Планирование печатной платы: целостность сигнала и контроль импеданса. Часть 1

автор Джон Стейнар Джонсен (John (Josse) Steinar Johnsen), ELMATICA |

Знание и опыт – два ключевых элемента при планировании печатной платы. Сегодняшние проектировщики печатных плат должны иметь намного больше знаний и понимания производственных процессов печатных плат, чем это было в прошлом. Это особенно важно, когда они планируют и как они планируют структуру слоев, интервал отверстий, маршрутизацию и распределение питания.

Данная статья фокусируется на многослойных платах, так как это тот тип печатных плат, где мы действительно видим важность планирования в повседневной жизни печатных плат. На двусторонней плате вы, конечно, можете использовать один слой как панель заземления, но с критическими дорожками не так легко справиться.

Как проектировщик, вы знаете, что вам надо, когда это касается целостности сигнала, электромагнитной интерференции (EMI) и требований к импедансу. Задействованные факторы такие:

  • Количество слоев
  • Количество используемых панелей питания и заземления
  • Последовательность слоев
  • Расстояние между слоями

Продолжая, мы можем сказать, что:

  • Сигнальные слои, несущие критичные сигналы, должны всегда соседствовать с панелью
  • Панели питания и заземления должны быть настолько близки, насколько возможно, для наилучшей емкости
  •  Панели питания и заземления могут использовать другой материал с более высоким Dk для наилучшей возможной емкости
  • Высокоскоростные сигналы должны прокладываться на внутренних слоях, размещенных между панелями для наилучшего возможного экранирования

Множественные заземления снизят референтный импеданс панели и снизят общее излучение от высокоскоростных сигналов. Наименьшее число слоев, необходимое вам для достижения всего этого, это скорее всего 8-слойная плата (Рис.1). 

Однако, эти моменты могут быть очень проблематичными. Нельзя игнорировать максимальную толщину платы; многие панельные слои будут ограничивать количество сигнальных слоев. Может быть затруднительно получить желаемый импеданс сигнала, учитывая расстояние между слоями, толщину дорожек и промежутков между дорожками.

Целостность сигнала относится к ухудшению качества сигнала до точки, где происходит ошибка. Электромагнитная интерференция (EMI) фокусируется на соответствующих спецификациях, требованиям к тестированию и интерференцией между соседним оборудованием. Для целостности сигнала ключевым фактором является сохранение уровней шума значительно ниже уровней сигнала. Наши границы шума типичны для диапазона милливольт для цифровых схем, но для EMI, уровни эмиссии должны выдерживаться в диапазоне микровольт и микроампер.

Рис. 1: Пример 8-слойной структуры слоев.

Рис. 2: Возвратный путь, показанный желтым, прерывается при переходе с панели на панель.

Рис. 3: Обратный путь, показанный желтым, сокращает прерывание, если держится у одной панели.

Импеданс заземления – это корень практически всех проблем с целостностью сигнала и EMI. Низкий импеданс – это обязательно условие как для EMI, так и для целостности сигнала. Это достигается твердой панелью заземления. Фактически главной проблемой с импедансом заземления является прерывание цепи, которое происходит на сигнальной дорожке и оказывает главное влияние на характеристики контроля импеданса. Толщина меди – не столь важный фактор. При высоких бит скоростях скин-эффект доминирует, поэтому сигнал подается на медную поверхность, что значит, что дополнительная толщина меди не имеет значения.

Сегодня с увеличением количества HDI разработок, работающих в диапазоне ГГц частот, характеристики контроля импеданса становятся все более важными, но также и более проблематичными, так как расстояние между слоями сжимается. HDI и микроотверстия требуют меньшей дистанции между слоями, соответственно, все больше слоев вмещается в данную толщину печатной платы.

Самой большой проблемой в поддержании контроля импеданса является прерывания на сигнальной дорожке, включая обратный путь по панели заземления. В идеале должна быть медная панель сразу под критическими сигналами, а сигнал должен относиться к этой панели заземления без прерываний. Наихудшим сценарием может быть (Рис.2) такой, когда сигнал покидает панель заземления и продолжается (например, вдоль панели напряжения).

Менее проблематично, если сигнал идет через панель заземления и продолжается на другой стороне этой панели (Рис.3). Нет проблем с эталонным заземлением, если оно одинаково – просто убедитесь, что отверстия выполняются настолько маленькими, насколько это возможно.  Диаметр контакта вокруг отверстия (анти площадка) должен также быть минимальным.

Также могут быть обрезы панели, например больших анти площадок (Рис.4). В данном примере половина дифференциальной пары выходит за обрезанную панель. Результат – несбалансированный поток тока, задержки в распространении сигнала и увеличение индуктивности серии.

Рис. 4: Несбалансированный дифференциальные пары из-за слишком широких отверстий в панели заземления и/или сигнальных дорожках, близких к площадке.

Рис. 5: Повреждённый обратный путь из-за прорези в панели заземления. Возвратный путь будет идти вокруг прорези.

Прорези в панели (Рис.5) показывают прерывание в возвратном пути сигнала. Возвратный путь вынужден идти вокруг прорези в панели. Это увеличивает характеристику импеданса на прорези и отверстие может сработать как антенна. Это пример показывает разделенную панель, где другие сигналы проложены в отверстиях панели.

Источник: Журнал PCB Magazine Октябрь 2017

Назад