Андрей Васильевич Трундов
Высокоскоростные печатные платы. Примеры применения правил сохранения целостности электрических сигналов и электропитания
© Андрей Васильевич Трундов, 2023
ISBN 978-5-0056-2789-6
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Аннотация автора
В дополнение к ранее опубликованным материалам [1—9] по теме сохранения целостности электрических сигналов и электропитания, а также для подтверждения правильности принятых предположений, оформленных в виде правил и методик [9], в книге проведен анализ параметров линий передачи и проводников/полигонов электропитания.
Представленные здесь результаты, полученные в среде моделирования/анализа HyperLynx SI/PI Mentor (A Siemens Business) [10], могут стать наглядным пособием для начинающих радиолюбителей и опытных инженеров.
Благодарности
Благодарю руководство и сотрудников компаний Mentor (A Siemens Business) [10] и ООО «ПСБ СОФТ» – официального дистрибьютора фирмы «CADENCE Design Systems» в России [11] за помощь в создании книги и возможность познакомиться с программными продуктами HyperLynx SI, PI, Thermal и Sigrity для моделирования, проектирования и анализа печатных плат.
Благодарю сотрудников и выпускников кафедры «Радиотехника и Радиоэлектронные системы» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» за важные замечания и рекомендации, часть из которых были учтены при создании книги.
Благодарю интернет издательство «Ридеро» ООО «Издательские решения» за возможность делиться с читателем моим опытом и идеями.
Благодарю моих родителей, руководителей и учителей.
Описание печатных плат с линиями передачи с различными видами неоднородностей
С целью анализа линий передачи с различными типами неоднородностей были разработаны представленные ниже конструкции печатных плат.
Рис. 1 Печатная плата с линиями передачи с индуктивными неоднородностями (L-типа)
Линия 1 – однородная линия передачи Х1-Х2
Линия 2 – линия передачи с изгибом в форме петли Х14-Х15
Линия 3 – линия передачи с изгибом под углом 45 градусов Х16-Х17
Линия 4 – линия передачи с изгибом под углом 90 градусов Х18-Х19
Линия 5 – линия передачи с расположением сигнального проводника в верхнем и нижнем слое с набором переходных отверстий Х20-Х21
Линия 6 – линия передачи с набором изгибов под углом 90 градусов (меандр) Х3-Х4
Рис. 2 Печатная плата с линиями передачи с емкостными неоднородностями (С-типа)
Линия 1 – однородная линия передачи Х1-Х2
Линия 2 – линия передачи с переменной шириной сигнального проводника Х3-Х4
Линия 3 – линия передачи с переходом из зоны с большим волновым сопротивлением в зону с меньшим волновым сопротивлением Х6-Х7
Линия 4 – линия передачи с переходом из зоны с меньшим волновым сопротивлением в зону с большим волновым сопротивлением Х10-Х11
Линия 5 – прямая линия передачи с прямоугольным вырезом в опорном слое Х16-Х17
Линия 6 – линия передачи с переменной шириной сигнального проводника с переходными отверстиями Х20-Х21
Рис. 3 Печатная плата с линиями передачи с комбинированными неоднородностями (LC – типа)
Линия 1 – линия передачи с Т – образным ветвлением (Х1-Х2,Х3)
Линия 2 – линия передачи с боковым ветвлением (Х4 – Х5,Х6)
Линия 3 – линия передачи с Т – образным ветвлением от одного источника на три нагрузки (Х7-Х8,Х9,Х10)
Линия 4 – линия передачи с боковым ветвлением от одного источника на 4 нагрузки (Х12 – Х13,Х14,Х15,Х16)
Линия 5 – линия передачи с ветвлениями разной длины (Х17-Х18,Х19,Х20,Х21)
Параметры однородной микрополосковой линии передачи
Далее во всех примерах используется микрополосковая линия передачи. Другие типы линий передачи, включая дифференциальные линии, анализируются аналогичным образом и не будут рассматриваться в данной книге.
Ниже показано сечение однородной микрополосковой линии передачи с распределением силовых линий электрического и магнитного поля.
Рис. 4 Микрополосковая линия передачи
Параметры однородной микрополосковой линии передачи имеют следующий вид.
Рис.5 Полный набор характеристик однородной микрополосковой линии передачи
Рис.6 Набор числовых характеристик однородной микрополосковой линии передачи
Рис. 7 Параметры стека двухслойной печатной платы
Толщина верхнего и нижнего слоя металлизации равна 35 мкм. Толщина слоя диэлектрика равна 100 мкм. Верхний слой TOP является сигнальным слоем. Нижний слой Bottom является опорным слоем.
