Узгодження ліній передачі даних на друкованій платі, ТОВ ПСБ технології
У цьому розділі ми обговоримо, які варіанти узгодження високочастотних сигналів на друкованій платі. Як показано в розділі Хвильовий опір провідника та передача сигналу, узгодження сигналів вкрай необхідне практично в будь-якій сучасній цифровій схемі. І вирішення цієї проблеми покладається не лише на розробника схеми, а й на конструктора друкованої плати. Саме від нього залежить, наскільки грамотно буде вирішено всі питання узгодження ліній передачі.
Якою має бути структура друкованої плати? В яких шарах розводити критичні сигнали, а в яких розмістити плани землі та живлення? Де має стояти узгоджуючий резистор? Як він має бути підключений до виведення мікросхеми та до опорного плану? Завдання інженера-конструктора - перед початком проектування плати отримати повний опис вимог до схем узгодження сигналів та якісно реалізувати ці вимоги під час проектування друкованої плати. Питання, підняті в цій статті, добре знайомі розробникам-схемотехнікам, але часто стають каменем спотикання при взаємодії з конструктором ПП і призводять до складнощів при необхідності виразно викласти подібні вимоги в технічному завданні на розробку друкованої плати. Сподіваємось, що наша публікація допоможе зняти ці бар'єри.
Види узгодження ліній передачі «Класичні» ВЧ-лінії передачі даних (рис. 1) узгоджуються і на стороні джерела, і на стороні приймача сигналу (навантаження) за допомогою резисторів, що «термінують», величиною Z0 (рівних за величиною характеристичного опору лінії) . Як правило, джерело та/або приймач має відповідний власний вихідний/вхідний опір. Хоча ця технологія є ідеальною і у багатьох випадкахєдино допустимою, вона вдвічі зменшує величину сигналу, що приймається. Тому більшість аналогових і цифрових схемних рішень використовує інший варіант - низькоомне джерело і високоомний приймач сигналу, з узгодженням лінії тільки одному кінці, що дозволяє зберегти вихідний рівень сигналу на приймальному кінці.
Послідовне узгодження Якщо сигнал поширюється тільки по друкованій платі, може бути задіяна схема послідовного узгодження на передавальному кінці лінії, з вибором такого резистора, що узгоджує, що в послідовному з'єднанні з опором виходу вийде значення, рівне Z0 лінії. Перевага цього методу - у малій споживаної потужності, і він найбільше підходить для ліній з одним навантаженням на віддаленому кінці. Якщо по довжині лінії є додаткові навантаження, на них може спостерігатися «хибне перемикання через відбиту хвилю» і може знадобитися штучне уповільнення швидкодії входів для запобігання помилковому спрацюванню.
Паралельне узгодження Паралельне узгодження (або «шунт») надальньому кінці лінії використовується у випадку, якщо є ряд пристроїв, підключених протягом усього лінії передачі, при цьому вони повинні бути дуже швидкими, що може призводити до «випадкового перемикання». Узгоджуючий резистор на рис. 1 показаний підключеним до плану землі, але для деяких сімейств мікросхем логіки це може бути інший опорний план живлення (наприклад, позитивне харчування для сімейства ECL). Паралельне узгодження веде до більшого споживання, і навіть може надмірно навантажувати виходи мікросхем. Альтернативні види паралельного узгодження - схема Тевеніна та схема RC. Схема Тевеніна використовує резистори, паралельний опір яких дає Z0, а їх значення такі, що постійна напруга в середній точці приблизно дорівнює середньому напрузі в лінії, щоб знизити споживання. Схема Тевеніна вимагає коректного виконання розв'язки планів живлення у всій частотній області, що використовується, тому поблизу лінії слід розташовувати відповідні розв'язувальні конденсатори. Схема RC використовує, як правило, конденсатор, що термінує, величиною від 10 до 620 pF і виконує узгодження тільки для високих частот. Внаслідок складнощів із застосуванням конденсаторів у широкому частотному діапазоні, схеми RC менш ефективні, ніж паралельне узгодження та узгодження за схемою Тевеніна. Схема «активного узгодження» використовує джерело живлення підтримки рівня напруги на «додатковому» опорному плані необхідному рівні, що з середнім значенням цифрових сигналів. Паралельний резистор, що термінує, підключається до цього плану, який повинен бути коректно розв'язаний для заданого частотного діапазону. Електрично еквівалентна схема Тевеніна може зменшити споживання при використанні джерела опорногонапруги, що працює у класі AB (здатного як віддавати, так і споживати струм).
Двонаправлена лінія Якщо лінія передачі двоспрямована, оптимальним місцем розташування термінуючого резистора (послідовного або паралельного) є середина лінії. Тому такі лінії мають бути по можливості виконані як найкоротші, вони не можуть працювати на максимальній швидкості, на якій здатні працювати самі мікросхеми. Замість послідовного узгодження всередині лінії застосовуються послідовні узгоджувальні резистори на виході кожного з можливих передавачів, але це може не дати хороших результатів з точки зору цілісності сигналів, якщо ці лінії не дуже короткі. Паралельне узгодження на обох кінцях може дати дуже хороший ефект і забезпечує більш високі швидкості передачі, проте передавачі повинні бути здатні працювати на навантаження з меншим опором, до того ж, зростає споживання схеми в цілому. Паралельне узгодження (або схема Тевеніна, або схема активного узгодження) на обох кінцях використовується у послідовних чи паралельних шинах даних, таких як SCSI та Ethernet.
