Девять факторов, которые вызывают нарушение целостности сигнала на печатной плате

Искажение сигнала при его прохождении по плате происходит из-за таких факторов, как несоответствие импеданса, отражения, переходные колебания, перекрестные помехи, отскок (дребезг) «земли» (Ground Bounce) и джиттер. Проектировщику следует постараться минимизировать данные факторы, чтобы исходный сигнал достиг пункта назначения с искажениями, не превышающими порог возникновения ошибок. Также необходим особый контроль за качеством сигнала и управлением его нежелательными воздействиями на электронную схему.

Почему необходимо обеспечивать целостность сигнала на печатной плате

Главная причина в том, что при наличии проблем с целостностью сигнала функционирование печатной платы с большой долей вероятности не будет соответствовать заложенным в конструкторской документации требованиям. Самое неприятное, что возникновение ошибок может быть плавающим: иногда плата будет работать как положено, иногда — нет. К примеру, плата может заработать на этапе прототипирования, но начать выходить из строя при серийном производстве; может сохранять работоспособность в лабораторных условиях, но давать сбои в полевых; работать в старых производственных партиях, но не работать в новых партиях и т.д. Различия работоспособности платы в таких условиях и будут обусловлены тем, потерял сигнал целостность или нет.

Целостность сигнала считается потерянной, если:

• сигнал искажается, то есть его форма изменяется по сравнению с требуемой;
• нежелательный электрический шум накладывается на сигнал, ухудшая отношение сигнал/шум (S/N — signal-to-noise);
• сигнал сам создает нежелательный шум для других сигналов и схем на плате.

Целостность сигнала считается не нарушенной, если:

• все сигналы на печатной плате распространяются без искажений;
• компоненты и межсоединения платы невосприимчивы к посторонним электрическим шумам и электромагнитным помехам (ЭМП — EMI) от других электронных устройств поблизости: либо в соответствии с нормативными стандартами, либо превосходя их;
• плата не генерирует, не создает и не излучает ЭМП, влияющих на работу других электронных схем, кабелей или устройств, подключенных к этой плате или находящихся вблизи (также в соответствии с нормативными стандартами или превосходя их).

Девять факторов, приводящих к проблемам с целостностью сигнала на печатной плате. В современной высокотехнологичной печатной плате быстрое нарастание сигнала и высокие частоты становятся проблемами, вызывающими нарушение целостности сигнала, если проектирование такой платы выполнено неправильно (рис. 2). Далее в статье описаны факторы, которые способствуют ухудшению целостности сигнала на печатной плате. Для лучшего понимания они разделены на девять категорий.

Качество сигнала в цепи зависит от характеристик сигнального проводника и его пути возврата. Когда сигнал движется по линии и встречает изменения или неоднородности импеданса линии, он подвергается действию отражений, вызывающих звон и искажение сигнала. Более того, чем быстрее время нарастания сигнала, тем больше искажение сигнала, вызванное изменениями неконтролируемых импедансов линий. Минимизировать искажение сигнала из-за отражений можно путем сокращения или устранения изменений импедансов линий, для этого необходимо, чтобы:

1. Сигнальные линии и их пути возврата действовали как однородные линии передачи с равномерно контролируемыми импедансами.

2. Пути возврата сигнала в виде однородных плоскостей (слоев) были размещены вблизи сигнальных слоев.

3. Сигнальные линии с контролируемым импедансом имели согласованные импедансы источника/приемника, аналогичные характеристическому импедансу сигнальной линии, для чего следует использовать правильную технику оконцовки (терминации) проводников на печатной плате.

Ухудшение сигнала из-за других неоднородностей импеданса

Как уже упоминалось, если сигнал встречает неоднородность импеданса во время распространения, он будет испытывать воздействие отражений, которые вызывают его звон и искажение (рис. 3). 

Неоднородности импеданса линии возникают в точках, которые соответствуют одному или нескольким условиям:

• сигнал встречает переходное отверстие (Via) на своем пути;
• сигнал разветвляется на две или более линии;
• на пути возврата сигнала встречается неоднородность, например, разрыв слоя в месте подключения шлейфов (Stubs) к сигнальным линиям;
• шлейфы подключены к сигнальным линиям;
• сигнальная линия начинается на стороне источника;
• сигнальная линия завершается на стороне приемника;
• сигнальные пути и пути возврата подключены к выводам разъема.

При этом, чем быстрее время нарастания сигнала, тем больше его искажение, вызванное неоднородностями импеданса. Уменьшить искажение сигнала из-за неоднородностей импеданса линии можно различными способами:

1. Сведением к минимуму эффектов неоднородностей, вызванных переходными отверстиями и их шлейфами, за счет использования меньших микропереходов (Microvias) и HDI-технологий.
2. Уменьшением длин шлейфов проводников;
3. Трассировкой проводников по цепочечной топологии (daisy chain, шлейфом), а не с применением множественных ответвлений, что приводит к использованию сигнала в нескольких местах одновременно.
4. Правильным использованием согласующих (терминальных) резисторов на стороне источника и приемника.
5. Применением дифференциальной передачи сигналов и плотно размещенных дифференциальных пар, которые по своей природе более стойки к неоднородностям в плоскостях (слоях) возврата сигнала.
6. Обеспечением того, чтобы в разъемах, где возникают неоднородности, сигнальные линии были как можно короче, а пути возврата сигнала — как можно шире.

Ухудшение сигнала из-за задержки распространения

Передача сигналов по печатной плате от источника к приемнику сопровождается временной задержкой. Величина этой задержки прямо пропорциональна длине проводящих трасс и обратно пропорциональна скорости распространения сигнала на используемых слоях платы. Если суммарные задержки тактовых и информационных сигналов не согласованы, они поступают в приемное устройство в разные моменты времени, формируя перекос сигнала (Skew). Чрезмерный перекос приводит к нарушениям временных соотношений и вызывает ошибки дискретизации. С увеличением рабочих частот и скоростей передачи данных сокращается длительность временных интервалов детекции (растет частота дискретизации), что ведет к уменьшению допустимой величины перекоса. Это повышает чувствительность системы к временным несоответствиям из-за задержек и увеличивает вероятность возникновения ошибок. Перекос в группе сигнальных линий можно минимизировать путем согласования задержек сигналов, для чего необходимо согласовать длины проводников.

Деградация сигнала из-за его затухания

Сигналы подвергаются затуханию при распространении по линиям печатной платы. Это происходит из-за потерь, вызванных сопротивлением проводящих трасс — оно становится больше на высоких частотах из-за поверхностного эффекта (Skin effect), и коэффициентом диэлектрических потерь (Df) материала диэлектрика. Потери обоих типов увеличиваются с ростом частоты, поэтому высокочастотные компоненты сигнала будут подвержены большему затуханию, чем низкочастотные компоненты. Это вызывает сужение полосы пропускания сигнала, что, в свою очередь, приводит к искажению сигнала за счет увеличения времени нарастания. А чрезмерное увеличение времени нарастания сигнала становится причиной ошибок при обнаружении данных. Поэтому в ситуации, когда затухание сигнала является важным фактором, необходимо выбрать правильный тип высокоскоростного материала с низкими потерями и обеспечить соответствующий контроль геометрии проводников для минимизации потерь.

Ухудшение сигнала из-за перекрестных помех. Быстрая смена напряжения или тока на сигнальной линии или слое обратного пути (возврата) может воздействовать на смежные сигнальные линии, вызывая нежелательные сигналы, называемые перекрестными помехами (Crosstalk) и импульсными помехами, или коммутационными шумами (Switching noise), на смежных сигнальных линиях (рис. 4).