Пример расчета параметров однородной микрополосковой линии передачи
По ранее предложенным методикам [9] выполним расчет основных параметров и характеристик однородной микрополосковой линии передачи.
Это именно то, что можно сделать при помощи карандаша и бумаги без использования мощной среды моделирования/анализа конструкции печатной платы. Много это или мало, вы сможете оценить самостоятельно после прочтения книги.
В следующих главах представлены результаты анализа характеристик всех линий передачи, полученные в среде моделирования/анализа HyperLynx SI/PI Mentor (A Siemens Business).
Скорость распространения электромагнитной волны в полосковой линии передачи
Скорость распространения электромагнитной волны в линии передачи определяется типом линии и электрической проницаемостью диэлектрика.
В полосковой линии передачи сигнальный проводник полностью находится внутри диэлектрика. Скорость распространения электромагнитной волны может быть определена из выражения.
V = c/SQR (ɛμ)
,где SQR – символьное обозначение корня квадратного, μ – магнитная проницаемость (при отсутствии магнитного поля может быть принята равной единице), ɛ – электрическая проницаемость диэлектрика (принята равной четырем для упрощения вычислений), с – скорость света (равна 3х108 м/с).
Для полосковой линии передачи значение скорости распространения волны при указанных параметрах равно половине значения скорости света
Vполос. л.п. = 1,5х108 м/с
Скорость распространения электромагнитной волны в микрополосковой линии передачи
В микрополосковой линии передачи с одной стороны от сигнального проводника расположен диэлектрик FR-4. С другой стороны диэлектрик отсутствует. Расчет скорости распространения электромагнитной волны может быть затруднен, поскольку точно определить «усредненное» значение электрической проницаемости невозможно без выполнения сложных математических вычислений.
Типовое значение скорости распространения, применяемое для расчетов, может быть принято равным от
1,6х108 м/с до 1,8х108 м/с.
Более точное значение можно определить по параметрам, полученным в среде моделирования/анализа HyperLynx.
Рис. 8 Краткий набор характеристик сегмента однородной микрополосковой линии передачи
Используя набор характеристик сегмента прямой однородной линии передачи, разделим длину линии передачи L = 10 см на время распространения сигнала tраспр. = 604 пс. Получим значение скорости распространения волны, равное
Vмикрополос. л.п. = L/tраспр. = 1,66х108 м/с
Частота среза амплитудно-частотной характеристики линии передачи или верхнее значение полосы пропускания линии без учета влияния параметров источника и приемника сигнала
Омическое или погонное сопротивление сигнального проводника линии передачи R = 0,3 Ом и значение емкости C = 12 пФ, образованной между сигнальным проводником и опорным слоем с учетом электрической проницаемости диэлектрика между ними, позволяют рассчитать предельно допустимую частоту среза RC фильтра нижних частот (ФНЧ).
Fср = 1/2𝜋RC = 44 ГГц
Частота среза амплитудно-частотной характеристики линии передачи или верхнее значение полосы пропускания линии с учетом влияния параметров источника и приемника сигнала
С учетом выходного сопротивления источника сигнала (для упрощения расчета принимается равным 10 Ом), выходной емкости источника сигнала (принимается равной 10 пФ), входной емкости приемника сигнала (принимается равной 10 пФ) получим значение частоты среза
Fср = 1/2𝜋RC = 530 МГц
Для расширения полосы частот линии передачи производители микросхем стремятся уменьшить емкости передатчика и приемника сигнала до минимально возможных значений.
При минимальных значениях емкостей передатчика и приемника определяющим для получения максимальной полосы пропускания линии передачи становится собственное значение емкости линии, которое в большей степени зависит от длины линии передачи. В примере оно равно 12 пФ для длины 10 см при заданной ширине проводника 0,5 мм и толщине диэлектрика 100 мкм.
Для указанных параметров получим
Fср = 1/2𝜋RC = 1327 МГц
Таким образом, можно определить примерные границы полосы пропускания однородной микрополосковой линии передачи длиной 10 см, которые составляют 500 – 1500 МГц.
Для полосковой линии передачи с меньшим значением скорости распространения электромагнитной волны из-за большего значения потерь в диэлектрике верхние значения частот полосы пропускания будут ниже, определенных ранее. Чем выше потери энергии сигнала в диэлектрике, тем ниже частота среза амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).
Для линии передачи с высокочастотным диэлектриком со значением электрической проницаемости близким к единице скорость распространения электромагнитной волны может приблизиться к скорости света. В результате верхняя граница полосы частот для аналогичной линии передачи длиной 10 см может достигнуть значения 2500 МГц.
Таким образом для выбранной линии передачи верхняя граница полосы частот может изменяться от 500 до 2500 МГц в зависимости от типа диэлектрика и типа конструкции синфазной линии передачи.
