Трассировка с контролируемым импедансом
С увеличением скоростей переключения, трассировка с контролируемым импедансом стала актуальным направлением для проектировщиков цифровых устройств. В этой статье рассмотрено использование модуля анализа целостности сигналов для обеспечения требуемых импедансов компонентов, а также возможности трассировки с контролируемым импедансом в редакторе плат.
В инженерных кругах говорят, что есть два вида проектировщиков цифровой электроники: те, у кого были проблемы с целостностью сигналов, и те, у кого они будут. Еще не так давно термин целостность сигналов был сугубо специальным; иметь дело с ней приходилось только в быстродействующих проектах. Но скорости переключения в этих проектах больше не являются чем-то особенным – на самом деле, они быстро становятся нормой. Улучшения в технологиях микросхем ведут к уменьшению размера транзисторов, в связи с чем скорости их переключения растут. Именно скорость переключения влияет на целостность цифровых сигналов.
К счастью, многих потенциальных проблем целостности сигналов можно избежать, следуя принципам лучшего проектирования и используя плату с контролируемым импедансом. Для этого следует использовать специальные возможности инструментов проектирования – необходимы средства анализа, которые позволяют обнаружить цепи с потенциальными проблемами звона и отражений, и средства проектирования плат, которые позволяют обеспечить корректные импедансы трассировки. Редактор плат Altium Designer обладает этими функциональными возможностями.
Эта статья поможет понять, каковы причины проблем целостности сигналов и подвержены ли ваши платы этим проблемам. Также будут приведены два подхода к проектированию, которые нужно использовать для минимизации потенциальных проблем с целостностью сигналов – согласование импеданса компонентов и трассировка с контролируемым импедансом.
Нужна ли мне трассировка с контролируемым импедансом?
Вы спросите, нужна ли вам трассировка с контролируемым импедансом.
В идеальном случае, вся энергия, поступающая от выходного вывода компонента, перейдет в подсоединенную трассу на плате, пройдет через трассировку к входному выводу нагрузки и будет поглощена этой нагрузкой. Если вся энергия не будет поглощена нагрузкой, то оставшаяся энергия может отразиться через трассировку обратно к выходному выводу источника. Эта отраженная энергия может повлиять на изначальный сигнал, добавляясь и вычитаясь из него (зависит от полярности энергии), что приведет к звону. Если звон достаточно велик, он повлияет на целостность сигнала и приведет к непредсказуемому, ошибочному поведению схемы.
Как узнать, может ли такое произойти? Если вывод источника может завершить краевой переход до того, как сигнал достигнет вывода нагрузки, то существуют условия, что на конструкцию повлияет отраженная энергия. Существует приближенное правило, которое позволяет определить высокую вероятность появления проблем целостности сигналов, – правило "1/3 времени переключения сигнала". Правило говорит, что если длина трассы больше 1/3 времени переключения сигнала, то могут произойти отражения (звон). Если вывод источника имеет время переключения 1 нс, то трассу длиной больше 0,33 нс (примерно 2 дюйма, или 50 мм, в FR4) необходимо рассматривать как линию передачи, которая может вызвать проблемы целостности сигналов. Если вы используете устройства с таким временем переключения сигнала и трассы такой длины, то вы вполне можете столкнуться с проблемами целостности сигналов на плате.
Как контролировать импедансы?
Итак, чтобы избежать ситуаций, когда энергия отражается между источником и нагрузкой, вы согласовываете импендансы. Согласование импедансов обеспечивает передачу всей энергии от источника через трассировку в нагрузку. Трассировка платы с учетом импеданса называется трассировкой с контролируемым импедансом, или, иными словами, плата с управляемыми импедансами называется платой с контролируемым импедансом.
Существует два отдельных элемента достижения согласования импедансов: первый – согласование компонентов, и второй – трассировка платы с требуемым импедансом.
Согласование импедансов компонентов
Невозможно получить плату с контролируемым импедансом только трассировкой. Сначала необходимо проверить и, если необходимо, согласовать импедансы компонентов.
В идеальном случае, нужно найти цепи с потенциальными проблемами целостности сигналов в процессе создания схемы, чтобы добавить дополнительные согласующие компоненты перед началом конструирования платы. И поскольку выходные выводы имеют низкий импеданс, а входные – высокий, скорее всего, понадобится добавить эти компоненты в проект для получения согласования импедансов.
