Трассировка с контролируемым импедансом

Главная страница: Трассировка

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 высокоскоростных конструкциях. Однако скорости переключения в этих конструкциях 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, многие потенциальные проблемы 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 импеданс?

Чтобы избежать ситуаций, когда энергия отражается между источником и нагрузкой, вы согласовываете импедансы. 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. При запуске команды Tools » Signal Integrity может появится диалоговое окно Errors or Warnings, обозначающее, что не всем компонентам назначены модели целостности сигналов. Модуль анализа целостности сигналов автоматически выберет модели по умолчанию исходя из позиционных обозначений компонентов. Нажмите Continue, чтобы использовать настройки по умолчанию, или Model Assignments, чтобы просмотреть и изменить модели. В любой момент вы можете открыть диалоговое окно Signal Integrity Model Assignments с помощью кнопки Model Assignments в панели Signal Integrity.

Модуль анализа целостности сигналов будет использовать настройки по умолчанию для требуемого импеданса и средней длины трасс. Он также будет использовать значения по умолчанию для тестового сигнала (свойств теоретического входного сигнала). Эти значения по умолчанию можно настроить, когда открыта панель Signal Integrity, с помощью команды Кнопка Menu » Setup Options панели. Эта команда откроет диалоговое окно SI Setup Options ( показать изображение), где также можно настроить категории цепей. Если проект включает в себя плату, будет осуществлена проверка настроек ее структуры слоев, а также правил проектирования Supply Nets и Signal Stimulus. Обратите внимание, что модулю анализа целостности сигналов необходимы экранные слои в качестве опорных слоев, он не может использовать сигнальные слои с полигонами.

Анализ проекта

При запуске команды Tools » Signal Integrity осуществляется анализ проекта. Все цепи с потенциальными проблемами отображаются в панели Signal Integrity, как показано ниже.

Тестирование проекта для выявления потенциальных проблем целостности сигналов в процессе ввода схемы.

Из этой панели вы можете выполнить анализ отражений выбранной цепи (или цепей). Слева отображаются результаты анализа для всех цепей в проекте. Выберите цепь и нажмите кнопку (либо дважды щелкните ЛКМ по имени цепи), чтобы переместить эту цепь в поле Net в правой части панели, где вы можете выполнить детальный анализ этой цепи, в том числе:

• Проверку выводов этой цепи, где вы можете один раз щелкнуть ЛКМ для перекрестного перехода к этому выводу на схеме, или дважды щелкнуть ЛКМ для проверки и настройки модели, назначенной этому выводу.
• Включить один или несколько вариантов согласования для этой цепи.
• Выполнить анализ отражений цепи, с отображением набора форм сигнала, демонстрирующих поведение каждого вывода в цепи.

Панель позволяет вам экспериментировать с возможными конфигурациями и значениями согласования. Обратите внимание, что в области Termination панели Signal Integrity, показанной на изображении выше, включена опция Serial Res. В области панели ниже показан последовательный согласующий резистор. Здесь вы определяете минимальное и максимальное значения теоретического последовательного согласующего сопротивления, которое будет использоваться для анализа отражений (отключите опцию Suggest, чтобы ввести собственные значения).

Изучение результатов

При нажатии на кнопку Reflection Waveforms производится точный анализ отражений этой цепи, результаты представляются в новом окне формы сигнала (*.SDF).

Окно формы сигнала включает в себя:

• Диаграмму для каждой анализируемой цепи. Используйте вкладки в нижней части окна для переключения между диаграммами.
• Каждая диаграмма будет включать в себя график для каждого вывода в цепи, демонстрирующий поведение сигнала на этом выводе.

На изображении ниже показаны два графика результатов на входном выводе цепи, выбранной на предыдущем изображении панели. На первом графике показан входной вывод в цепи без согласования; на втором графике показано шесть прогонов: один для оригинальной несогласованной цепи, пять – с теоретическим последовательным согласующим сопротивлением, включенном в исходный вывод.

Было выполнено пять проходов анализа отражений (значение опции Sweep Steps = 5), с теоретическим согласующим резистором от Min = 20 Ом до Max = 60 Ом. Эти пять проходов (первый для 20 Ом, последний для 60 Ом) приведены в правой части графика. Щелкните ЛКМ по любой из меток, чтобы подсветить этот результат и показать значение теоретического сопротивления внизу справа. Для этой цепи последовательное согласующее сопротивление 40 Ом соответствует графику, выбранному на изображении справа.

График на изображении слева показывает анализ отражений цепи с потенциальными проблемами целостности сигналов; график справа относится к той же цепи с добавленным 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 материалов, из которых изготовлена плата.

Ранние версии редактора плат включали в себя простой калькулятор импедансов с ограниченной поддержкой нестандартных структур плат. Калькулятор импедансов имел ряд ограничений, в том числе: требуемые возвратные пути должны были быть реализованы экранными слоями, поддерживались только структуры симметричной полосковой линии, не было поддержки расчетов дифференциального импеданса.

