Vysokorychlostní návrh desek plošných spojů
Vysokorychlostním návrhem DPS se rozumí jakýkoli návrh, kde integrita signálu začíná být ovlivňována fyzikálními vlastnostmi DPS, jako je uspořádání, balení, propojení a uspořádání vrstev.
Moderní elektronika zvyšuje hranové rychlosti a taktovací frekvence. Mnoho digitálních systémů má dnes frekvence signálu vyšší než 100 MHz. Při těchto rychlostech se na stopách na deskách plošných spojů objevují efekty přenosových linek, které mohou vážně ovlivnit chování systému. Proces návrhu DPS pro vysoké rychlosti je proces řešení problémů s integritou signálu, které vysoké rychlosti vytvářejí. Lidé často používají termín “vysokorychlostní deska plošných spojů”, co přesně je vysokorychlostní deska plošných spojů?
Jeden z názorů říká, že digitální obvod je vysokorychlostní, pokud jeho rychlost dosahuje nebo přesahuje přibližně 45-50 MHz a signály s touto rychlostí tvoří více než třetinu systému. Ve skutečnosti jsou harmonické frekvence signálu vyšší než jeho základní frekvence. Rychlé změny - náběžné a sestupné hrany nebo přechody - způsobují neočekávané výsledky přenosu. Běžné praktické pravidlo zní: je-li zpoždění šíření vedení větší než polovina doby náběhu digitálního signálu, je tento signál považován za vysokorychlostní signál a záleží na účincích přenosového vedení.
Na přenosu signálu záleží v okamžiku, kdy signál změní stav, například během doby náběhu nebo poklesu. Signál potřebuje k cestě od ovladače k přijímači pevně stanovenou dobu. Pokud je doba cesty kratší než polovina doby náběhu nebo poklesu, pak jakýkoli odraz od přijímače dorazí k ovladači dříve, než signál dokončí změnu. Pokud je doba cesty delší než polovina doby náběhu nebo poklesu, odraz se vrátí po změně. Pokud je odraz velký, může součtový průběh změnit logický stav.
Stručně řečeno, chcete-li navrhnout vysoce kvalitní vysokorychlostní desku plošných spojů, musíte myslet jak na integritu signálu, tak na integritu napájení. Musíme také znát rozdíl mezi vysokorychlostními signály a vysokofrekvenčními signály. Přímé vlivy se obvykle projevují jako problémy s integritou signálu, ale hlavní příčina často souvisí s integritou napájení. Integrita napájení přímo ovlivňuje konečnou integritu signálu na desce.
Když začnete navrhovat desku a objeví se problémy jako zpoždění, přeslechy, odrazy nebo nežádoucí vyzařování, jste v oblasti vysokorychlostního návrhu desek plošných spojů.
Návrh vysokorychlostních desek plošných spojů je rozvržení desek plošných spojů pro vysokorychlostní obvody. Jedná se o obvody, u nichž fyzické části desky ovlivňují integritu signálu. Mezi tyto fyzické faktory patří rozložení, uspořádání a propojení.
Při návrhu vysokorychlostních desek plošných spojů musíte věnovat více času než obvykle přesnému rozmístění stop, jejich šířce, vzdálenosti od ostatních signálů a typům součástek, ke kterým se stopy připojují.
Moderní elektronika zvyšuje hranové rychlosti a taktovací frekvence. Mnoho digitálních systémů má dnes frekvence signálu vyšší než 100 MHz. Při těchto rychlostech se na stopách na deskách plošných spojů objevují efekty přenosových linek, které mohou vážně ovlivnit chování systému. Proces návrhu DPS pro vysoké rychlosti je proces řešení problémů s integritou signálu, které vysoké rychlosti vytvářejí. Lidé často používají termín “vysokorychlostní deska plošných spojů”, co přesně je vysokorychlostní deska plošných spojů?