Вы можете провести анализ целостности сигналов на стадии создания схемы (меню Tools), где будут запрошены средний импеданс и длина трасс, а также определение цепей питания. После этого, проект будет проанализирован, и найденные потенциальные проблемы будут отображены в панели Signal Integrity, как показано ниже.
Анализ проекта на потенциальные проблемы целостности сигналов в процессе создания схемы.
Из панели можно провести анализ отражений выбранных цепей. Вы также можете поэкспериментировать с возможными настройками и значениями согласования – обратите внимание, что в области Termination панели Signal Integrity, показанной на рисунке выше, включен параметр Serial Res. В области ниже, где показаны последовательные согласующие резисторы, вы определяете минимальные и максимальные значения их сопротивления, которые будут использоваться для анализа отражений (отключите параметр Suggest для ввода собственных значений).
На рисунке ниже показаны два графика цепи, на которых изображен звон. На первом показана цепь без согласования, на втором – с теоретическим последовательным согласующим сопротивлением на выводе источника.
Было проведено десять проходов анализа, для значений теоретического сопротивления от 20 Ом до 60 Ом. Пять проходов (первый – на 20 Ом, последний – на 60 Ом) перечислены справа от графика. Щелчок по каждому из них выделяет результат и отображает теоретическое сопротивление согласования справа внизу. Для этой цепи, при последовательном согласующем сопротивлении 40 Ом получается график, выделенный на рисунке справа.
График слева показывает цепь с потенциальными проблемами целостности сигналов, график справа показывает ту же цепь с теоретическим последовательным согласующим резистором около 40 Ом.
Что определяет импеданс трассировки?
Вторым этапом получения платы с контролируемым импедансом является трассировка платы трассами с заданным импедансом. Существует ряд факторов, которые влияют на импеданс трассировки, в том числе физические размеры и свойства материала, из которого изготовлена плата.
Ниже приведены две формулы, которые система использует для расчета импеданса трассировки, выбор которых зависит от того, находится ли экранный слой только по одну сторону от трассы (микрополосок) или по обе стороны (полосковая линия). Имейте в виду, что если экранные слои не прилегают к сигнальному слою, то для расчета будут использоваться ближайшие экранные слои. Также учтите, что смещенная полосковая линия не поддерживается.
Формула характеристического импеданса микрополоска
Zo=(87/SQRT(Er+1.41))*LN(5.98*TraceToPlaneDistance/(0.8*TraceWidth + TraceHeight))
Формула характеристического импеданса полосковой линии
Zo=(60/SQRT(Er))*LN((1.9*PlaneToPlaneDistance)/(0.8*TraceWidth + TraceHeight))
Из формулы видно, что на импеданс влияют толщина проводящего и диэлектрического (изолирующего) слоя, ширина проводника и диэлектрическая постоянная Er. Для стандартного стеклотекстолита, наиболее широко используемого в производстве плат (FR-4), значение Er может варьироваться в пределах 20%, от 4 до 5. Доступны более стабильные диэлектрические материалы, такие как полиимид и тефлон.
Расчет ширины трасс для каждого слоя
Как видно из формул, существует множество промежуточных значений, влияющих на импеданс трассировки. Наряду с этими требованиями, при проектировании необходимо учитывать и другие аспекты, такие как выбор наиболее подходящей ширины/зазоров проводников и минимизация количества слое, чтобы уложиться в бюджет проекта.
В идеале у вас будет требуемый импеданс, что-нибудь в диапазоне от 40 до 90 Ом. Вместо того, чтобы вычислять ширину трасс для каждого слоя исходя из указанного импеданса, вы можете указать импеданс, и система вычислит ширину трасс, требуемую для каждого слоя.
Для этого включите параметр Characteristic Impedance Driven Width при настройке правила проектирования Routing Width в диалоговом окне PCB Rules and Constraint Editor, затем укажите требуемые минимальный/предпочтительный/максимальный импедансы – они будут автоматически переведены в значения ширины трасс для каждого сигнального слоя. Пример шести слоев (4 сигнальных + 2 экранных) показаны на изображении ниже.
Включите параметр Characteristic Impedance Driven Width для указания импеданса, и значения ширины трасс будут вычислены автоматически. Структура слоев показана справа.
При трассировке платы и изменении слоя, система автоматически изменит ширину трассы до необходимого значения, требуемого для достижения указанного импеданса. Такая интерактивная трассировка с контролируемым импедансом значительно упрощает проектирование платы с контролируемым импедансом.