В новых версиях реализован модуль электромагнитной целостности сигналов Simbeor® от компании Simberian. Точность модели Simbeor подтверждается путем использования расширенных алгоритмов для 3D-анализа полного колебания, проведения сопоставительных испытаний и экспериментальной проверки. Модуль Simbeor поддерживает все современные структуры и материалы плат.

Настройка платы для трассировки с контролируемым импедансом

Смысл трассировки с контролируемым импедансом заключается в настройке размеров трасс и свойств материалов платы для обеспечения определенного импеданса. Это осуществляется в Layer Stack Manager редактора плат.

Чтобы открыть Layer Stack Manager, выберите Design » Layer Stack Manager из меню. Layer Stack Manager будет открыт в своем редакторе, как лист схемы, плата или документ другого типа.

Управление всеми аспектами структуры слоев осуществляется в Layer Stack Manager.

Определение структуры слоев

Главная страница: Определение структуры слоев

Настройка проводящих и диэлектрических слоев осуществляется на вкладке Stackup в Layer Stack Manager.

• На этой вкладке осуществляется добавление, удаление и настройка слоев. Для гибко-жестких плат также осуществляется включение и отключение слоев.
• Свойства выбранного в данный момент слоя можно изменить непосредственно в таблице или в панели Properties. Нажмите кнопку в нижней части рабочей области, чтобы включить панель.
• Щелкните ПКМ в таблице слоев или используйте команды меню Edit » Add Layer для добавления слоя. При добавлении проводящего слоя будет также добавлен диэлектрический слой, если существующий прилегающий слой также является проводящим.
• Если в области Board панели Properties включена опция Stack Symmetry, будут добавлены парные слои симметрично центральному диэлектрическому слою.
• Материал слоя можно ввести в выбранной ячейке Material либо выбрать в диалоговом окне Select Material , которое открывается с помощью кнопки многоточия ().
• Проводящему слою может быть добавлено дополнительное медное покрытие с помощью меню Layer и добавления слоя Copper plating.
• Выбранный слой можно перемещать вверх и вниз по слоям того же типа с помощью контекстного меню или меню Edit.
• Область Board панели Properties включает в себя опции для включения использования симметрии структуры (Stack Symmetry) и соответствия библиотеке (Library Compliance) – подробнее об этом ниже.
• В области Board панели Properties также отображена сводка информации по текущему стеку (или подстеку гибко-жесткого проекта).

Замечания по структуре слоев

Обязательным требованием для контроля импеданса является обеспечение возвратного пути под каждым сигналом. Модуль Simbeor SI поддерживает как экранные слои, так и сигнальные слои с полигоном. Эти слои возвратного пути 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 слой возвратного пути. Этот 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 или вырезов в слое возвратного пути под критически важной сигнальной 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.

► Узнать больше о возможных структурах слоев

Определение профилей импеданса

Главная страница: Настройка структуры слоев для трассировки с контролируемым импедансом

Модуль Simbeor встроен в Layer Stack Manager редактора плат (Design » Layer Stack Manager). Для настройки структуры слоев для трассировки с контролируемым импедансом перейдите на вкладку Impedance в Layer Stack Manager, где вы сможете добавить и настроить профиль импеданса.

Профиль импеданса 50Ω, заданный для отдельных цепей на верхнем слое. Наведите курсор на изображение, чтобы отобразить настройки того же профиля на слое L3.

Примечания по созданию и настройке профиля импедансов:

1. В Layer Stack Manager перейдите на вкладке Impedance, как показано ниже.
2. Нажмите кнопку (или кнопку , если есть уже заданный профиль), чтобы добавить новый профиль.
3. В панели Properties задайте настройки требуемого импеданса: тип (Type), целевой импеданс (Target Impedance) и целевую точность (Target Tolerance). Опционально можно задать описание (Description), которое будет отображаться вместе с названием профиля импеданса.
4. Таблица слоев разделена на две области: слева отображены слои в стеке, справа для каждого сигнального слоя в стеке отображен слой в области профиля импедансов. Используйте флажок в области профиля, чтобы включить расчет импедансов для этого слоя.
5. Выберите включенный слой в области профиля. Будут затенены все слои в стеке, за исключением тех, которые используются для расчета импеданса этого выбранного сигнального слоя (как показано на изображении выше). Для этого слоя измените опорный слой (или слои) в столбцах Top Ref и Bottom Ref. Обратите внимание, что типом (Type) опорных слоев может быть как экранный, так и сигнальный.
6. Включите опцию Impedance Profile для каждого слоя, который будет содержать в себе трассировку с этим импедансом, и настройте опорные слои. Наведите курсор мыши на изображение выше, чтобы отобразить профиль импеданса S50 на слое L3.
7. Если расчетное значение ширины трасс не может быть представлено, вы можете изменить настройки ширины и зазора.

