Как говорится, за все нужно платить. Нам всем нравится огромная вычислительная мощность, которую смартфоны вкладывают в наши руки, но цена этой функциональности — огромное увеличение сложности устройства. Высокие частоты, более высокая скорость переключения устройств и повышенное количество шума и помех усложнили компоновку печатных плат, поскольку инженеры борются с проблемами целостности сигнала в своих конструкциях.

Мы больше не можем рассматривать трассировку печатной платы как простое двухточечное соединение. Очень важно, чтобы проектировщики понимали критические требования к соединительным линиям в своих проектах и соответственно компоновали схемы соблюдая правила. Эти трассы должны рассматриваться как линии передачи, настраиваться и маршрутизироваться для оптимального контроля импеданса, чтобы гарантировать высочайшее качество сигнала и полную целостность данных. Поэтому рассмотрим подробнее методы контроля импеданса линий печатной платы.

 

Необходимость контроля импеданса печатной платы

 Комбинация емкости и индуктивности, создающая противодействие току, называется импедансом. Все провода и дорожки в конструкции печатной платы будут генерировать некоторое сопротивление, которое измеряется в омах. Из-за различий в проводимости, распределенной по печатной плате, значение импеданса может измениться или считаться «неконтролируемым». И хотя неконтролируемый импеданс не может быть являться проблемой для многих схем на печатной плате, однако он может сильно повлиять на высокочастотные сигналы.

На более высоких частотах сигналы больше похожи на высокоскоростные линии передачи, чем на обычные двухточечные соединения. Сохранность информации этих сигналов зависит от их четкой передачи и приема между источником и нагрузкой. Однако при изменении значений импеданса по всей трассе сигнал может отражаться и распространяться в направлении, противоположном исходному сигналу. Это отражение накладывается на исходный сигнал, вызывая искажение, которое приводит к изменению формы сигнала между передатчиком и приемником. Это искажение ухудшит целостность сигнала, возможно, до такой степени, что он не сможет выполнить свою предполагаемую функцию.

Чтобы предотвратить подобные проблемы с целостностью сигнала, цепи высокочастотной линии передачи должны проходить по трассам, при этом значения импеданса контролируются равномерно по всей линии. Это достигается за счет управления геометрией проводящей дорожки и средой, через которую проходит дорожка. Дорожка контролируется путем определения ее ширины трассировки и толщины меди, в то время как окружающая среда контролируется путем тщательного выбора диэлектрического материала, содержащего дорожку, для правильного значения Dk (диэлектрическая постоянная). Также важно сконфигурировать стек слоев платы с выделенными слоями трассировки линий с контролируемым сопротивлением, которые находятся рядом или между двумя плоскостями заземления. Это обычно называют микрополосковой или полосковой линией. Наконец, определенный импеданс будет влиять на диэлектрическое расстояние между дорожками и полигонами заземления, а также расстояние до других дорожек.

Далее мы более подробно рассмотрим стек слоев платы для трассировки линий с определенным импедансом печатной платы.

Разводка дифференциальной пары на печатной плате

 

Настройка стека слоев печатной платы для трассировки с контролем импеданса

 Как мы видели, управление импедансом для трассировки чувствительных трасс зависит от следующих факторов:

  • Геометрия дорожки: необходимо тщательно выбирать величину поперечного сечения меди в дорожке, поскольку при расчетах импеданса необходимо учитывать как ширину дорожки, так и ее толщину (вес меди).
  • Диэлектрический материал: диэлектрическая постоянная (Dk) определяет свойства непроводящего материала печатной платы, используемого для размещения и изоляции трассы от земляных полигонов.
  • Интервал: заключительной частью расчета является интервал по вертикали между дорожкой сигнала и прилегающими плоскостями заземления, а также интервал до дорожек других сигналов.

Чтобы добиться необходимого импеданса линии передачи, материалы диэлектрической платы должны соответствовать геометрии дорожек. Это может потребовать определенных типов материалов для изготовления печатной платы и корректировки геометрии дорожек и значений интервалов. Значение Dk диэлектрического материала будет изменяться в зависимости от частоты, поэтому расчет импеданса для каждой платы будет отличаться в зависимости от частоты схемы. Дизайнеры могут использовать онлайн-калькуляторы для определения наложения слоев платы, а большинство систем проектирования печатных плат включают в себя свои собственные калькуляторы импеданса. Кроме того, с этими расчетами часто может помочь производитель печатной платы.

Производители печатных плат полностью владеют информацией о взаимосвязи между материалами платы и потребностями в схемах благодаря своему опыту создания множества высокоскоростных конструкций. Они могут помочь с настройкой стека слоев вашей платы, если у них есть следующие данные от вас:

  • Необходимый импеданс для несимметричной и дифференциальной парной разводки импеданса на вашей плате.
  • Требуемые слои платы для разводки контролируемого импеданса.
  • Выбранные материалы платы.

