Практический опыт обеспечения целостности сигнала при проектировании высокоскоростных печатных плат. 

С ростом тактовой частоты процессоров с сотен мегабит до гигагерц, проектирование печатных плат перестало быть простым делом «подключения проводов и на этом всё». Передача сигнала на плате всё больше напоминает передачу сигнала в радиочастотных цепях: несоответствие импедансов приводит к отражениям, недостаточное расстояние между дорожками вызывает перекрестные помехи, а шум в плоскости питания может ухудшать качество сигнала. В этой статье будут рассмотрены ключевые аспекты контроля целостности сигнала в высокоскоростном проектировании печатных плат, основанные на практическом опыте проектов.

Три главных врага целостности сигнала

1. Размышление

Когда сигнал сталкивается с изменением импеданса на линии передачи (например, через переходное отверстие, ответвление или разъем), происходит отражение. Это отражение, наложенное на исходный сигнал, приводит к:

Время нарастания сигнала слишком велико, что приводит к недостаточному времени установки.

Появление «ступеней» или «канав» приводит к ложным срабатываниям.

В тяжелых случаях это может вызывать звон в ушах, приводящий к логическим ошибкам.

Меры контроля:

Конструкция обеспечивает сквозную стабильность импеданса (импеданс сигнальной линии контролируется в пределах 50 Ом/100 Ом ±10%).

Используйте оконечные резисторы соответствующим образом (выберите последовательное, параллельное или оконечное соединение переменного тока в зависимости от топологии).

Сократите количество переходных отверстий и избегайте использования коротких зазоров (глухих скрытых переходных отверстий или сверления обратной стороны отверстия).

2. Перекрестные помехи

Электромагнитная связь между двумя параллельными дорожками может вызывать перекрестные помехи. Чем выше частота, чем длиннее дорожка и чем меньше расстояние между ними, тем сильнее перекрестные помехи.

Меры контроля:

Для высокоскоростных сигналов расстояние между ними должно составлять не менее 3 ширин линии.

Чувствительные сигналы распространяются по полосковым линиям (окруженным с обеих сторон опорными плоскостями), а не по микрополосковым линиям.

Направления трассировки смежных слоев ортогональны, чтобы избежать параллельной трассировки на большие расстояния.

Для защиты (контрольной трассы) добавьте заземляющие провода с обеих сторон критически важного сигнала.

3. Шум питания

Кратковременные изменения тока в высокоскоростных устройствах могут создавать шум в плоскости питания, влияя на качество сигнала и стабильность работы устройства.

Меры контроля:

В силовой плоскости используется один слой меди, чтобы избежать сегментации на больших площадях.

Развязывающие конденсаторы (комбинация 0,1 мкФ + 10 мкФ) размещаются рядом с выводами питания ключевых компонентов.

Оптимизация компоновки конденсаторов с использованием моделирования целостности питания (PI).

Аналоговые и цифровые источники питания разделены и объединены в одной точке.

Вопросы проектирования сигналов DDR

Память DDR — одна из областей с наибольшей концентрацией проблем целостности сигнала в высокоскоростном проектировании печатных плат. По мере увеличения скорости DDR4/DDR5 требования к синхронизации и качеству сигнала становятся еще более жесткими.

Основные принципы проектирования:

Контроль длины : отклонение длины внутри одной группы сигналов DDR (DQ/DQS/DM) контролируется в пределах ±5 мил, а отклонение между различными группами — в пределах ±50 мил (эталонная длина DDR4).

Непрерывность опорной плоскости : дорожки DDR должны иметь сплошную опорную плоскость по всей своей длине; пересечение областей с разрывами приведет к резким изменениям импеданса.

Стратегия оконечного резистора : в DDR4 используется ODT (On-Die Termination), и плате нужно сосредоточиться только на расположении последовательно соединенных согласующих резисторов.

Конструкция с разводкой выводов : для микросхем DDR в корпусе BGA требуется тщательное планирование разводки выводов, чтобы избежать влияния переходных отверстий на качество сигнала.

Проектирование высокоскоростных дифференциальных сигналов

Высокоскоростные интерфейсы, такие как PCIe, USB 3.0, Gigabit Ethernet и SATA, используют дифференциальную передачу сигналов. Преимуществом дифференциальных сигналов является их высокая устойчивость к синфазным помехам, однако они предъявляют чрезвычайно высокие требования к стабильности конструкции печатной платы.

Вопросы проектирования:

Управление импедансом дифференциальной пары (85 Ом для PCIe, 90 Ом для USB, 100 Ом для Ethernet).

Разностные пары имеют одинаковую длину (отклонение ≤ 5 мил).

Избегайте размещения переходных отверстий посередине дифференциальных пар (при необходимости используйте параллельное переходное отверстие для обратной земли).

При выборе разъемов обращайте внимание на согласование дифференциального импеданса и характеристики возвратных потерь.

Избегайте размещения односторонних переходных отверстий или дорожек между дифференциальными парами.

Важность многоуровневого дизайна

Построение многослойной структуры является основой проектирования высокоскоростных печатных плат. Если многослойная структура спроектирована неправильно, никакие строгие правила трассировки не смогут исправить ситуацию.

Принципы проектирования:

Слой высокоскоростных сигналов примыкает к слою опорной плоскости (заземление или питание).

Во избежание изменений в плоскости отсчета во время высокоскоростного переключения сигнального уровня

Силовая плоскость и заземляющая плоскость располагаются парами, образуя хороший эффект развязывающего конденсатора.

Толщина промежуточного диэлектрика влияет на импеданс микрополосковой линии, поэтому необходимо уточнить технологические возможности у производителя печатных плат.

Услуги по проектированию печатных плат Циюнь Чжисюнь

ООО Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии предоставляет полный спектр услуг по проектированию печатных плат, от разработки схем до компоновки, обладая особым опытом в проектировании высокоскоростных сигнальных плат, плат с высокой плотностью межсоединений (HDI) и многослойных плат. Наша команда разработчиков имеет опыт проектирования высокоскоростных плат с более чем 8 слоями и выпустила более 200 печатных плат промышленного/военного класса.

Если вам требуется полный аутсорсинг проектирования печатных плат или вы столкнулись с техническими проблемами, связанными с целостностью сигнала, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы обсудить решения.