Текст книги "Проектирование от печки – Трассировка высокоскоростных цифровых печатных плат"

Самоконтроль Gerbers и NC Drill

Сгенерированные производственные файлы Gerbers и NC Drill нужно загрузить в программу для просмотра и внимательно просмотреть. Обычно удается найти множество недочетов.

Review и исправление замечаний

Производится проверка более опытным и грамотным инженером. Все замечания исправляются.

Производится контроль исправления замечаний с прошлой итерации.

Повторить с пункта «Design Rules Check»

Процесс финализации платы итеративный до полного отсутствия замечаний.

Это позволяет сократить количество выпущенных версий платы. Стоимость выпуска мелкой партии материнских плат обычно весьма существенна.

Теория

Площадь токовой петли

Допустим есть проводник идущий над плейном. На низких частотах возвратный ток распределяется по плейну в широкой зоне вокруг проводника. Если есть разрыв в плейне, ток пройдет через ближайший конденсатор (или 2). Площадь петли тока увеличится, но не всегда существенно.

Кстати, в случае с ВЦПП ток почти всегда течет по петле. 2 известных мне случая отсутствия петли тока – это перетекание зарядов из земли в антенну и обратно, и перетекание зарядов между двумя разнозаряженными телами. Пример второго случая в контексте ВЦПП – это электростатический разряд.

На высоких частотах возвратный ток течет строго под проводником, причем чем выше частота, чем в более узкую полоску он собирается. В случае присутствия разрыва петля тока увеличивается очень существенно.

Более наглядно сравните две площади. Излучение и чувствительность к наводкам напрямую зависит от площади петли.

Для дифференциальных пар все ровно так же.

Импеданс

Параметры линии передачи влияют на сигнал. Мера этого влияния – импеданс.

Общий закон Ома для переменного тока:

При постоянном токе Z = R.

На высокой частоте Z не зависит от R, Z = Z₀.

Импеданс не зависящий от частоты – характеристический импеданс.

Отражения

Оказывается в месте смены характеристического импеданса высокочастотный (ВЧ) сигнал частично отражается.

Это тот же самый процесс, что и отражение и преломление в оптике.

Коэффициент отражения:

Для случая 60 Ом => 40 Ом:

20% сигнала отразится с инверсией полярности.

Что будет с сигналом в месте разрыва опоры?

Распространение сигнала в линии передачи

В начальный момент времени заряжается первый сегмент линии передачи током I = —I′.

Через 45° по фазе наступает минимум тока, в начале линии передачи I = 0, но ранее потенциал заряжает следующий сегмент линии. Таким образом сигнал распространяется по линии передачи (ЛП).

Через 180° снова достигается максимум тока, но уже в другую сторону. Первый сегмент ЛП заряжается с обратной полярностью по сравнению с фазой 0°. Сигнал продолжается распространяться по линии передачи.

Аналогично фаза 270°.

За один период сигнал распространяется в линии передачи на одну длину волны 𝜆.

Скорость распространения в виа примерно в 2 раза ниже.

Длина линии

При 𝜆 ≤ L линия называется длинной. Возникают отражения и рассчитываются по формуле.

При 𝜆 ≫ L линия называется короткой. Отражений не возникает, сигнал ее не видит.

Критерий оценки влияния на целостность сигнала

Прямоугольный сигнал состоит из множества синусоидальных сигналов. Сигнал самой низкой частоты и самой большой амплитуды, совпадающий с прямоугольным сигналом по частоте f называется несущим. Следующий меньший по амплитуде сигнал имеет частоту 3f и называется 3-й гармоникой. Следующий еще меньше по амплитуде – 5-й гармоникой и т. д. Нетрудно заметить, что чем выше гармоника, тем меньше соответствующий сигнал имеет влияние на форму прямоугольного сигнала.

Консервативная оценка влияния на целостность сигнала: 7-я гармоника (и ниже) должны проходить без изменений. Я стараюсь максимально придерживаться этой оценки.

Средняя оценка: 3-я гармоника должна проходить без изменений. В ряде случаев этой оценки бывает достаточно.

Для высокоскоростных интерфейсов с цифровыми эквалайзерами может быть достаточно высокоскоростной оценки: должна проходить 2-жды несущая (частота Найквиста).

Критерий видимости неоднородности

Длину виа нужно умножить на 2, т.к. скорость распространения в виа в 2 раза ниже.

Задача. Как влияет конденсатор 0402 (длиной 1 мм) на сигнал PCIe Gen3 (8 Гбит)?

Контекст

Стандарты

Официальные стандарты – основной источник информации.

– Стандарты производства ПП: IPC-7251, IPC-7351

– Стандарты на интерфейсы: PCIe, USB, SATA и т. д.

Статьи производителей МС

Статьи производителей МС – один из основных, разносторонний и достоверный источник информации.

Дизайн образец

Обычно для любой крупной разработки ВЦПП берется дизайн образец (Reference Design).

В нем можно подсмотреть грамотные технические решения и с ним можно сверить свои решения.

Философия

3 заповеди инженера: посчитай, переделай, подстрахуйся.

Посчитай

При возникновении какого-либо вопроса инженер должен задать себе вопрос: «Как это посчитать?»

«Достаточно ли ширины полигона?» – «Ток какой силы по нему можно пропускать?»

«Нужен ли тут конденсатор?» – «Какие частоты он будет фильтровать? А какие должен?»

«Нужен ли вырез в полигоне под конденсатором?» – «Виден ли этот конденсатор на используемых частотах передачи данных?»

Переделай

Нормальный подход когда с ходу непонятно, как лучше сделать – сделать как-нибудь. После этого становится видно, что можно переделать и улучшить. За несколько итераций обычно удается придти к нормальной или даже хорошей реализации.

«Пока умный думал – дурак сделал».

Подстрахуйся

Следует применять хорошие правила разработки. Вот некоторые из них:

– Подключать каждую площадку к плейну своим виа.

– Обрезать ненужные углы у полигонов.

– Трассировать питание только полигонами.

– Избегать ответвлений на линиях ВЧ интерфейсов.

– Добавлять 0-омные резиторы, если есть подозрение, что в процессе отладки цепь нужно будет разомкнуть.

– Аналогично добавлять непаяемые резисторы в обратном случае.

Во многих отдельных случаях будет работать и без них, но в таких сложных системах, как современная цифровая плата, хорошие практики все же необходимы. Таких спорных моментов могут быть тысячи, десятки тысяч и более. В случае несоблюдения хороших практик из-за количества этих моментов вероятность наступления неблагоприятного исхода весьма высока.

Допустим, вероятность благоприятного исхода при несоблюдении хорошей практики в одном отдельном месте на плате – 99.99%. Это довольно много. Если на каждой плате такой момент будет только один, то ни один инженер за всю жизнь не разработает столько плат, чтобы хоть одна из них оказалась нерабочей.

На сложной плате таких мест легко может быть 1000. Тогда вероятность благоприятного исхода:

90% дизайнов будут рабочими, а 10% – придется переделать!

Если мест 10 000:

63% дизайнов – в утиль!

Кроме того так гораздо проще проверять дизайн – не нужно тратить время на то чтобы вникнуть, а работает ли это решение в данном конкретном случае.

По сути это реализация системы канбан – места, которые могут быть проблемными, сразу бросаются в глаза.

Заключение

Делайте – и получится. Цифровая электроника – не самая сложная область и зачастую прощает некомпетентность. В конце концов, «любой дурак способен досчитать до одного».

Всегда опирайтесь на физику процесса, а не на школу разработки.