам, согласованию полных сопротивлений и длине токопроводящих дорожек или распространению сигналов?
Это не полный перечень вопросов, на которые следует ответить себе на этапе планирования, но он послужат хорошей отправной точкой. Скорее всего, вам придется поработать с изготовителем вашего устройства, чтобы определить его минимальные требования к допускам. И еще вам понадобится согласовать стратегию развития для уменьшения уровня шума ваших высокочастотных сигналов при помощи множества способов трассировки токопроводящих дорожек, в том числе используя микрополосковые линии передачи или полосковые дорожки.
Широко известная настольная книга по конструированию
высокочастотных устройств. Начните разработку вашего плана с ее изучения!
№ 2 – Документируйте каждую деталь каждого слоя вашей платы для дальнейшего производства
Для создания плана, описанного в совете №1, самое время определить и тщательно задокументировать требования к слоям вашей платы. Это идеальный момент для взаимодействия с изготовителем, при котором выбирается материал вашей платы, и определяются ограничения, которые необходимо внести в проектные нормы. Поскольку речь зашла о материалах, скорее всего вы будете работать с одним из нижеперечисленных материалов:
FR-4 – это великолепный материал при работе с тактовыми частотами < 5 Гбит/с. Он считается низкоскоростным материалом. FR-4 позволяет достаточно точно задавать полное сопротивление, также он широко известен благодаря низкой стоимости.
Nelco, SI или Megtron – в царстве высокочастотных устройств, скорее всего, вы будете работать с этими материалами. Каждый из них пригоден для работы с тактовыми частотами 5-25 Гбит/с.
Rogers – если ваше первое высокочастотное устройство работает на частоте свыше 56 Гбит/с, то скорее всего в конце концов вы остановитесь на многослойном материале Rogers. Этот материал способен работать на высоких частотах и при высоких температурах, он известен благодаря своей высокой равномерности полного сопротивления, но также он дорог в производстве.
Rogers немного отличается по внешнему виду от FR4, обратите внимание на толщину!
После того, как необходимый для производства платы материал выбран, пора определиться с другими стратегиями формирования слоев вашей платы.
Во-первых, сигнальный слой Signal у вас всегда должен быть по соседству со слоем типа Plane, чтобы дать вашим сигналам эффективный путь обратного тока.
Также стоит разместить все высокоскоростные сигнальные цепи на внутренних слоях между слоями типа Plane для обеспечения экранирования от всех внешних источников электромагнитных излучений.
И, наконец, в наборе слоев печатной платы следует рассмотреть возможность использования несколько слоев заземления. Это поможет снизить номинальное полное сопротивление и уменьшить синфазное излучение, влияющее на вашу схему.
№ 3 – Компоновка – разбейте вашу плату на логические фрагменты
Наряду с планированием требований к конструкции вашего высокоскоростного устройства и назначения слоев, вам также необходимо решить, как будет организована ваша печатная плата. Помните, выше мы говорили о том, что высокочастотные устройства представляют собой набор подсхем? Вам необходимо решить, как будут располагаться эти подсхемы на общей плате.
Особенно это касается цифровых и аналоговых модулей, которые необходимо тщательно изолировать друг от друга для уменьшения любых возможных помех. При планировании физической компоновки вашей платы, пользуйтесь чем-то вроде схемы, показанной на рисунке ниже. Инженер, разработавший эту плату, явно разделил цифровую и аналоговую схемы, а также изолировал модуль питания как от цифрового, так и от аналогового модуля.
Знаете, где будет располагаться каждая схема?
№ 4 – Определиться с использованием слоев питания и заземления
Теперь, после того, как полностью определено расположение подсхем и конфигурация слоев, пора обратить внимание на мельчайшие подробности, которые необходимо уточнить во время конструирования платы. Во-первых, это слой заземления, который должен быть сплошным. Под этим мы подразумеваем, что слой заземления не должен быть разбит какими-либо сигнальными дорожками. Если вы разбиваете этот слой, сигналам придется искать обходные пути, что может привести к неприятным электромагнитным помехам и проблемам с задержками прохождения сигналов. Если вам все же необходимо разбить слой заземления, не забудьте установить резистор 0 Ом вдоль сигнальной дорожки, чтобы обратному сигналу было проще найти путь прохождения.