Jeden z názorů říká, že digitální obvod je vysokorychlostní, pokud jeho rychlost dosahuje nebo přesahuje přibližně 45-50 MHz a signály s touto rychlostí tvoří více než třetinu systému. Ve skutečnosti jsou harmonické frekvence signálu vyšší než jeho základní frekvence. Rychlé změny - náběžné a sestupné hrany nebo přechody - způsobují neočekávané výsledky přenosu. Běžné praktické pravidlo zní: je-li zpoždění šíření vedení větší než polovina doby náběhu digitálního signálu, je tento signál považován za vysokorychlostní signál a záleží na účincích přenosového vedení.
Na přenosu signálu záleží v okamžiku, kdy signál změní stav, například během doby náběhu nebo poklesu. Signál potřebuje k cestě od ovladače k přijímači pevně stanovenou dobu. Pokud je doba cesty kratší než polovina doby náběhu nebo poklesu, pak jakýkoli odraz od přijímače dorazí k ovladači dříve, než signál dokončí změnu. Pokud je doba cesty delší než polovina doby náběhu nebo poklesu, odraz se vrátí po změně. Pokud je odraz velký, může součtový průběh změnit logický stav.
Stručně řečeno, chcete-li navrhnout vysoce kvalitní vysokorychlostní desku plošných spojů, musíte myslet jak na integritu signálu, tak na integritu napájení. Musíme také znát rozdíl mezi vysokorychlostními signály a vysokofrekvenčními signály. Přímé vlivy se obvykle projevují jako problémy s integritou signálu, ale hlavní příčina často souvisí s integritou napájení. Integrita napájení přímo ovlivňuje konečnou integritu signálu na desce.
Když začnete navrhovat desku a objeví se problémy jako zpoždění, přeslechy, odrazy nebo nežádoucí vyzařování, jste v oblasti vysokorychlostního návrhu desek plošných spojů.
Návrh vysokorychlostních desek plošných spojů je rozvržení desek plošných spojů pro vysokorychlostní obvody. Jedná se o obvody, u nichž fyzické části desky ovlivňují integritu signálu. Mezi tyto fyzické faktory patří rozložení, uspořádání a propojení.
Při návrhu vysokorychlostních desek plošných spojů musíte věnovat více času než obvykle přesnému rozmístění stop, jejich šířce, vzdálenosti od ostatních signálů a typům součástek, ke kterým se stopy připojují.
1. Signály a integrita signálu
Ať už pracujete na běžném nebo vysokorychlostním návrhu desky plošných spojů, deska vysílá signály po stopách ke koncovým bodům. Co jsou tedy vysokorychlostní signály? Existují dva hlavní typy: analogové a digitální.
1.1 Digitální signály
Digitální signály jsou jednodušší než analogové. Jsou to série nízkých a vysokých úrovní. Můžete si je představit jako 0 a 1 nebo jako vypnuto a zapnuto.
1.2 Analogové signály
Analogové signály se liší více než digitální signály. Mohou kolísat v kladných i záporných hodnotách. Signál se mění amplitudou a frekvencí.
Při návrhu obvodu mějte na paměti tyto běžné problémy a jejich řešení, abyste zlepšili výkon desky.
2. Běžné problémy a jejich řešení
2.1 Problémy
Vysokorychlostní návrh desek plošných spojů je velmi citlivý. Během projektu se můžete setkat s několika problémy. Zde jsou tři běžné problémy, na které je třeba si dát pozor.
- Časování: Při špatném načasování signálu může dojít k poškození dat. Kvůli problémům s časováním se ujistěte, že každý směrovaný signál a každý hodinový signál přichází ve správný čas vzhledem ke všem ostatním signálům.
- Zkreslení: Integrita signálu znamená, že signály přicházejí ve správném tvaru. Pokud signály nevypadají v koncových bodech správně, pravděpodobně došlo po cestě k jejich zkreslení.
- Hluk: Každá deska plošných spojů vydává nějaký hluk. Příliš velký šum však může poškodit data. Šum se často objevuje, když jeden signál nečekaně zazvoní a ovlivní okolní signály.
