Это старая версия документа!
Проектирование печатных плат для высокоскоростных интерфейсов
Вячеслав Гавриков
Проектирование печатных плат для высокоскоростных интерфейсов. Часть 1
Современные электронные устройства редко обходятся без высокоскоростных цифровых интерфейсов, таких, например, как PCI Express, SATA, HDMI, USB 3.0, Ethernet и LVDS. Это приводит к ужесточению требований по трассировке печатных плат, к необходимости согласования импедансов и длин проводников. Невыполнение этих требований зачастую создает проблемы с электромагнитной совместимостью и целостностью сигналов. В данной статье рассматриваются общие вопросы, позволяющие избежать основных ошибок при проектировании печатных плат с высокоскоростными интерфейсами.
Импеданс проводников
Важно понимать, что импеданс одиночного проводника и импеданс дифференциальной линии - это далеко не одно и то же. Простые высокоскоростные сигнальные линии, такие, например, как в RGB-интерфейсе или в интерфейсе камеры, должны иметь согласованный импеданс. Этот импеданс рассчитывается между проводником и слоем земли (ZSingleEnded).
Линии высокоскоростных дифференциальных интерфейсов, например, PCIe, SATA, USB, HDMI и прочие должны иметь согласованное значение дифференциального импеданса (Zdifferential). Это импеданс между двумя сигнальными проводниками дифференциальной пары. Кроме того, каждый из проводников дифференциальной пары характеризуется собственным импедансом относительно слоя заземления. При выборе геометрии дорожек дифференциальный импеданс имеет более высокое значение, чем индивидуальный импеданс каждой из линий. Дифференциальный импеданс всегда оказывается как минимум в два раза меньше (формула 1):
Проектирование печатных плат для высокоскоростных интерфейсов. Часть 2
Трассировка изгибов печатных дорожек
При трассировке высокоскоростных сигналов количество изгибов печатных дорожек должно быть сведено к минимуму. При необходимости следует выполнять изгибы под углом 135°, а не 90° (рис. 1).
При работе с высокоскоростными интерфейсами часто требуется выравнивание длин проводников. Для этой цели применяют трассировку в виде меандра (рис. 2). Необходимо, чтобы расстояние между проводниками меандра было как минимум в 4 раза больше ширины дорожки, а длина перпендикулярных частей меандра должна быть в 1,5 раза больше ширины дорожки. Во многих САПР эти условия не контролируются автоматическими инструментами проверки платы (DRC), так как трассы являются частью одной и той же сети.
Трассировка высокоскоростных линий
Нельзя располагать проводники высокоскоростных линий вплотную друг к другу, так как это неизбежно приводит к возникновению перекрестных помех (речь идет об отдельных проводниках, а не о дифференциальных парах!). Уровень перекрестных помех зависит от расстояния между трассами и длины участка, на котором они проходят в непосредственной близости друг от друга. Иногда на плате встречаются узкие места, которые вынуждают разработчиков размещать дорожки слишком близко. Необходимо сократить количество и минимизировать протяженность таких участков, а за их пределами - увеличить расстояние между проводниками (рис. 3). Если свободное пространство позволит, то следует разнести проводники высокоскоростных линий (а также проводники высокоскоростных и низкоскоростных линий) как можно дальше.
Проектирование печатных плат для высокоскоростных интерфейсов. Часть 3
Требования к трассировке высокоскоростных интерфейсов
Каждый интерфейс предъявляет конкретные требования к трассировке сигналов на печатной плате. В данной статье представлен обзор наиболее популярных высокоскоростных интерфейсов, которые можно найти в современных электронных устройствах. Предложенная информация является ориентировочной, для уточнения конкретных деталей следует обращаться к соответствующим стандартам.
Различают два основных параметра согласования длин дифференциальных пар. Первый параметр касается согласования длин проводников внутри одной дифференциальной пары. Он определяет максимальную разницу между длиной проводников прямого и инвертированного сигнала. Как было показано в предыдущей части статьи «Проектирование печатных плат для высокоскоростных интерфейсов. Часть 2», необходимо согласовывать не только полную длину линий дифференциальной пары, но и длины отдельных сегментов. Крайне важно, чтобы распространение прямого и инвертированного сигналов происходило максимально синхронно. Только в этом случае происходит компенсация создаваемых ими электромагнитных полей и минимизация генерируемого шума.
Второй параметр касается согласования длин разных дифференциальных пар и определяет максимальное различие между длинами линии тактирования и линий данных либо между длинами других дифференциальных линий этого же интерфейса. Некоторые интерфейсы, например, PCIe, SATA и USB3.0, восстанавливают сигнал тактирования из сигналов данных. Следовательно, для них условие согласования длин проводников оказывается не столь жестким (например, 240 мм). В таких случаях не стоит слишком усердствовать при выравнивании длин дорожек, применение разводки в виде меандра может только добавить проблем. С другой стороны, есть интерфейсы, которые не имеют встроенной синхронизации (например, LVDS для ЖК-дисплеев). Трассировать такие интерфейсы нужно очень осторожно. При этом согласование длин проводников следует соблюдать достаточно жестко (например, 0,5 мм).
Как было показано в предыдущей части статьи, переходные отверстия создают разрыв импеданса и могут выступать в качестве неподключенных отводов. Поэтому при трассировке количество переходов должно быть минимальным. Конечно, в некоторых случаях без переходных отверстий обойтись не удается. По этой причине некоторые интерфейсы имеют ограничение по максимальному количеству переходов. В следующих разделах указывается ориентировочное количество переходных отверстий.