Обратите внимание, что встроенный модуль расчета импеданса не учитывает влияние переходных отверстий, он предполагает передачу от одного сигнального слоя к другому без потерь. Кроме того, он рассчитывает только одиночные структуры (не дифференциальные) и определяет ширину трасс целевых цепей на основе целого слоя.
Определение структуры слоев
Обязательным требованием для контроля импеданса является включение экранных слоев, которые могут обеспечить возвратный путь для каждого сигнала. Эти экранные слои следует распределить по структуре платы, в идеале таким образом, чтобы у каждого сигнального слоя с трассировкой с контролируемым импедансом был хотя бы один прилагающий к нему экранный слой. Прилегающий экранный слой обеспечивает возвратный путь сигналов, независимо от постоянного напряжения, доставку которого обеспечивает этот слой.
Возвратный ток, который протекает через экранный слой, пытается следовать тем же физическим путем, что и трасса на сигнальном слое, поэтому важно избегать использования разрывов в экранном слое под критически важной трассировкой.
Наряду с выбором подходящего порядка сигнальных и экранных слоев, также необходимо определить свойства материала для каждого слоя, в том числе:
- Толщина проводника
- Толщина диэлектрика
- Диэлектрическая постоянная
Эти значения, а также ширина трассы, влияют на конечный импеданс. Таким образом, достижение требуемого импеданса становится процессом подстройки этих значений. Помните, что возможная толщина проводника и диэлектрика также может быть ограничена, исходя из доступный производителю плат материалов.
Например, типичным значением толщины меди является 0,7 милов (18 мкм или 1/2 oz) для сигнальных слоев и 1,4 милов (36 мкм или 1 oz) для экранных слоев. Но если в структуре используется, например, один сигнальный и один экранный слой, которые являются парой относительно изначальной панели, используемой в процессе производства многослойных плат, то может быть необходимым использовать одинаковые значения толщин проводников.
На предыдущем изображении, внутренние проводящие слои имеют толщину 36 мкм, а внешние – 18 мкм. Все диэлектрические слои толщиной 250 мкм.
Задача подбора структуры состоит в достижении трассировки импедансом 50 Ом. Требуемая для верхнего слоя ширина трасс составляет 396 мкм (примерно 18 милов), что является достаточно широкой трассой.
Одним решением является уменьшение толщины диэлектрического слоя. На рисунке ниже толщины De1 и De2 были уменьшены до 120 мкм, что привело к уменьшению ширины трасс на верхнем слое (Cu1) до 207 мкм (примерно 8 милов) и на слое Cu3 (Sig) – до 130 мкм (5 милов). Эти значения ширины подойдут для трассировки большинства компонентов.
Структура шестислойной платы. Обратите внимание, что вокруг внутреннего сигнального слоя Cu3 (Sig) были размещены два внутренних экранных слоя, поскольку на этом и верхнем слоях расположена трассировка с контролируемым импедансом.
Как и у проводников, значение толщины основания также ограничена, поскольку толщина основания определяется толщиной панели, используемой в процессе производства многослойной платы. Более свободен выбор толщин препрега. Поскольку существует еще и общая толщина платы, это значение также должно быть реалистичным (обычно около 62 милов).
Из этого просто примера видно, что на получение ширины трасс и структуры конечной платы влияют доступные материалы и требуемые импедансы.
Проверка целостности сигналов растрассированной платы
На этапе создания схемы проверка цепей осуществляется на основе предполагаемой длины трассировки и импеданса трассировки; аналогично, этот процесс следует повторить на плате для проверки потенциальных несоответствий и проблем отражений. Используйте команду Signal Integrity из меню Tools редактора плат. Поскольку документ платы является частью проекта, свойства материалов и размеры, определенные в Layer Stack Manager, а также значения ширины трасс на плате будут использоваться для расчета импедансов при проверке целостности сигналов.
Обеспечение указанных импедансов
Помимо итеративного процесса подбора размеров, который необходимо выполнить для обеспечения корректных импедансов, существуют другие факторы, влияющие на импеданс в готовой плате, в том числе постоянство и стабильность используемого в плате диэлектрического материала, постоянство и качество процесса травления. Некоторые производители могут порекомендовать геометрию трасс при предоставлении им предпочтительной структуры слоев. Многим из них также доступно включение в каждую изготовляемую панель тест-купонов, которые позволяют измерить действительные импедансы платы.
Дополнительные ресурсы
На этой странице изложено введение в тему целостности сигналов и плат с контролируемым импедансом. Чтобы узнать больше, используйте следующие ссылки, где вы можете получить доступ к ресурсам, которые развивают признанные эксперты отрасли.