2.2 Řešení
Tyto problémy jsou naštěstí již známé. Jedná se o klíčové součásti vysokorychlostního návrhu.
- Impedance: Řízení impedance je základním řešením mnoha běžných problémů s deskami plošných spojů. Pokud je impedance mezi vysílačem a přijímačem správná, zlepší se kvalita, integrita a citlivost signálu.
- Odpovídající: Délkové přizpůsobení pomáhá časování. Pokud přizpůsobíte délky spojených stop, budou přicházet společně a zůstanou synchronizovány s hodinami.
- Rozestupy: Ponechání dostatečného prostoru mezi stopami pomáhá chránit je před šumem a jiným rušením. Neumisťujte stopy příliš blízko sebe, abyste omezili rušení.
3. Vysokorychlostní rozvržení PCB
Když mluvíme o tom, co dělá desku plošných spojů vysokorychlostní, nezapomeňte, že platí mnoho pravidel pro uspořádání. Včasné plánování rozvržení pomáhá udržet projekt v souladu s harmonogramem a snižuje počet chyb.
3.1 Schéma
Prvním krokem je nakreslit obvod jako schéma. Při kreslení přemýšlejte o toku signálů. Snažte se zachytit přirozený tok zleva doprava a zahrňte co nejvíce užitečných informací.
3.2 Požadavky
Napište jasné pokyny pro rozvržení PCB. Uveďte účel desky, náčrt obvodu, rozvržení desky, rozmístění součástek a rozestupy mezi stopami a obvody. Možná budete muset také uvést, jaké typy signálů se nacházejí v jednotlivých vrstvách. Pokud například používáte RF, zvažte návrh RF PCB. VF signály mají zvláštní požadavky. Do požadavků uveďte vše, co deska potřebuje ke spolehlivému fungování.
3.3 Umístění
Umístění komponent je jednou z nejdůležitějších částí rozvržení. Zamyslete se nad tím, kde se obvody na desce nacházejí a co je obklopuje.
3.4 Power Bypass
Chcete-li snížit šum ve vysokorychlostních obvodech, přemostěte napájecí vývody zesilovače. Pro vysokorychlostní optické zesilovače existují dvě běžné techniky bypassu. Jednou z nich je bypass rail-to-ground, který funguje ve většině případů. V některých případech jsou užitečné další speciální techniky.
3.5 Parazitní kapacita
Parazity jsou zbloudilé kondenzátory a induktory, které se vplíží do vysokorychlostního uspořádání a způsobují problémy. Snadno se tvoří a mohou narušit konstrukci. Vysokorychlostní obvody jsou snadno ovlivněny parazity.
3.6 Pozemní rovina
Zemní rovina slouží jako referenční napětí, poskytuje stínění, pomáhá odvádět teplo a snižuje bludnou indukčnost. Ale pozor: zemní rovina může také přidat parazitní kapacitu. Ve většině případů chcete mít plnou, nepřerušovanou zemnicí rovinu a udržovat ji souvislou.
3.7 Balení
Optické zesilovače a další součástky se dodávají v mnoha baleních. Výběr obalu ovlivňuje vysokofrekvenční výkon. Obaly ovlivňují parazity a vedení stop.
3.8 Trasování a stínění
Směrování a stínění snižují rušení mezi signály. Návrh desek plošných spojů nabízí několik metod směrování a stínění. Dobrým stíněním je zemnící rovina. Můžete také vést stopy ortogonálně na sousedních vrstvách, abyste snížili kapacitní vazbu a udrželi stopy dále od sebe.
4. Jak zjistit, zda je váš projekt vysokorychlostní?
Neexistuje jediné absolutní pravidlo pro to, co se považuje za vysokorychlostní návrh desky plošných spojů, ale existuje několik praktických způsobů, jak rozhodnout, zda je váš projekt vysokorychlostní. Problémy s integritou signálu jsou jasným znamením. Pokud pracujete na telefonu nebo základní desce, jedná se velmi pravděpodobně o vysokorychlostní návrh. Silným vodítkem je také použití určitých technologií.