Настройка правил проектирования

Импеданс трассировки определяется шириной и высотой трасс, а также свойствами окружающего диэлектрического материала. На основе свойств материалов, заданных в Layer Stack Manager, требуемые значения ширины трасс рассчитываются для каждого созданного профиля импедансов. В зависимости от свойств материалов, ширина может измениться при изменении слоя трассировки. Это требование к изменению ширины при изменении слоев трассировки автоматически управляется применяемым правилом проектирования, которое настраивается в диалоговом окне PCB Rules and Constraints Editor (Design » Rules).

Для большинства конструкций плат, существует лишь определенный набор цепей, которые нужно трассировать с контролируемым импедансом. Общим подходом является создание класса цепей или класса дифференциальных пар, который включает в себя эти цепи, и последующее создание правила для трассировки цепей этого класса, как показано на изображении ниже.

Обычно вы вручную задаете минимальное, максимальное и предпочтительное значение ширины, либо в верхней области ограничений для всех слоев, либо в нижней области отдельно для каждого слоя в таблице внизу. Вместо этого, для трассировки с контролируемым импедансом вы можете включить опцию Use Impedance Profile, затем выбрать нужный профиль импедансов из выпадающего меню. После этого область Constraints правила изменится. Вы сразу заметите, что в области доступных слоев не будут отображаться все сигнальные слои платы, а только слои, включенные в выбранный профиль импеданса. Значения предпочтительной ширины (и зазора дифференциальной пары) обновятся в соответствии со значениями ширины (и зазора), вычисленного для каждого слоя. Эти предпочтительные значения нельзя изменить, но можно изменить минимальное и максимальное значение.

Правило проектирования Routing Width

Для одиночных цепей ширина трасс определяется правилом проектирования Routing Width.

При использовании профиля импедансов, выбранный профиль управляет доступными слоями и значениями предпочтительной ширины.

Правило проектирования Differential Pairs Routing

Трассировкой дифференциальных пар управляет правило проектирования Differential Pair Routing.

Для дифференциальных пар, выбранный профиль управляет доступными слоями, предпочтительной шириной и предпочтительным зазором.

► Узнайте больше о Трассировке дифференциальных пар

Правило Return Path

Разрывы и узкие участки на пути возвратного тока могут быть обнаружены правилом проектирования Return Path. Правило Return Path проверяет непрерывный возвратный путь сигнала на назначенном опорном слое выше или ниже сигналов, на которые это правило действует. Возвратный путь может быть сформирован из заполнений, регионов и полигонов, размещенных на сигнальном слое, либо это может быть экранный слой.

Слоями возвратного пути являются опорные слои, определенные в профиле импеданса, который выбран в правиле Return Path. Осуществляется проверка этих слоев на предмет того, соблюдается ли указанное значение Minimum Gap (ширина за пределами края сигнала) вдоль пути сигнала. Добавление нового правила Return Path осуществляется в категории High Speed.

Слои возвратного пути определяются в выбранном профиле импеданса, ширина пути (за пределами края сигнала) определяется значением Minimum Gap.

На изображении ниже показаны нарушения возвратного пути, обнаруженные для сигнала NetX, с настройкой Minimum Gap, равной 0.1mm. Может быть проще увидеть нарушения правила Return Path, задав им в диалоговом окне Preferences стиль DRC Violation Display Style на отображение информации о нарушении, а не оверлея нарушения ( показать изображение). Так будут подсвечиваться точные места нарушений правила, а не полностью объекты с нарушениями.

► Узнайте больше о Высокоскоростных проектах в Altium Designer.

Трассировка цепей с требуемым импедансом

При трассировке платы и изменении слоев, система автоматически подберет ширину трассы для обеспечения указанного импеданса. Интерактивная трассировка с контролируемым импедансом значительно упрощает задачу конструирования плат с контролируемым импедансом.

Подстройка длины трасс

Двумя ключевыми задачами проектирования высокоскоростных устройств являются контроль импеданса трасс и согласование длин критически важных цепей. Трассировка с контролируемым импедансом обеспечивает корректную передачу сигнала от выходного вывода к целевому входному вывода. Согласование длины трасс обеспечивает синхронизацию приема чувствительных ко времени сигналов их целевыми выводами. Подстройка и согласование длины трасс также является важным элементом трассировки дифференциальных пар.

Для согласования длины дифференциальных пар в трассировку были добавлены аккордеоны.

Команды Interactive Length Tuning и Interactive Diff Pair Length Tuning (доступны в меню Route) предоставляют динамические средства оптимизации и контроля длины цепей и дифференциальных пар, позволяя добавлять паттерны переменной амплитуды (аккордеоны) в соответствии с доступным пространством, правилами и препятствиями в конструкции.

► Узнайте больше о Подстройке длины

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.

• http://www.speedingedge.com/
• http://www.sigcon.com/
• http://www.bethesignal.com
• http://www.epanorama.net/links/basics.html#highspeed