Как сделать разводку печатных плат

Разводка печатных плат. В этой статье представлено подробное объяснение как выполнить проектирование высокоскоростной печатной платы. В этом руководстве представлены важные рекомендации, советы и правила, которые помогут упростить проектирование высокоскоростной печатной платы.

Спустя несколько десятилетий после изобретения электронных ламп и их использования в качестве первых компьютерных процессоров, то транзисторы застали нас принимать их всерьез.

Разводка печатных плат для высокоскоростного интерфейса

Точно так же интегральная схема (ИС), после своего изобретения затмила транзистор, и с тех пор мы мало что изучали о последнем. Также и печатные платы в этом смысле ничем не отличаются. В наши дни почти все устройства работают на высокоскоростных печатных платах.

Разводка печатных плат выполненных для устройств с низкой скоростью передачи данных означает, что они передают более низкую частоту импульсов, низкую тактовую частоту и высокие значения шума. Эти аспекты не нуждались в таких вещах, как контроль импеданса или целостность питания, но поверьте мне, современные устройства, у которых разводка печатных плат выполнена для высокоскоростных интерфейсов, сильно отличаются.

Давайте узнаем, как это сделать

Что такое разводка печатных плат для высокоскоростного дизайна?

Разводка высокоскоростной печатной платы применяется к устройствам, которые синхронизируют высокие частоты, поскольку для этого потребуются интерфейсы с высокой скоростью. Однако термин «высокая скорость» может ошибочно относиться к тактовой частоте в этом контексте, что неверно. Буквально, разводка высокоскоростной печатной платы вращается вокруг граничной скорости.

Так как же отличить высокоскоростную разводку печатной платы от низкоскоростной конструкции? Обратите внимание на любую из этих характеристик:

• Наличие высокоскоростных интерфейсов, включая HDMI, Ethernet, Thunderbolt, USB, SATA или любой другой интерфейс высокоскоростной передачи данных.
• Каждая схема состоит из других интегральных схем, соединенных между собой через высокоскоростные интерфейсы, такие как LVDS, DSI, DR3 и т.д.
• По трассе время распространения сигнала не опускается ниже 1/3 времени нарастания сигнала.
• Частота цифрового сигнала составляет не менее 50 МГц.
• Физический размер печатной платы невелик, и найти отдельные компоненты сложно.

Рекомендации по разводке высокоскоростных печатных плат

Как мы уже упоминали, разводка печатной платы для обеспечения передачи высокой скорости информации — довольно сложная задача, особенно с учетом того, с какой тщательностью следует прокладывать трассы. Есть несколько рекомендаций, которые вы должны использовать, чтобы сделать правильный макет любой разводки высокоскоростной печатной платы. Это:

Минимальное использование переходных отверстий

Да, они полезны, но неправильная трассировка приведет к отражению и ослаблению сигнала. Вот почему у вас должно быть максимум два (2) переходных отверстия для одного межсоединения.

Выравнивание длины

Два конца дифференциальной пары должны быть одинаковой длины. Это гарантирует, что приемник может адекватно сгладить синфазный шум. Убедитесь также, что несимметричные сигналы направляются параллельно в случае нескольких сигналов, чтобы сигналы могли достигать пункта назначения одновременно.

Короткая длина трассы

Для уменьшения затухания используйте по возможности более короткие трассы. Затухание происходит, когда сигналы теряют энергию в результате диэлектрического поглощения.

Расстояние между трассами

Чтобы свести к минимуму перекрестные помехи, расстояние между дорожками должно быть как минимум в пять раз больше ширины дорожек (5W).

Советы по разводке высокоскоростной печатной платы

Лучший способ научиться разрабатывать высокоскоростные печатные платы — это не только тренироваться, но и продолжать делать это до тех пор, пока не накопится опыт. Опыт, в свою очередь, позволяет выполнить весь процесс проектирования правильно и без ошибок.

Если вы не уделяли много времени разводке высокоскоростных печатных плат, возможно, вы не сделаете это так быстро и эффективно, как сделал бы специалист. Однако есть несколько советов, которые вы можете использовать в своих интересах и разработать качественные высокоскоростные печатные платы.

Эти советы также применяются профессионалами, чтобы упростить себе работу. Ознакомьтесь с ними ниже:

Первое правило заключается в том, что длина дорожек должна быть подобрана примерно на одинаковую длину для высокоскоростного проектирования. При наличии современного программного обеспечения САПР, у вас есть возможность контролировать всю длину дорожек.

Поскольку время распространения сигнала различается на разных слоях, общая длина трасс и участков дорожек на каждом слое должны быть выровнены. Это необходимо только тогда, когда дорожки высокоскоростного интерфейса проходят на нескольких слоях.

Для большей точности настройки контролируйте длину секций с помощью удобной электронной таблицы Excel или Google. Этот ручной подход позволяет вам складывать длины дорожек на разных слоях, что приводит к более высокой точности.

Импеданс — еще один важный аспект в разводке высокоскоростной печатной платы. Поскольку вы не хотите возится с одним значением импеданса, убедитесь, что производитель вашей печатной платы четко указал параметры из таблицы данных и дорожек. Если вы не можете связаться с производителем, вы должны хотя бы знать, как читать спецификации и руководства по проектированию оборудования.

Даже имея технический паспорт, вы должны понимать, что фактический импеданс может незначительно отличаться от того, что вы рассчитали. Тем не менее, характеристики материалов компонентов от разных производителей различаются.