- Má deska vysokorychlostní rozhraní?
Rychlý způsob, jak zjistit, zda je nutné dodržovat pravidla vysokorychlostního návrhu, je zkontrolovat, zda jsou na desce vysokorychlostní rozhraní. Příkladem jsou DDR, PCIe a video rozhraní, jako je DVI nebo HDMI. Všechna tato rozhraní vyžadují přísná pravidla vysokorychlostního návrhu. U každého rozhraní také uveďte v dokumentaci přesné specifikace kanálů. - Poměr délky stopy a vlnové délky signálu
Běžnou kontrolou je poměr mezi délkou vaší stopy a vlnovou délkou přenášených signálů. Pokud je délka stopy řádově stejná jako vlnová délka signálu, bude deska pravděpodobně potřebovat vysokorychlostní pravidla. Některé standardy, například DDR, vyžadují, aby délka stopy splňovala přísné tolerance. Jednoduché pravidlo zní: pokud jsou délka stopy a vlnová délka ve stejném řádu, měli byste uvažovat o vysokorychlostním návrhu. - Desky s bezdrátovým nebo anténním rozhraním
U každé desky, která se připojuje k anténě, ať už je anténa na desce, nebo připojená konektorem, je třeba věnovat pozornost vysokorychlostnímu a rádiovému návrhu. Antény pro vozidla také vyžadují přísnou kontrolu impedance a vyladěnou délku stop. Pokud máte konektory SMA nebo podobné VF konektory, nasměrujte je s řízenou impedancí tak, aby odpovídala hodnotě konektoru. - Distribuované systémy a mnoho dílčích obvodů
Pokud je váš projekt distribuovaný systém složený z mnoha dílčích obvodů, které mohou pracovat nezávisle uvnitř většího systému, budete pravděpodobně také čelit problémům s vysokorychlostními deskami plošných spojů. Více modulů, mnoho vysokorychlostních spojů a smíšené časové domény zvyšují pravděpodobnost, že budete potřebovat péči o vysokorychlostní návrh.
5. Vysokorychlostní deskové materiály
Termín “vysokorychlostní deskový materiál” je v oboru běžný. Obvykle se jím označují materiály s nízkými ztrátami, které se používají pro vysokorychlostní desky plošných spojů. Tyto materiály mají nižší ztrátový tangens, často označovaný jako Df, ve srovnání s běžným FR-4. Co je to Df a jak ovlivňuje signály?
Když se izolační médium, jako je tkanina ze skleněných vláken a pryskyřice, nachází v elektrickém poli, nabité částice v médiu jsou vázány uvnitř molekul. Vnější pole způsobuje drobné posuny. Dipóly v médiu se pak vyrovnávají s polem. Tento jev je dielektrická polarizace. Energie ztracená během procesu polarizace je dielektrická ztráta. Hodnota Df materiálu udává, jak velké dielektrické ztráty materiál má.
Standardní deskové materiály tlumí sinusové vlny více než rychlé materiály. Tento efekt je silnější u vyšších harmonických frekvencí. Digitální signály se skládají z mnoha sinusových vln o různých frekvencích. Pokud jsou tyto sinusové vlny zeslabeny, hrany digitálního signálu se zhoršují a amplituda klesá. Degradace hran snižuje šířku pásma přenosového vedení a snižuje rezervu signálu. Použití vysokorychlostního materiálu snižuje ztráty na jednotku délky. Při stejné délce trasy poskytuje vysokorychlostní materiál větší šířku pásma a větší rezervu. Nebo při stejném rozpočtu na ztráty umožňuje použití vysokorychlostního materiálu vést delší stopy a stále splňovat výkon.
