Projektowanie płytek drukowanych z układami typu high-speed

Rys. 1. Układ filtracji napięcia zasilania

Na etapie projektu płytki drukowanej konstruktor napotyka rozmaite problemy wymagające zastosowania specjalnych, zazwyczaj kompromisowych rozwiązań. Przykładowo jeżeli priorytetem jest mały rozmiar urządzenia, jego komponenty należy zamontować jak najbliżej siebie, łącząc je wąskimi ścieżkami prowadzonymi w niewielkich odstępach.

Takie podejście może powodować różne komplikacje. Między sygnałami w gęsto rozmieszczonych ścieżkach mogą występować sprzężenia, wykonanie ścieżek o małej szerokości jest trudne. Z kolei podzespoły o różnej funkcjonalności (układy cyfrowe, analogowe, radiowe) zgromadzone na małej powierzchni i w dużej ilości mogą z powodu różnic, m.in. w częstotliwości pracy, impedancji i poziomach napięć, wzajemnie się zakłócać.

Zadania konstruktorom PCB nie ułatwia również fakt, że rozwój technologii produkcji układów logicznych zmierza w kierunku ograniczania napięć zasilania. W efekcie są one również przełączane przy niższych napięciach, co zmniejsza ich odporność na zaburzenia.

Specyfika high-speed

Rys. 2. Płaszczyzna zasilania podzielona na dwie części

Wyzwaniem może się również okazać opracowanie projektu płytki drukowanej z komponentami typu high-speed. Do tej grupy zalicza się układy cyfrowe, w których szybkość zmiany stanu logicznego jest porównywalna z czasem propagacji sygnału w ścieżce. Są one w większym stopniu niż inne komponenty wrażliwe m.in. na szumy i inne zaburzenia.

W obwodach, których są częścią, można się także spodziewać wystąpienia zjawisk charakterystycznych dla linii transmisyjnych. Jeżeli nie uwzględni się tego w projekcie PCB, nie można mieć pewności, że urządzenie będzie działać prawidłowo.

Aby zapobiec komplikacjom, należy m.in.: filtrować napięcie zasilania oraz w odpowiedni sposób dostarczać je do poszczególnych części urządzenia, stosować się do określonych wytycznych w zakresie prowadzenia ścieżek sygnałowych oraz zapewnić dopasowanie impedancji komponentów i ścieżek sygnałowych.

Wskazówki projektowe

Rys. 3. Nie należy prowadzić ścieżek sygnałowych nad przerwą dzielącą części płaszczyzny

Aby zmniejszyć niskoczęstotliwościowe zaburzenia ze źródła zasilania, napięcie to należy filtrować. W tym celu w punktach obwodu, przez które napięcie zasilania jest doprowadzane do PCB i jej komponentów, należy zamontować kondensatory. Można również zastosować układ z rysunku 1, którego częścią jest koralik ferrytowy.

Konieczne jest również wyeliminowanie wysokoczęstotliwościowych składowych generowanych przez elementy PCB, co można uzyskać, instalując kondensatory odsprzęgające. Aby zapewnić skuteczność filtracji w szerokim zakresie częstotliwości, należy użyć kilku kondensatorów. Te o najmniejszej wartości pojemności powinny być montowane jak najbliżej zacisku zasilania.

Zasilanie w obrębie PCB można rozprowadzić za pośrednictwem ścieżek zasilających. Metoda ta jest tania i zwykle stosuje się ją w dwuwarstwowych płytkach drukowanych.

Pewnym utrudnieniem w tym wypadku jest zapewnienie odpowiedniej szerokości takiej szyny, zwłaszcza w obwodach o dużym zagęszczeniu elementów. Wadą tego rozwiązania jest również to, że podzespoły znajdujące się w znacznej odległości od źródła będą zasilane niższym napięciem.

Dzielić czy nie dzielić?

Rys. 4. Płaszczyzny masy należy ze sobą łączyć tylko w jednym punkcie

Alternatywą do przedstawionego sposobu jest stosowanie płaszczyzn odniesienia. Zapewniają one jednakowe napięcie wszystkim komponentom PCB, równocześnie pełniąc także funkcję ekranu. Jeżeli jednak jednocześnie z tego samego źródła zasilane są układy analogowe oraz cyfrowe, mogą się wzajemnie zakłócać.