Превосходный пример того, как сигналам приходится
проделывать дополнительный путь по разделенному слою.
№ 5 – Размер контактных площадок следует делать как можно меньше
Конструкция любых плат, над которыми вы работали раньше, возможно имели контактные площадки большего размера, чем это необходимо. Это делалось по очевидным причинам. Так проще наносить припой на площадку, быстрее проводить их контроль, точность размещения компонентов платы при этом не так актуальна.
Однако в конструкции высокочастотных печатных плат ценность каждого миллиметра поверхности взлетает до небес – каждый миллиметр, который вам удастся сэкономить, обязательно пригодится. В свете этого мы рекомендуем соблюдать минимальные припуски всех контактных площадок на уровне 0-5% от размеров выводов устанавливаемых деталей. Сравните эту цифру с традиционными припусками в 30% для обычных электронных устройств.
Почему следует экономить место? Это не только поможет нам улучшить механическую прочность, но также позволит уменьшить паразитные емкости, которые играют значительную роль, когда дело касается высоких частот. И, что еще более важно, чем меньше места вы отведете под контактные площадки, тем больше места у вас будет для дифференциальных пар проводников, переходных отверстий, а также деталей с высокой плотностью выводов, таких как ПЛИС и интегральных микросхем.
№ 6 – Выполняйте разводку сигналов, добиваясь максимального экранирования
Высокочастотные сигналы на вашей плате создают массу электромагнитных излучений по мере прохождения от источника к потребителю. Последнее, что бы вы хотели получить – это чтобы два сигнала вызывали взаимные наводки друг на друга или влияли бы на расположенные рядом детали. Во избежание этого выполняйте разводку сигнальных дорожек, добиваясь максимального экранирования, следуя нижеприведенным правилам:
Протяженные параллельные сигнальные дорожки должны быть как можно короче во избежание взаимного воздействия сигналов друг на друга или возникновения перекрестных помех.
Между сигнальными дорожками должно выдерживаться как можно большее расстояние, и даже их следует размещать на разных слоях, особенно если от них ожидается сильная помеха.
При трассировке сигнальных дорожек на различных слоях убедитесь, что они пролегают друг относительно друга под прямым углом. Таким образом, если на одном сигнальном слое дорожки пролегают горизонтально, то на другом они должны пролегать вертикально, под углом в 45 градусов и т. п.
Дорожки на каждом слое размещены в разных направлениях под прямым углом друг к другу во избежание взаимного воздействия сигналов друг на друга.
№ 7 – Обеспечьте эффективный путь обратного тока
В конструкциях высокоскоростных плат каждый из сигналов пытается отыскать путь от источника к потребителю с наименьшим полным сопротивлением. Для тактовых сигналов и других высокоскоростных устройств ввода-вывода задача обеспечения кратчайшего пути прохождения может потребовать использования переходных отверстий. Без них вы можете столкнуться с распространением токов вокруг разрывов заземляющего слоя, что приводит к потере целостности сигнала.
Переходные отверстия могут обеспечить кратчайший путь от источника до потребителя в топологии высокочастотных печатных плат.
Если вы решили использовать переходные отверстия для обеспечения прохождения токов от нагрузки до потребителя, обязательно используйте сильно связанные отверстия с согласованным полным
сопротивлением, чтобы обеспечить своевременное прохождение сигнала. При размещении переходных отверстий для обратных токов располагайте их как можно ближе к переходным отверстиям для сигнала, чтобы минимизировать длину пути прохождения сигнала.
№ 8 - Используйте правило 3W для минимизации связи между дорожками
Связанные линии передачи могут сыграть дурную роль при сохранении целостности сигнала при его передаче. Для минимизации этого риска существует обязательное общее правило как можно дальше разносить дорожки друг от друга, хотя при конструировании реальной платы это правило выполнить трудновато.