Обладая этой информацией, производитель печатной платы может рекомендовать конфигурации наложения слоев платы, которые будут наиболее эффективными для вашей конструкции. Многие производители также могут обмениваться данными стека слоев печатной платы напрямую с вашей системой CAD системой, чтобы снизить вероятность ошибки и оптимизировать время проектирования.

Давайте посмотрим, как вы можете настроить свою систему проектирования печатных плат для наиболее эффективной трассировки линий передачи с контролируемым импедансом печатной платы.

Менеджер ограничений от Cadence Allegro используется для настройки правил проектирования для дифференциальных пар.

 

Использование функций в CAD системах проектирования печатных плат

 Выбор материала, ширина слоев и последовательность слоев в стеке печатной платы важны для управления импедансом. Однако, в дополнение к набору, необходимо настроить другие параметры проекта, чтобы обеспечить трассировку с заданным импедансом. Некоторые из этих параметров напрямую связаны, например, ширина дорожек и зазор, в то время как другие упростят вашу работу с трассировкой платы.

Схема

 Прежде чем приступить к трассировке, убедитесь, что схема полностью подготовлена. Очевидно, что схема будет по-прежнему изменяться для усовершенствований и изменений конструкции, но она должна быть готова к синхронизации с базой данных топологии печатной платы. Это включает обеспечение корректного посадочного места и подключения компонента, сигналы контролируемого импеданса классифицированы как дифференциальные пары или несимметричные цепи, а некоторые из основных правил и классов введены в базу данных.

Параметры дизайна

 Многие дизайнеры оставляют параметры по умолчанию, но изменение их в соответствии с вашими личными предпочтениями может облегчить вашу работу проектировании печатной платы. Выбранные цвета сетки, узоры заливки и блики — это лишь некоторые из изменений, которые могут повысить вашу эффективность с помощью средств CAD системы. Другие включают единицы измерения, сетки, отображение текста и даже то, как настраиваются панели инструментов и команды.

Ограничения проектирования

 Инструменты САПР для печатных плат должны иметь исчерпывающую систему правил проектирования и ограничений, которая позволит вам устанавливать правила для трассировки контролируемого импеданса. Например, в редакторе плат Cadence Allegro вы можете настроить классы цепей и правила для различных требований к сигналам в конструкции печатной платы. Одна из них, как показано на рисунке выше, настройка параметров дифференциальных пар. Allegro позволяет задать все соответствующие правила маршрутизации, включая ширину трасс и интервалы, чтобы удовлетворить их электрические требования.

Команды маршрутизации

 В системах компоновки печатных плат доступно множество функций трассировки. Вы можете трассировать дорожки заданной длины, добавлять кривые, сдвигать их или направлять по определенным шаблонам или топологиям. Для трассировки с контролируемым импедансом вам потребуется возможность трассировки трасс с определенной шириной, интервалом и на определенных слоях. Функции трассировки в CAD системе компоновки могут легко приспособиться к этому в сочетании с уже установленными правилами проектирования и ограничениями. Ваши инструменты компоновки также будут иметь функцию маршрутизации для автоматической маршрутизации дифференциальных пар. Эти возможности сэкономят вам время и избавят вас от трудностей, связанных с попыткой прокладывать их вручную, сохраняя при этом требуемое расстояние друг от друга.

Пример трассировки дифференциальной пары.

 

Полезные дополнительные функции в инструментах проектирования печатных плат

 Чтобы помочь разработчикам решить проблемы целостности сигналов при разработке дизайна печатных плат, Cadence предоставила еще один полезный инструмент в своем арсенале инженерного программного обеспечения. Рабочий процесс анализа импеданса, позволяет разработчикам анализировать критические цепи, чтобы найти потенциальные проблемы SI. После исправления второй прогон анализа покажет, как изменения улучшили целостность сигнала платы. Подробнее ознакомиться с данной функцией можно на сайте компании в обучающем видео.

Мы также упоминали ранее о важности связи с производителем печатной платы для обмена важной информацией о наборе слоев платы. Cadence также помогла в этой области, благодаря функциям, которые импортируют и экспортируют информацию о наборе слоев платы в формате IPC-2581. Если изготовитель имеет возможность работать с данными этого формата, то взаимодействие сильно упрощается. Вместо того, чтобы полагаться на устное или письменное общение, вы можете получить готовые к проектированию данные стека слоев вашей платы, параметры проводящих и диэлектрических материалов, покрытий и других важных физических характеристик печатной платы.

 

Источник: www.cadence.com