Jednym z rozwiązań tego problemu jest podział płaszczyzny odniesienia jak na rysunku 2. Decydując się na taki krok, należy uważać, by skonstruowana w ten sposób płaszczyzna masy (zasilania) nie stała się anteną. Nie zaleca się ponadto prowadzenia ścieżek sygnałowych nad przerwą dzielącą poszczególne części płaszczyzny, ponieważ powoduje to powstawanie dużych pętli prądowych (rys. 3).

Płaszczyzny masy należy ze sobą łączyć wyłączenie w jednym punkcie, do którego bezpośrednio powinny płynąć prądy powrotne każdej z nich (rys. 4). Jeżeli takich wspólnych punktów jest więcej, mogą powstawać pętle masy.

W związku z tym, że rozdzielenie płaszczyzn masy znaczenie komplikuje konstrukcję płytki, często nie warto tego robić. W zamian lepiej podzielić PCB na dwie części: analogową i cyfrową, a następnie odpowiednio rozmieścić na każdej z nich elementy urządzenia (rys. 5).

Linie transmisyjne

Rys. 5. Alternatywą dla podziału płaszczyzn odniesienia jest podział funkcjonalny komponentów na PCB

To, w jakim stopniu duża szybkość przełączania układów logicznych sprzyja powstawaniu różnych niekorzystnych zjawisk, zależy też od materiału użytego do konstrukcji PCB. Kluczowe znaczenie ma zwłaszcza wartość względnej przenikalności elektrycznej ER laminatu. W wypadku laminatu FR4 wynosi ona około 4, natomiast w laminatach teflonowych w przybliżeniu 2.

Znając tę wartość, można obliczyć prędkość sygnału na podstawie równania v = c / √ER, a następnie opóźnienie propagacji t_OP w ścieżce o długości l z zależności top = l / v. Jeżeli czas narastania sygnału jest mniejszy niż czterokrotność t_OP, ścieżkę należy traktować jako stratną linię transmisyjną. W obrębie PCB wykorzystuje się dwa rodzaje linii transmisyjnych: mikropaskowe i paskowe.

Te pierwsze realizuje się, prowadząc ścieżkę na zewnętrznej warstwie płytki, oddzielonej od płaszczyzny odniesienia (masy lub zasilania) warstwą dielektryka, jak na rysunku 6 b. Linie paskowe wykonuje się z kolei prowadząc ścieżkę w obrębie dielektryka między dwoma płaszczyznami odniesienia jak na rysunku 6a.

Rozmieszczenie ścieżek i przelotek

Rys. 6. Ścieżki na PCB wykonywane są jako linie paskowe a) i mikropaskowe b)

Projektując ścieżki sygnałowe, zwłaszcza tory transmisji specyficznych sygnałów, warto przestrzegać pewnych zasad. Przykładem jest sygnał zegara. W tym wypadku należy ścieżki prowadzić liniami prostymi, w miarę możliwości unikając zakrętów. Niezalecane jest również korzystanie z wielu warstw sygnałowych oraz stosowanie przelotek.

Te ostatnie bowiem nie tylko wydłużają ścieżkę, ale również powodują zmianę jej impedancji, co może skutkować odbiciami sygnałów. Warto również poprowadzić taką ścieżkę na najwyższej warstwie. Jeżeli musi być ona zrealizowana na warstwie wewnętrznej najlepiej, jeśli zostanie umieszczona między dwoma płaszczyznami masy.

W wypadku ścieżek dla sygnałów różnicowych należy z kolei zapewnić odpowiednio duży odstęp od innych torów transmisyjnych. Najlepiej, gdy jest on co najmniej dwukrotnie większy niż odległość między ścieżkami danej pary różnicowej.

Z kolei te ostatnie powinny być prowadzone możliwie najbliżej siebie, dzięki czemu można ograniczyć odbicia sygnałów. Ważne też, aby zachować stałą odległość między tymi ścieżkami na całej ich długości. Przelotek również należy unikać. Jeżeli nie jest to możliwe, trzeba stosować je w obydwu ścieżkach lub w jakiś inny sposób skompensować opóźnienie sygnału w torze bez przelotki.