Pomoci může jednoduchá analogie. Představte si dvě auta s různou spotřebou paliva. Auto A spotřebuje 22 litrů na 100 km (Df: 0,022). Lidé mu říkají žrout benzínu. Auto B spotřebuje 4,5 litru na 100 km (Df: 0,0045). Lidé mu říkají šetřič paliva. Pokud máte k dispozici pouze 50 litrů paliva a váš cíl je vzdálen 800 km, benzínový žrout do něj nedojede. Šetřič paliva dojede a ještě mu palivo zbude. Pokud je cíl cesty vzdálen jen 200 km, může se stát, že spořič dojede s malým zbytkem paliva, takže rezerva je malá a cesta je riskantní, pokud se něco pokazí. Šetřič paliva zvládne cestu s větší rezervou. Tento příklad ukazuje, proč někdy potřebujete rychloobrátkové materiály. Když jsou rychlosti signálu vysoké, délka trasy dlouhá nebo rozpočet na ztráty je omezený, normální materiál nemusí poskytnout dostatečnou rezervu. V takových případech doporučujeme vysokorychlostní materiál.
Vysokorychlostní materiály se dodávají v odstupňovaných úrovních podle Df. Df je pouze vodítkem. Pro konstrukční práce vždy používejte přesná čísla z technického listu materiálu.
Když se izolační médium, jako je tkanina ze skleněných vláken a pryskyřice, nachází v elektrickém poli, nabité částice v médiu jsou vázány uvnitř molekul. Vnější pole způsobuje drobné posuny. Dipóly v médiu se pak vyrovnávají s polem. Tento jev je dielektrická polarizace. Energie ztracená během procesu polarizace je dielektrická ztráta. Hodnota Df materiálu udává, jak velké dielektrické ztráty materiál má.
Standardní deskové materiály tlumí sinusové vlny více než rychlé materiály. Tento efekt je silnější u vyšších harmonických frekvencí. Digitální signály se skládají z mnoha sinusových vln o různých frekvencích. Pokud jsou tyto sinusové vlny zeslabeny, hrany digitálního signálu se zhoršují a amplituda klesá. Degradace hran snižuje šířku pásma přenosového vedení a snižuje rezervu signálu. Použití vysokorychlostního materiálu snižuje ztráty na jednotku délky. Při stejné délce trasy poskytuje vysokorychlostní materiál větší šířku pásma a větší rezervu. Nebo při stejném rozpočtu na ztráty umožňuje použití vysokorychlostního materiálu vést delší stopy a stále splňovat výkon.
Pomoci může jednoduchá analogie. Představte si dvě auta s různou spotřebou paliva. Auto A spotřebuje 22 litrů na 100 km (Df: 0,022). Lidé mu říkají žrout benzínu. Auto B spotřebuje 4,5 litru na 100 km (Df: 0,0045). Lidé mu říkají šetřič paliva. Pokud máte k dispozici pouze 50 litrů paliva a váš cíl je vzdálen 800 km, benzínový žrout do něj nedojede. Šetřič paliva dojede a ještě mu palivo zbude. Pokud je cíl cesty vzdálen jen 200 km, může se stát, že spořič dojede s malým zbytkem paliva, takže rezerva je malá a cesta je riskantní, pokud se něco pokazí. Šetřič paliva zvládne cestu s větší rezervou. Tento příklad ukazuje, proč někdy potřebujete rychloobrátkové materiály. Když jsou rychlosti signálu vysoké, délka trasy dlouhá nebo rozpočet na ztráty je omezený, normální materiál nemusí poskytnout dostatečnou rezervu. V takových případech doporučujeme vysokorychlostní materiál.
Vysokorychlostní materiály se dodávají v odstupňovaných úrovních podle Df. Df je pouze vodítkem. Pro konstrukční práce vždy používejte přesná čísla z technického listu materiálu.
5.1 Běžné kategorie Df (hodnoty jsou typické referenční hodnoty při 10 GHz)
- Standardní ztrátový materiál: Df < 0,022 @ 10 GHz
- Střední ztráta materiálu: Df < 0,012 @ 10 GHz
- Materiál s nízkými ztrátami: Df < 0,008 @ 10 GHz
- Materiál s velmi nízkými ztrátami: Df < 0,005 @ 10 GHz
- Materiál s velmi nízkými ztrátami: Df < 0,003 @ 10 GHz