При проектировании печатной платы большое внимание уделяется целостности сигнала печатной платы, то есть качеству сигналов в системе и их эффективности. Плохая целостность сигнала может привести к ошибке данных, электромагнитным помехам и даже сбою системы. Однако, поскольку устройства становятся быстрее и компактнее, проблема целостности сигнала сталкивается с наибольшей сложностью при оптимизации. В этой статье мы рассмотрим ключевые факторы, которые влияют на целостность сигнала печатной платы, и дадим советы о том, как ее улучшить в процессе проектирования. Ну, для начала нам нужно знать, что означает целостность сигнала в проектировании печатной платы в реальном смысле.
Что такое целостность сигнала на печатной плате?
Целостность сигнала в печатных платах — это качество электрических сигналов, передаваемых и принимаемых через эту плату PCB. Она включает в себя способность сигнала сохранять различные электрические характеристики, такие как напряжение, время и форму волны от источника до места назначения. Целостность сигнала очень важна, поскольку она гарантирует правильную передачу данных и правильное функционирование схем. Это важно в высокоскоростных конструкциях и больших сигнальных путях, сетях или системах, где каждое небольшое ухудшение качества сигнала будет существенно влиять на производительность системы.
Ключевые факторы, влияющие на целостность сигнала печатной платы
- Сопротивление трассы
Импеданс должен быть постоянным по всей длине трассы, поскольку сигнал может отражаться и ослабевать при изменении импеданса. Другие параметры, такие как ширина трассы и интервал, должны контролироваться одинаково, чтобы избежать искажения сигнала.
- Перекрестные помехи
Перекрестные помехи — это форма электромагнитных помех, при которой сигналы в соседних или близлежащих дорожках накладываются друг на друга, что может привести к повреждению данных. Степень перекрестных помех зависит от таких факторов, как длина дорожек, идущих параллельно, их близость друг к другу и общая компоновка печатной платы.
- Отражение сигнала
Отражение происходит, когда импеданс трассы и нагрузки или источника отличается, что искажает сигнал. Такие расхождения обычно наблюдаются из-за разного ширина следа, диэлектрической проницаемости или резких изменений в пути сигнала.
- Электромагнитные помехи (EMI)
Навязчивый шум также вызывается электромагнитными помехами от внешних источников в сигналах печатной платы. Внешние электромагнитные поля могут быть связаны с дорожками печатной платы, особенно в областях больших площадей контуров или плохого экранирования.
- Энергетическая целостность
Стабильный источник питания имеет важное значение, когда речь идет о качестве сигнала, поскольку генерируемые сигналы и поля могут быть нарушены, если питание меняется. Аномалии в подаче электрического сигнала могут вызывать шум или искажать желаемые сигналы на высокоскоростных линиях передачи данных.
- Материал печатной платы
Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь Материалы для печатных плат оказывают влияние на скорость сигнала и уровень затухания. Однако флуктуация свойств материала создает проблему, особенно в высокочастотных приложениях.
- Длина трассы и маршрутизация
Когда трассы для дифференциальных пар и других высокоскоростных сигналов имеют одинаковую длину, они приходят на приемник одновременно и, следовательно, минимизируют перекос. Различная длина трасс и острые углы, вероятно, приведут к трудностям с отражением и ухудшению сигнала.
Советы по проектированию для улучшения целостности сигнала печатной платы
Хотя невозможно гарантировать, что сигнал полностью свободен от искажений, некоторые советы по проектированию печатных плат могут помочь свести к минимуму любые потенциальные искажения сигнала и повысить целостность сигнала на печатной плате:
Правильное наложение слоев
Слои сигнала должны располагаться в непосредственной близости от заземляющих плоскостей, поскольку это помогает управлять импедансом, а также предотвращать перекрестные помехи. В общем, высокоскоростные сигналы должны располагаться на внутренних слоях между заземляющими плоскостями, чтобы обеспечить изоляцию от мешающих сигналов.
Дополнительная литература: Руководство по проектированию стека печатных плат
Методы трассировки трассировки
Длина трассы не должна быть слишком большой, так как это приведет к отражениям сигнала. Также следует избегать использования резких изгибов. Лучше использовать относительно плавные изгибы или, что еще лучше, повороты на 45 градусов вместо резких поворотов на 90 градусов, так как плавные изгибы менее разрушительны для сигнала. Кроме того, дифференциальные пары следует прокладывать вместе с постоянным интервалом для поддержания импеданса и снижения шума.
Заземление и развязка
Твердая заземляющая плоскость необходима для снижения электромагнитных помех (ЭМП) и обеспечения стабильного опорного уровня сигналов. Умелая развязка с конденсаторами, расположенными близко к контактам питания, позволяет «блокировать» шумы в линии электропитания и улучшить качество передачи сигнала. Заземляющее соединение должно иметь низкое сопротивление и обеспечивать адекватные обратные пути для высокоскоростных сигналов.
Контролируемый импеданс
обеспечение контролируемый импеданс для критических сигнальных трасс помогает поддерживать качество сигнала. Это включает в себя расчет и поддержание постоянной ширины трассы, интервала и толщины диэлектрика в соответствии с требуемым импедансом. Рекомендуется использовать инструменты моделирования, используемые для проверки импеданса, с целью обнаружения потенциальных проблем с импедансом до изготовления.
Минимизируйте перекрестные помехи
Чтобы минимизировать перекрестные помехи, необходимо разместить достаточное расстояние между сигнальными трассами, особенно там, где задействованы высокоскоростные сигналы. Используйте заземляющие или силовые плоскости для разделения сигнальных слоев и рассмотрите возможность использования защитных трасс (заземленных трасс) между высокоскоростными линиями для их дальнейшей изоляции.
Использование отверстий
Предлагается минимизировать использование переходных отверстий в высокоскоростных сигнальных путях, поскольку они способствуют индуктивности и вызывают отражения. Если требуются переходные отверстия, то используйте обратное бурение для устранения неработающих сегментов переходного отверстия с целью снижения влияния импеданса.
Как проверить целостность сигнала печатной платы?
Способ проверки целостности сигнала на печатной плате заключается в использовании различных инструментов и методов, которые измеряют состояние сигналов, чтобы убедиться, что они так же хороши, как и изначально в схеме. TDR способен идентифицировать отражения, в основном из-за разрывов импеданса, тогда как VNA служит для определения параметров передачи сигнала и импеданса. Целостность сигнала также можно оценить с помощью измерений осциллографа, поскольку глазковые диаграммы объясняют качество сигналов на основе перекрытия нескольких циклов сигнала. Более того, некоторые из популярных инструментов, используемых на этапе front-end, а также на этапе back-end, включают инструменты моделирования, такие как SPICE и HyperLynx, которые позволяют проводить проверку до и после макетирования, что позволяет предсказывать возможные проблемы с целостностью сигнала до физического тестирования. Эти инструменты, действующие рука об руку, помогают инженерам определять неисправности на печатной плате и вносить изменения, чтобы гарантировать надежность плат.