Dopasowanie impedancji

Rys. 7. Układy dopasowujące impedancję z jednym a) i parą rezystorów b)

Niedopasowanie impedancji źródła sygnału lub jego odbiornika i impedancji ścieżki skutkuje odbiciem sygnału, w konsekwencji zniekształceniami i utratę informacji przesyłanej za jego pośrednictwem (brak integralności). Aby ograniczyć to zjawisko, należy dopasować impedancję obciążenia i nadajnika do impedancji linii transmisyjnej.

Można to zrealizować, uzupełniając obwód o dodatkowe elementy. Przykłady układów dopasowujących obciążenie zamieszczono na rysunku 7. Rysunek 7a przedstawia rezystor o impedancji równej impedancji charakterystycznej ścieżki włączony równolegle z obciążeniem. Na efektywność dopasowania impedancji ma w tym przypadku wpływ odległość między tym opornikiem, a obciążeniem, która powinna być jak najmniejsza.

Alternatywny układ zamieszczono na rysunku 7b. Układem dopasowującym jest w tym przypadku para rezystorów. Zastępcza rezystancja ich równoległego połączenia powinna być równa impedancji charakterystycznej linii transmisyjnej.

Sprzężenia

Rys. 8. Jednoczesne przełączenie wielu wyjść układu cyfrowego powoduje efekt ground bounce

Niepożądanym zjawiskiem jest również sprzęganie się sygnałów przesyłanych sąsiadującymi ścieżkami prowadzonymi równolegle do siebie. Wyróżnia się dwa rodzaje sprzężeń: pojemnościowe oraz indukcyjne. Skutkiem pierwszego jest indukowanie się napięcia zakłóceń w jednej ścieżce na skutek zmiany napięcia w drugiej.

W wypadku sprzężenia indukcyjnego na skutek zmiany prądu w jednej ścieżce, w wyniku której zmienia się pole magnetyczne wokół tego przewodnika, w drugiej ścieżce indukowane jest pasożytnicze napięcie. Efekt sprzężenia jest silniejszy, im dłuższym jest odcinek, na którym dwie lub większa liczba ścieżek jest prowadzona równolegle oraz im mniejszy jest odstęp między ścieżkami.

Przyjmuje się, że odległość między sąsiadującymi w ten sposób ścieżkami powinna być równa co najmniej czterokrotności szerokości przewodnika. Sprzężenia można też ograniczyć, zmniejszając odległość między warstwą sygnałową a płaszczyzną masy. W wypadku układów high-speed należy się także spodziewać tzw. efektu ground bounce.

Jego istotę wyjaśnia przykład z rysunku 8. Przedstawiono na nim schemat połączenia kilku komponentów zamodelowanych jako obciążenia pojemnościowe C1....CN z kolejnymi wyjściami układu logicznego. Cewka L1 symbolizuje w tym wypadku indukcyjność połączenia między strukturą wewnętrzną układu a jego obudową, L2 - indukcyjność połączenia zacisku masy układu z PCB (jest większa, jeżeli użyta jest podstawka), natomiast L3 - indukcyjność ścieżki łączącej układ z masą PCB.

Zjawisko ground bounce występuje, jeżeli stan wielu wyjść układu logicznego równocześnie zmienia się z wysokiego na niski. Powoduje to przekazanie ładunku zgromadzonego w obciążeniu pojemnościowym do układu, czemu towarzyszy nagły wzrost prądu, który płynie do masy. To z kolei skutkuje powstaniem napięcia o wartości równej iloczynowi zmiany prądu i wypadkowej indukcyjności połączenia układu z masą PCB.

Ta różnica napięć między masami płytki i układu sprawia, że ten poziom odniesienia dla pozostałych wyjść układu chwilowo znacznie wzrasta. Aby ograniczyć to zjawisko, należy m.in.: zmniejszyć obciążenie pojemnościowe wyjść układu logicznego, stosując specjalne bufory, o ile jest to możliwe nie używać podstawek, ograniczyć liczbę wyjść układu przełączanych jednocześnie, a jako wyjścia przełączające wybierać te zaciski, które są blisko pinu masy. Można również do każdego wyjścia dołączyć rezystor ograniczający prąd.

Monika Jaworowska