При разработке правил разводки на вашей плате вы должны выбрать идеального производителя компонентов и убедиться, что все детали соответствуют проекту. Некоторые вещи, вы можете узнать непосредственно у производителя, например, какие варианты укладки они имеют для желаемого количества слоев, а также длину дорожек и расстояния между ними. Эта информация похожа на получение точных дифференциальных и несимметричных импедансов, которые вам нужны.

Некоторые изготовленные платы могут потребовать выделения дорожек, для которых требуется определенное сопротивление.

Наконец, даже если это приведет к увеличению стоимости производства печатной платы, вам следует поручить производителю выполнить процедуру контроля импеданса. Это один из самых простых способов повысить качество сигнала с самого начала разводки высокоскоростной печатной платы.

Правила и проблемы разводки печатной платы для высокоскоростных схем

Чтобы спроектировать и развести высокоскоростную печатную плату, существуют определенные правила проектирования, которых необходимо придерживаться для достижения оптимальной эффективности. Далее мы рассмотрим эти направления и проблемы.

Настройка длины трассы

Высокоскоростные интерфейсы часто требуют, чтобы длина трассы была настроена для синхронизации сигналов перед передачей по линиям данных, иначе плата не будет работать на максимальной частоте или, что еще хуже, не сможет работать вообще.

Как правило, чем выше частота интерфейса, тем выше требования к согласованию длины. Поэтому, вы должны настроить длину трассировки для всех параллельных интерфейсов. Настраивая длину трассы, убедитесь, что вы получаете правильную длину для данной группы сигналов.

Импеданс

При разводке высокоскоростной печатной платы обратите особое внимание на несимметричный и дифференциальный импедансы (Zo и Zdiff соответственно). Другие распространенные типы импеданса включают нечетный режим, общий режим и четный режим.

Использование неправильного импеданса приведет к отражению сигнала внутри дорожки. Фактически это снижает рабочую частоту, генерирует нежелательные электромагнитные помехи и приводит к потере качества сигнала. Чтобы избежать всего этого, используйте правильный импеданс.

Форма дорожки

Несмотря на то, что стандартные требования к формам дорожек должны быть круглыми, с ровными углами и без резких изгибов. Обычно это занимает много времени, но вы должны избегать изгибов на 90 градусов. Однако у вас есть возможность сделать дорожки под углом 45 градусов.

Более острый угол приведет к отражениям и изменениям импеданса, а также к более высоким значениям несвязанной длины в дифференциальных парах.

Согласование

Согласование — это размещение резистора между дорожками дифференциальной пары в конце линии, как можно ближе к приемнику. Прерывание помогает избавиться от отражений сигнала, тем самым улучшая качество передачи данных.

Следует отметить, что номинал резистора должен быть равен или немного выше разницы в случае дифференциальных пар, отказ которых приведет к перегрузке, ухудшающей качество сигнала.

Вы также должны внимательно ознакомится с техническими паспортами и руководствами по проектированию оборудования, поскольку они могут подсказать вам, есть ли внутри IC, которая у вас есть, согласующий резистор. Включение внешнего резистора в таких случаях может привести к перегрузке.

Заземление

Разводка высокоскоростного интерфейса на одном слое — это то, о чем вы действительно не мечтаете. Вам понадобятся переходные отверстия, чтобы вы могли перемещать трассу по другим слоям.

При работе с разными слоями размещайте заземляющие проводники как можно ближе к слоям. Это позволяет обеспечить однородные потенциалы полигонов GND вблизи сигнальных переходных отверстий. Таким образом, вы сможете поддерживать один и тот же уровень GND на всем протяжении трассировки.

Расположение компонентов

Длина трасс обычно не очень велика. Вы должны иметь это в виду, когда начинаете подключать компоненты, которые связаны между собой через высокоскоростные интерфейсы, это необходимо, чтобы оставить достаточно места для настройки длины.

Высокоскоростные интерфейсы также не следует размещать близко к краю печатной платы, так как это повлияет на качество сигнала.

Размещение полигонов земли на слоях, близких к сигнальным слоям

Общее правило здесь состоит в том, что все дорожки высокоскоростных интерфейсов должны проходить через сплошную плоскость GND.

Таким образом, чтобы избежать дополнительных электромагнитных помех, задержек сигнала, помех, нарушения целостности и ухудшения качества сигнала, никогда не прокладывайте дорожки над полигонами-разделителями или полигонами-вырезами.

Любая дорожка, пересекающая разделенный многоугольник, должна быть исправлена ​​путем размещения керамических развязывающих конденсаторов там, где находится разделение многоугольника, чтобы минимизировать ухудшение качества сигнала.

Перекрестные помехи

Для любых двух соседних дорожек сигнал, передаваемый через одну дорожку, вызывает нежелательное воздействие на другую — явление, известное как перекрестные помехи. Поскольку величина перекрестных помех зависит от длины, на которой дорожки проходят параллельно друг другу, необходимо обеспечить, чтобы зазор между парами был по крайней мере в пять раз больше ширины дорожки. Вы должны обеспечить одинаковое расстояние между дифференциальной парой и любой другой дорожкой по всей длине первой.

Заключение по разводке высокоскоростной печатной платы

Разработка печатной платы может быть одной из самых сложных задач, связанных с PCB. Это становится труднее, если размер платы невелик и трудно найти различные компоненты. В этом руководстве представлены важные рекомендации, советы и правила, которые помогут упростить проектирование высокоскоростной печатной платы.