Если вы когда-либо задумывались, насколько вообще далеко друг от друга нужно располагать дорожки для минимизации связи между ними, то воспользуйтесь правилом 3W. Оно гласит о том, что расстояние между дорожками, измеренное между продольными осями дорожек, должно быть в три раза больше, чем ширина отдельной дорожки. Вы можете также увеличить расстояние с 3 до 10 раз, чтобы получить куда меньшее влияние сигнала одной дорожки на сигнал другой дорожки и уменьшить перекрестные помехи.
Правило 3W говорит о том, что дорожки необходимо разносить на достаточное расстояние друг от друга для минимизации взаимного воздействия сигналов.
№ 9 – Используйте правило 20H для минимизации связи между слоями
Кроме риска возникновения взаимосвязи сигналов между отдельными дорожками, также следует задуматься о связи между слоями питания и заземления платы. При возникновении такой связи, с краев платы начинает срываться излучение в радиочастотном диапазоне, называемое краевым потоком (fringing).
Чтобы предотвратить это явление, следует делать слой питания меньше по размеру, чем соседний слой заземления. Это позволит поглотить краевой поток слоем заземления вместо излучения его во внешнюю среду. Однако насколько должен быть слой питания меньше? Воспользуйтесь правилом 20H, которое говорит о том, что слой питания должен быть меньше 20-кратной толщины диэлектрика между соседними слоями питания и заземления.
Правило 20H помогает уменьшить связь между слоями питания и заземления.
№ 10 – В заключение – общие правила трассировки печатной платы
В заключение наших ТОП-10 советов упомянем о трассировке платы, которая сама по себе заслуживает отдельной статьи, а возможно и книги, в которой бы рассказывалось о таких вещах, как излучение в радиочастотном диапазоне, микроволнах и о конструировании антенн. Этот список не закрытый, поэтому обязательно обратитесь за помощью к опытному инженеру по трассировке печатных плат, используемых в задачах, подобной вашей. Итак:
Не используйте 90-градусные искривления дорожек. Во-первых, избегайте использования искривления дорожек под 90 градусов. Дорожки, согнутые под прямым углом могут вызвать отражения сигнала.
Дифференциальные пары. Вы можете получить взаимное подавление электромагнитных полей, если обе сигнальные линии в вашей дифференциальной паре имеют одинаковую длину и постоянное расстояние между ними. Скорее всего, это потребует подгонки длин дорожек в приложении для разработки конструкции печатных плат.
Линии передачи. Уделите время тщательному проектированию линий передач с использованием микрополосковых линий и полосковых дорожек. Микрополосковые линии используют лишь один опорный слой, отделенный диэлектриком. При необходимости лучшего экранирования, воспользуйтесь полосковой линией передачи, располагающейся между несколькими заземляющими слоями и слоями диэлектрика.
Новые решения при конструировании высокочастотных устройств
При работе над вашим первым проектом по проектированию высокочастотных печатных плат вы наверняка столкнетесь с новыми, неизвестными ранее, проблемами. Они больше не будут заключаться только в том, чтобы собрать все детали головоломки вместе. Теперь нужно будет думать о том, как именно ведут себя сигналы, проходя по дорожкам, и как они влияют на все детали печатной платы. И, в конце концов, все это сводится к проблемам с электромагнитными помехами. По мере погружения глубже в мир высокоскоростных устройств, вы овладеете новыми стратегиями и знаниями по борьбе с электромагнитными помехами при обеспечении электромагнитной совместимости или EMC. Так что воспользуйтесь этими советами из списка ТОП-10, чтобы начать работу над вашим первым проектом. Однако есть еще многое, что предстоит узнать!
Вы готовы приступить к разработке вашего первого высокочастотного проекта?
Если вам необходима помощь в разработке высокочастотных печатных плат на профессиональном уровне, вы можете связаться с нашими специалистами и они проконсультируют вас по любым интересующим вопросам.