Высокоскоростные печатные платы
Сохранение целостности электрических сигналов и электропитания
Андрей Васильевич Трундов
© Андрей Васильевич Трундов, 2022
Аннотация автора
Еще в прошлом веке переход от аналогового представления сигналов к цифровому представлению по мнению инженеров и ученых должен был привести к «революции» в электронике. При таком переходе ожидалось значительное снижение требований к форме сигнала, следствием чего должна была стать отличная помехоустойчивость.
Ожидания ученых оправдались. Благодаря переходу к «цифре» появилась возможность повышения скорости обработки данных, развития высокоскоростных последовательных интерфейсов. Все это способствовало быстрому развитию цифровых систем обработки информации, телефонной, телевизионной, компьютерной техники.
Но был замечен и отрицательный эффект. Многие инженеры, разделив схемотехнику на «аналоговую» и «цифровую», ошибочно представляли в роли одиночного импульса идеальный импульс прямоугольной формы, забывая о том, что любой цифровой сигнал имеет аналоговую природу, не учитывая, что форма реального импульса напряжения, определяемая его временными, частотными, энергетическими характеристиками, может отличаться от идеальной формы.
С течением времени из-за повышения скорости передачи информации, возможного благодаря увеличению крутизны фронта и спада импульсов, расширение частотного спектра сигнала потребовало изменения подходов к анализу линий передачи данных.
Вместо рассмотрения систем с сосредоточенными параметрами для гарантии сохранения целостности или первоначальной формы сигналов появилась необходимость проектирования систем с распределенными параметрами, организованных внутри печатной платы.
Пренебрежение аналоговой природой цифровых сигналов далее стало недопустимым, круг замкнулся и в современной радиотехнике появилась новая ветвь теория сохранения целостности электрических сигналов и электропитания.
Информация, представленная далее, посвящена разработке высокоскоростных печатных плат с учетом применения правил сохранения целостности электрических сигналов и электропитания и основана на понимании электрофизических основ. Технологические и производственные вопросы, связанные с проектированием и изготовлением печатных плат, в книге не рассматриваются.
Предполагается, что читатель может быть не знаком с основами курса физики и электроники. Раздел «Теоретические основы» поможет закрыть некоторые пробелы в этих областях знаний только в том объеме, в котором это необходимо для проектирования конструкции печатных плат и применения методов согласования сопротивлений в электрических схемах.
Для начинающих радиолюбителей, студентов, конструкторов книга может стать справочным пособием по проектированию высокоскоростных печатных плат с набором правил «хорошего тона».
Курсивом выделены фрагменты наиболее важные с точки зрения автора.
Благодарю руководство и сотрудников компаний Mentor (A Siemens Business) [11] и ООО «ПСБ СОФТ» официального дистрибьютора фирмы «CADENCE Design Systems» в России [12] за помощь в создании книги и возможность познакомиться с программными продуктами HyperLynx SI, PI, Thermal и Sigrity для моделирования, проектирования и анализа печатных плат.
Благодарю сотрудников и выпускников кафедры «Радиотехника и Радиоэлектронные системы» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» и уважаемых коллег инженеров за важные замечания и рекомендации, часть из которых были учтены при создании книги.
Искреннюю признательность выражаю моему другу, учителю, инженеру Прокурову А. С., оказавшему большую поддержку во время написания и редактирования книги и
инженеру конструктору Ленину Д. А., вдохновившему меня на попытку создания книги для конструкторов печатных плат.
Благодарю интернет издательство «Ридеро» ООО «Издательские решения» за возможность делиться с читателем моим опытом и идеями.
Предисловие
В марте 2015 г. в РФ был введен в действие межгосударственный стандарт ГОСТ IEC 61188-1-2-2013 «Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение». В документе внимание разработчиков радиоэлектронной аппаратуры обращено на серьезные требования, предъявляемые радиоэлектронной промышленностью к проектированию высокоскоростных печатных плат, предложен набор правил и рекомендаций для обеспечения выполнения требований сохранения целостности сигналов и питания.
Методы и правила сохранения целостности электрических сигналов в стандарте представлены без объяснений принципов их работы. Для правильного их применения в соответствии с реальной ситуацией требуется углубленное изучение.
Отечественная литература по данной тематике практически отсутствует. В различных ВУЗах нашей страны существуют разрозненные методические пособия и материалы, преподаваемые в рамках курса «Радиотехника». Некоторые доступные работы зарубежных авторов по данной тематике перечислены в разделе «Список рекомендуемой литературы и указателей», представленном в конце книги.
Отсутствие систематизированной информации по теме сохранения целостности сигналов и питания и невнимательность к данной теме руководителей проектов приводит к пренебрежению в использовании достаточно простых, но важных правил перед началом эскизного и в процессе рабочего проектирования печатных плат.
В конечном итоге серьезные недостатки в области электромагнитной совместимости да и просто в работоспособности проявляются только в процессе испытаний электрических макетов, что приводит к значительному увеличению сроков разработки и стоимости изделий.
В книге сделана попытка объяснить и систематизировать известные правила проектирования печатных плат.
Огромную помощь в понимании электрофизических процессов и «проверке знаний» дала возможность применения систем моделирования, проектирования и анализа печатных плат HyperLynx SI/PI компании Mentor (A Siemens Business) и Sigrity фирмы «Cadence Design Systems» как в предтопологическом, так и в посттопологическом режиме после разработки конструкций плат до момента их изготовления.
Именно хорошая сходимость результатов моделирования с результатами реальных измерений, накопленных за время практической деятельности, позволили представить в книге правила и методики повышения качества печатных плат без строгого математического обоснования.
Прочитав книгу вы познакомитесь с понятиями:
электромагнитное поле и электромагнитная волна,
цифровой сигнал,
пассивные элементы и типовые звенья на их основе,
линия передачи,
волновое сопротивление линии передачи,
однородность линии передачи,
виды и причины неоднородностей линии передачи,
методы согласования сопротивлений,
собственная частота резонанса линии передачи,
скорость распространения электромагнитной волны
в различных средах и типах линий передачи,
матрица конденсаторов для снижения уровня шумов, "дребезга земли" и "эффекта хлопающих крыльев" в системе электропитания печатной платы.
Вы узнаете почему «нельзя» и в каких случаях «можно»:
использовать длинные проводники,
трассировать соседние проводники близко друг к другу
располагать сигнальные проводники близко
к проводникам или полигонам земли и питания,
изменять ширину проводника по ходу трассы,
допускать разрывы полигона земли (опорного слоя)
под сигнальными проводниками или линиями передачи,
допускать изгибы проводников,
допускать создание «контуров» и «петель»,
допускать установку переходных отверстий,
допускать ветвление проводников.
Вы научитесь:
применять методы согласования сопротивлений,
организовывать однородные линии передачи,
организовывать стек печатной платы,
организовывать классы цепей,
разрабатывать правила для отдельных классов цепей,
оптимально размещать элементы на плате,
применять электрическое и магнитное экранирование,
применять методы улучшения электромагнитной совместимости разрабатываемых устройств,
оценивать необходимость выравнивания проводников в шинах и дифференциальных парах,
устанавливать «матрицы конденсаторов»,
снижать плотности токов в проводниках и полигонах питания,
обеспечивать низкий и равномерный импеданс цепей питания в требуемом диапазоне частот.
Теоретические основы
При разработке высокоскоростных печатных плат в них вместо обычных проводников должны быть организованы линии передачи.
Линия передачи это конструкция, состоящая из сигнального проводника, опорного слоя и диэлектрика между ними.