Конфігурація «зірка» Якщо кілька послідовно-узгоджених ліній передачі з'єднані в одну точку «зіркою», то: – або використовують один термінуючий резистор, вибраний так, щоб загальний опір джерела дорівнював паралельній комбінації всіх ліній, з'єднаних зіркою ; – або використовують узгоджуючий резистор у кожній лінії. Друге рішення краще. Зоряна конфігурація може бути використана і для з'єднання декількох паралельно-узгоджених ліній. У будь-якому випадку джерело має бути в змозі працювати на паралельну комбінацію опорів усіх підключених ліній. ЗагаломУ разі краще вибирати більше значення Z0 для зменшення сигнальних струмів і зниження випромінювання від провідників. Багато звичайних мікросхем сімейств CMOS або TTL не були спочатку призначені для роботи на лінію передачі і не мають ні достатньої вихідної потужності, ні вихідного опору, ідентичного для високого і низького рівня вихідного сигналу. Такі мікросхеми в принципі іноді можна використовувати, включаючи за схемою послідовного узгодження, а також за схемами Тевеніна, RC-узгодження або активного узгодження в лініях з високим імпедансом, проте передбачити оптимальне значення імпедансу та оптимальну схему включення кожного виду мікросхем практично неможливо. Проте багато сучасних мікросхем створено спеціально для роботи на лінію передачі, і широкий спектр доступних пристроїв типу LVDS і т.п. ЕМС. Мікросхеми драйверів (передавачів) для шин даних можуть мати вихідний опір 25 Ом - це дозволяє підключати «зіркою» чотири окремих лінії з імпедансом 100 Ом або шість ліній з імпедансом 150 Ом. Деякі типи драйверів мають убудований DC/DC-перетворювач, що дозволяє їм генерувати подвоєний рівень вихідного сигналу щодо стандартного логічного рівня і тим самим при підключенні в класичній схемі узгодження забезпечити стандартний рівень сигналу на вході приймача.
Структура шарів друкованої плати У попередній статті ми показали, що для критичних високошвидкісних сигналів важливе розташування поруч із ними опорного плану. Подивимося, як може бути типова структура друкованої плати з урахуванням цієї вимоги. Чотиришарова друкована плата часто маєтаку структуру: 1) Мікросмужкові лінії передачі та інші критичні сигнали. 2) Опорний план GND. 3) План харчування. 4) Некритичні сигнали. Примітка: гарною практикою для забезпечення ЕМС є підвищення взаємної ємності планів «землі» та живлення шляхом мінімізації товщини діелектрика між ними (у даному випадку між шаром 2 та 3) до 0,15–0,1 мм, що суттєво покращує показники розв'язки схеми харчування. Однак ця вимога суперечить традиційній схемі пресування, що склалася на сьогоднішній день, «фольга-препрег-ядро-препрег-фольга», де товщина препрега не може перевищувати 0,3 мм. У такому разі при товщині плати 1,6 мм товщина ядра (відстань між шаром 2 і 3) може бути 1,2, 1,0 або 0,8 мм, щонайменше. Якщо зменшення відстані між планами харчування є критичним, можливе використання структури «ядро-препрег-ядро», але для сучасних виробництв ПП це рішення стає менш технологічним і дорожчим. Якщо для реалізації схеми потрібно більше сигнальних шарів, можуть знадобитися додаткові плани GND. Високочастотні сигнали, проведені в сусідніх шарах, повинні бути розведені під кутом 90° в одному шарі щодо іншого. Зауважимо, що сигнали синхронізації («клок»), високошвидкісні шини даних та інші критичні сигнали не повинні змінювати шар під час розведення. Ось один із варіантів структури восьмишарової плати: 1) План GND. 2) Найбільш критичні сигнали, «зміщені смужкові лінії». 3) Найбільш критичні сигнали, «зміщені смужкові лінії», розведення виконано під кутом 90° щодо шару 2 для зменшення перехресних наведень. 4) План GND. (4) 5) План харчування. 6) Некритичні сигнали. 7) Некритичні сигнали та некритичні «зміщені смужкові лінії», розведення виконано під кутом90° щодо шару 6 для зменшення перехресних наведень. 8) План GND.
Ізоляція високошвидкісних областей на сполучних платах Раніше ми говорили, що високошвидкіснімікросхеми повинні бути розташовані в середині виділених областей на друкованій платі, далеко віддалені від краю плати, від країв опорних планів живлення та від роз'ємів. Система показана на рис. 3 пропонує розміщувати найбільш швидкі мікросхеми поблизу роз'ємів і не враховує вищевказані вимоги. Використання такої системи вимагає виконання високочастотного підключення опорних планів на сполучній платі до відповідних планів на дочірніх платах так, щоб найбільш високочастотних складових сигналу не виникало розриву в хвильовому опорі. У такій ситуації можуть допомогти екрановані роз'єми - їх екрани повинні зістиковуватися з частинами у відповідності по колу на 360 °, а також повинні бути під'єднаними по всій довжині роз'єму до опорного плану GND як на дочірній платі, так і на сполучній платі. Незалежно від того, чи використовується екранований або неекранований роз'єм, для кожного сигнального проводу і кожного виведення живлення на роз'ємі повинен бути висновок ланцюга зворотного струму GND і ці висновки повинні бути рівномірно розташовані по всій довжині роз'єму. Рознімання з узгодженим імпедансом, як правило, вже містять висновок зворотного струму на кожен сигнальний висновок. Важливо забезпечити розташування високошвидкісних сигналів ближче до середини роз'єму і не допускати їх проходження близько до краю плати або сполучної плати.
Висновок Ми розглянули типові схеми узгодження високошвидкісних сигналів і шин передачі з погляду конструювання друкованих плат. Було обговорено варіанти трасування шин даних, можливості буферизації сигналів. Будемо раді, якщо наведена інформація допоможе інженерам-схемотехнікам у взаємодії з інженерами-конструкторами друкованих плат.
Література 1. Design Techniques forEMC & Signal Integrity, Eur Ing Keith Armstrong.