Сигнальный проводник (англ. signal conductor, signal trace) — это отдельный печатный проводник (printed conductor) на печатной плате, основная функция которого заключается в передаче информационного электрического сигнала (сигнальный ток, signal current) между компонентами схемы, в отличие от проводников, предназначенных для распределения питания (power rails) или соединения с общим проводом (ground). Параметры сигнального проводника — его геометрия, расположение относительно соседних проводников и опорных плоскостей — напрямую влияют на целостность передаваемого сигнала (signal integrity), особенно на высоких частотах и при быстрых фронтах.
Конструкция и параметры проектирования
Ширина сигнального проводника (trace width, W) обычно меньше, чем у шин питания, и определяется несколькими факторами. Во-первых, требуемым волновым сопротивлением (characteristic impedance, Z₀), которое для стандартных 50-омных или 100-омных (дифференциальная пара) линий рассчитывается по формулам, учитывающим толщину проводника (T), расстояние до плоскости земли (H) и диэлектрическую проницаемость материала (εᵣ). Во-вторых, допустимой плотностью тока (current-carrying capacity), которая для медного проводника толщиной 35 мкм (1 oz) составляет примерно 1 А на 1 мм ширины при умеренном нагреве. Для управления перекрёстными помехами (crosstalk) при проектировании задают минимальный зазор (clearance) между параллельными сигнальными проводниками, часто по правилу «3W» (расстояние не менее трёх ширин проводника).
Типы и применение в высокоскоростных интерфейсах
Сигнальные проводники могут быть одиночными (single-ended) или объединёнными в сбалансированные дифференциальные пары (differential pair), где два проводника передают инверсные сигналы. Дифференциальные пары используются в высокоскоростных интерфейсах, таких как USB, HDMI, PCI Express и DDR, благодаря их высокой помехоустойчивости. При их трассировке строго контролируется согласованность длины (length matching) и расстояние между проводниками пары (differential spacing). Правила проектирования для таких проводников определяются как общими стандартами (IPC-2221), так и рекомендациями производителей чипов (design guides от Intel, Xilinx).
Влияние на производство и контроль качества
На производстве точное соблюдение заданной ширины и геометрии сигнальных проводников является обязяательным, так как отклонения ведут к изменению волнового сопротивления и деградации сигнала. Контроль осуществляется как на этапе фотошаблонов, так и после травления с помощью автоматических оптических измерительных систем. Для критичных высокоскоростных трасс на готовых платах могут проводиться измерения импеданса методом TDR (Time Domain Reflectometry).
Источники: IPC-2221 «Generic Standard on Printed Board Design», IPC-2141 «Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards», руководства по проектированию от производителей микросхем (Intel, Xilinx), справочники по целостности сигналов.